Добавка кремния и деформация в два раза ускорят растворение временных имплантатов на основе железа

Ученые показали, что кремний ускоряет растворение изделий из сплавов железа примерно в два раза. Это связано с тем, что при деформировании сплава в условиях повышенного давления кремний, добавленный в материал, способствовал изменению его фазового состава. Полученные данные потенциально позволят использовать эти сплавы в качестве материала для временных имплантатов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Crystals.

Разработка биодеградируемых — постепенно разрушающихся в организме — сплавов на основе железа для временных медицинских имплантатов становится все более актуальна. Биодеградируемые имплантаты не нужно извлекать из тела пациента после заживления травмы, что исключает необходимость проведения повторного хирургического вмешательства и существенно сокращает период восстановления и нетрудоспособности больного. Число нетоксичных элементов, которые можно добавить в сплав железа при создании биодеградируемых сплавов медицинского назначения, очень ограничено. При этом такие «добавки» могут повышать скорость деградации материала, придавать ему антибактериальные и терапевтические свойства.

Ученые из Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН (Москва) с коллегами оценили, как кремний и высокое приложенное давление на этапе обработки влияют на микроструктуру и биодеградацию изделий из сплавов на основе железа и марганца. Чтобы получить подходящую структуру, авторы деформировали образцы сплавов в форме дисков кручением в условиях высокого давления, почти в 60 тысяч раз превышающего атмосферное, при этом меняя температуру обработки.

Эксперимент показал, что кремний способствует протеканию мартенситного превращения — процесса, при котором все атомы в образцах одновременно смещаются относительно друг друга на расстояние меньше междуатомного. Так, в образцах, подвергшихся высокому давлению при комнатной температуре, добавление кремния приводило к полному мартенситному превращению. Если в аналогичных условиях обрабатывались образцы без кремния, то доля мартенсита составила 94,5%. При этом, если образцы деформировали при 300℃, то без кремния в сплаве мартенситное превращение не происходило, а в образцах с кремнием содержание мартенсита составляло 81,5%. Таким образом, авторы показали: структура образцов, которые одинаково деформировали под высоким давлением, зависела от содержания в них кремния и от температуры, при которой происходила деформация.

Исследователи обнаружили, что мартенситная структура, полученная за счет добавления кремния, повышает скорость деградации образцов, исходно составляющую около 0,25 миллиметров в год, в два раза. Новая скорость позволяет имплантату раствориться в течение 1–2 лет. При этом эксперименты показали, что сплавы на основе кремния не снижали жизнеспособность клеток крови мышей.

«Наши данные потенциально позволят создать имплантаты нового поколения, которые будут обеспечивать стабильное восстановление кости после перелома. Преимуществом таких имплантатов будет их способность растворяться в теле пациентов без негативных последствий, благодаря чему не придется их извлекать после заживления травмы. В дальнейшем мы планируем провести детальное и всестороннее исследование биосовместимости полученных материалов: изучить их воздействие на жизнеспособность различных клеточных линий, а также оценить влияние имплантации изделий из разработанных сплавов на ткани, контактирующие с имплантатом, и внутренние органы у лабораторных животных», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Рыбальченко, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории металловедения цветных и легких металлов имени академика А. А. Бочвара Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН.

Авторы надеются масштабировать разработку для получения прототипов изделий и проведения клинических исследований на крупных животных, например, собаках, а также на людях. Полученные материалы, по словам исследователей, представляют особый интерес для целей ортопедии, челюстно-лицевой ортопедии, онкологии, а также для ветеринарной практики.

В исследовании участвовали сотрудники Национального медицинского исследовательского центра онкологии имени Н. Н. Блохина (Москва), Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» (Москва), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва), Белгородского государственного университета (Белгород) и Ляонинской академии материалов (Китай).