МИСиС: Биосовместимый сплав для замены костных тканей

Основная статья: Костная имплантация

2023: Получение патента на сплав на основе системы железо-марганец-кремний

Ученые Университета МИСИС запатентовали сплав с памятью формы для биодеградируемых костных имплантатов на основе системы железо-марганец-кремний (Fe-Mn-Si). Он обладает высокой биомеханической совместимостью с костной тканью и требуемой скоростью растворения, что делает его перспективным материалом для использования в травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии. Об этом 18 октября 2023 года сообщил университет.

Существуют материалы на основе магния или цинка, способные растворяться в организме, но у них более низкие механические свойства. Кроме того, скорость биодеградации магния является чрезмерно высокой, что может привести к нарушению целостности фиксирующего имплантата до полного восстановления костной ткани. Также распад магния сопровождается выделением газообразного водорода, который может нанести вред человеку. По сравнению с этими веществами, сплавы на основе железа обладают лучшими механическими свойствами, но низкой способностью к биодеградации. Для устранения этого недостатка в качестве легирующих элементов использованы марганец и кремний.

Разработка биодеградируемых имплантатов является актуальным направлением в медицине. Это связано с тем, что в некоторых случаях после восстановления поврежденной костной ткани имплантаты необходимо удалять из организма и проводить повторную операцию. Это травматично для пациента и сопряжено с дополнительными расходами. Более того, использование имплантатов из нержавеющей стали, кобальт-хромовых, титановых сплавов и других традиционных материалов в долгосрочной перспективе может привести к негативным последствиям: расшатыванию имплантата, его износу, ограничению роста костной ткани, аллергическим реакциям, а в некоторых случаях даже к онкологическим заболеваниям, – сказал автор патента к.т.н. Пулат Кадиров, инженер кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС.

Кроме биосовместимости с костной тканью и определённых физико-механических свойств, материал для имплантатов должен способствовать заживлению и регенерации тканей с последующим естественным растворением в организме пациента.

При разработке биодеградируемых сплавов важной задачей является правильный подбор скорости их растворения для обеспечения высокого уровня механических свойств в течение требуемого времени, пока костная ткань не восстановилась, и на имплантат приходится значительная нагрузка. Поэтому в ходе исследований мы детально изучаем как механическое, так и коррозионно-электрохимическое поведение наших материалов, – отметил соавтор патента, к.т.н. Юлия Жукова, ведущий научный сотрудник центра наноматериалов и нанотехнологий Университета МИСИС.

Известно, что применение различных методов термомеханической обработки, включая горячую и холодную прокатку с последеформационным отжигом, значительно повышает функциональные свойства сплава. Ученые установили, что после горячей прокатки при 800°С с последующим охлаждением в воду, достигается наилучшая биомеханическая совместимость материала с костной тканью, значительно повышаются такие механические свойства, как предел прочности, предел текучести, относительное удлинение до разрушения, а также необходимая скорость биодеградации - 0,47 мм/год.Метавселенная ВДНХ 3.5 т

Специалисты НИТУ МИСИС планируют масштабировать выпуск заготовок этого сплава для промышленного производства с сохранением всех требуемых качеств. Также в рамках договора с НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН до конца 2023 года пройдут медицинские доклинические испытания биосовместимости in vitro и in vivo.

2022: Разработка сверхупругого сплава для замены костных тканей

Российские материаловеды из НИТУ «МИСиС» разработали биосовместимый сплав на основе титана, циркония и ниобия, обладающий физико-механическими свойствами близкими к костной ткани. Полученный сплав может стать основой для костных имплантатов. Результаты проекта опубликованы в журнале Metals. Об этом 15 марта 2022 года сообщил НИТУ «МИСиС».

В реконструкции костных тканей особая роль отводится металлическим биоматериалам. Один из них - титан. Проявляя биохимическую инертность за счет поверхностной оксидной пленки, он, тем не менее, не соответствует физико-механическим свойствам кости, что ведет к экранированию (снятию) напряжений и охрупчиванию близлежащих костных тканей.

Решением данной проблемы является создание металлических сплавов, способных воспроизводить поведение заменяемой кости под нагрузкой. Подобные сплавы должны демонстрировать сверхупругость – способность обратимо накапливать значительные напряжения (пружинить). Для получения сверхупругости необходимо точно подобрать фазовый состав сплава при комнатной температуре, что возможно с помощью регулирования химического состава сплава.

«В нашей работе мы изучили структуру и функциональные свойства нескольких сплавов системы Ti-Zr-Nb с повышенным содержанием циркония. Ожидалось, что изменение соотношения этих элементов должно помочь найти оптимальный фазовый состав, что приведет к ярко выраженной сверхупругости при комнатной температуре», - рассказал аспирант iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС» Данил Барилюк.

Как отмечают разработчики, в ходе работы были получены образцы четырех сплавов системы Ti-Zr-Nb с разным процентным соотношением циркония и ниобия. Их микроструктура и механические свойства были тщательно изучены и проанализированы.

«Сплав с составом Ti-41%Zr-12%Nb продемонстрировал высокую пластичность с относительным удлинением до разрушения более 20%, а полная обратимая деформация сплава составила более 6%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что данный материал является одним из наиболее перспективных сверхупругих сплавов в системе Ti-Zr-Nb», - заключил Данил Барилюк.

На середину марта 2022 года научный коллектив продолжает серию испытаний в целях оптимизации технологии получения сплава для промышленного импортозамещающего применения.

«В НИТУ «МИСиС» создан консорциум «Инженерия здоровья», одна из задач которого - подготовка ученых, ведущих разработки на стыке материаловедения, биологии и медицины. Мы привлекаем студентов к реализации исследований в области разработки новых способов диагностики и лечения тяжелых заболеваний, создания изделий медицинского назначения», - пояснил Федор Сенатов, к.ф.-м.н., директор НОЦ биомедицинской инженерии, руководитель образовательной программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС».