Как улучшить сплав для челюстно-лицевых имплантатов

Ученые НИТУ МИСИС по результатам экспериментов выявили методику, улучшающую баланс прочности и пластичности биоразлагаемого магниевого сплава, используемого в биомедицине, в частности, для челюстно-лицевых имплантатов. Особенность материала состоит в том, что после операции он постепенно резорбируется (растворяется) в организме человека.

Фиксирующие элементы (винты, пины, пластины и др.), выполненные из магниевого сплава, полностью заменяются вновь сформировавшейся тканью, что исключает необходимость повторной операции по удалению временных элементов из организма человека.

В последние годы интерес у исследователей вызывает сплав магния, цинка и галлия (Mg—Zn—Ga). Добавление цинка и галлия улучшает механические и коррозионные свойства, что позволяет сохранить целостность имплантата в течение определенного времени, необходимого для процесса заживления. Цинк способствует упрочнению материала, а галлий улучшает его пластичность, а также наделяет антимикробными свойствами и способствует увеличению плотности костной ткани. Такой сплав по своим характеристикам гораздо ближе к костной ткани человека, чем титановый.

«Сплавы на основе магния относятся к группе материалов с хорошей биосовместимостью. Они вызывают минимальные побочные реакции при контакте с тканями организма. Преимущество магния — в близком к человеческой кости модуле упругости, что снижает риск снижения плотности костной ткани из-за большой нагрузки на имплантат»,— отметил руководитель исследования, заведующий лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ МИСИС, к. т. н. Александр Комиссаров.

Сплав Mg—Zn—Ga перспективен для применения в биомедицине, но ученые утверждают, что для обеспечения безопасности материала необходимы дальнейшие исследования.

«Важно предотвратить возникновение токсичных соединений при разложении биоразлагаемых металлов. Обычно магний, цинк и галлий не представляют опасности для организма. Однако процесс коррозии магния сопровождается выделением водорода, что может привести к образованию газовых карманов вокруг имплантата. Наша задача — минимизировать это негативное влияние»,— сказала к. т. н. Анна Ли, инженер лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ МИСИС.

В ходе исследования ученые установили, что наиболее эффективным способом улучшения механических свойств и стойкости биорезорбируемого сплава Mg—Zn—Ga является горячая экструзия с последующим волочением, то есть выдавливание расплавленного металла на высокой скорости через сужающееся отверстие в специализированном прессе. Медицинскими партнерами проекта являются Российский университет медицины Минздрава России и Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. Подробности описаны в научном журнале Results in Materials (Q2). Исследование выполнено при финансовой поддержке мегагранта Минобрнауки России (№075–15–2022–1133).

На текущий момент по лицензионному договору разработка готовится к промышленному внедрению на технологической базе индустриального партнера.

Александр Комиссаров, к. т. н., заведующий научно-исследовательской лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ МИСИС, ответил на вопросы «Ъ-‍Науки»:

— В чем уникальность магниевых сплавов по сравнению с более распространенными титановыми?

— Главное отличие в том, что титановые имплантаты остаются в организме навсегда. Магниевые имплантаты способны растворяться в организме по мере восстановления костной ткани, и по прошествии одного года ничего не будет напоминать о том, что они когда-то были в организме.

— Почему в сплав входят цинк и галлий? Что дают эти химические элементы?

— Как правило, чистые металлы и в какой-то степени магний достаточно пластичны, но не имеют достаточной прочности. Добавление цинка и галлия к магнию позволяет повысить механические свойства, чтобы не допустить разрушения имплантата в организме, а также обеспечить минимально необходимый объем имплантируемого материала, снизив таким образом нагрузку на организм. Также цинк и галлий влияют на коррозионные свойства сплава, позволяют контролировать скорость резорбции имплантата в организме. Это позволит имплантату сохранять свою механическую целостность в течение необходимого времени. Галлий увеличивает скорость роста костной ткани практически в два раза, что способствует более быстрому процессу восстановления.

— Почему способ получения сплавов имеет такое важное значение для их механических свойств?

— Механические свойства сплавов определяются размером их структурных составляющих. В нашем случае такими структурными составляющими являются зерна, и чем они мельче, тем выше механические свойства сплава. Первоначальную заготовку получают методом литья, но, как правило, зерна в литой заготовке получаются достаточно крупными (несколько миллиметров), а механические свойства — низкими. Процесс пластической деформации способствует видоизменению зерен и формированию на их месте новых, на много порядков (несколько микрометров) меньше, чем в исходном литом состоянии.

— Как проходило исследование?

— Выбирали перспективные магниевые сплавы, максимально безопасные для организма и подходящие по свойствам. Далее слитки подвергли пластической деформации, чтобы отобрать лучшие сплавы и режимы деформационной обработки. Для деформированных образцов определяли механические и коррозионные свойства.

Медицинскими партнерами проекта являются Российский университет медицины Минздрава России и Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова.

— В настоящее время существует ряд нерешенных вопросов, связанных с перспективами применения магниевых сплавов. Например, быстрая коррозия магния в физиологических условиях. Расскажите, какие еще могут возникнуть сложности при использовании этих сплавов в медицине и какие вы видите пути решения.

— Считается, что имплантат должен сохранить свою механическую целостность в течение 12–18 недель, а затем он медленно растворяется. Для разработанного сплава удалось достичь приемлемого уровня коррозионной стойкости в жидкостях организма в ходе лабораторных исследований in vitro. Испытания на животных in vivo также показали обнадеживающие результаты. Сейчас мы подбираем барьерное покрытие, которое будет снижать скорость резорбции сплава на начальном послеоперационном периоде, когда вероятность воспалительных процессов максимальна.

— Могут ли имплантаты на основе этого сплава использоваться в других областях медицины — например, для лечения переломов или создания шунтов в сердце?

— Из магниевого биорезорбируемого сплава предполагается изготавливать фиксирующие элементы (винты, пины, пластины) для лечения переломов. Они полностью заменяются вновь сформировавшейся костной тканью, что исключает необходимость повторной операции. Команда НИТУ МИСИС также недавно запустила проект по созданию технологии изготовления коронарных стентов для кардиохирургии. Основные подходы, которые используются, это создание технологии получения бесшовной трубки малого диаметра и получение магниевой фольги с последующей лазерной сваркой.

— Как скоро, на ваш взгляд, можно будет внедрить подобную технологию в медицину? Будет ли она доступна людям?

— Потребность рынка в медицинских изделиях российского производства очень высока, потому что до санкций 100% биосовместимых и биорезорбируемых металлических изделий завозилось из-за рубежа. Сейчас проводятся клинические испытания разработанного в НИТУ МИСИС сплава. В середине 2024 года запланировано получение регистрационного удостоверения, что позволит осуществить первые продажи медицинских изделий российского производства, которые будут значительно дешевле иностранных аналогов.

Подготовлено при поддержке НИТУ МИСИС