Сверхупругий пористый материал улучшит имплантаты нового поколения

Российские учёные разработали пористый материал для ортопедических имплантатов на основе сверхупругого титанового сплава и технологию его получения методом 3D-печати. По механическому поведению конструкции из нового материала ближе к костной ткани, чем традиционные металлические имплантаты.Это позволяет более равномерно распределять нагрузку, а развитая внутренняя архитектура обеспечивает благоприятные условия для врастания кости, сообщили в пресс-службе НИТУ МИСИС.

Разработка предназначена для применения в ортопедии, травматологии и спинальной хирургии. На технологию получения пористого материала уже одобрена заявка на патент.

Металлические имплантаты должны быть достаточно прочными, однако избыточная жёсткость может приводить к неравномерному распределению нагрузки между изделием и окружающей костью. Одним из подходов к решению этой задачи является применение пористых структур. Их свойства определяются не только составом сплава, но и геометрией ячеек, толщиной элементов, качеством печати и наличием дефектов.

Для решения этой задачи учёные из НИТУ МИСИС совместно с индустриальным партнёром — компанией «Конмет» — изготовили образцы из сверхупругого сплава на основе титана, циркония и ниобия (Ti-Zr-Nb) методом лазерного сплавления с тремя типами архитектуры: ромбододекаэдрической, гироидной и основанной на диаграмме Вороного. Толщина элементов конструкций составляла от 200 до 400 микрометров.

«Мы подобрали технологическое окно печати, которое позволяет ограничить дефекты и сохранить заданную геометрию тонких пористых элементов, рассматривая не просто материал, а взаимосвязь „сплав-макроструктура-свойства“. Для пористых имплантатов важно обеспечить одновременно точность изготовления, подходящую жёсткость и сопротивление длительным циклическим нагрузкам», — отметил Вадим Шереметьев, заведующий лабораторией сплавов с памятью формы НИТУ МИСИС.

Конструкции из Ti-Zr-Nb продемонстрировали примерно вдвое меньший модуль Юнга, чем образцы из широко распространенного медицинского сплава Ti-6Al-4V. При этом усталостная прочность пористых структур из нового сплава была сопоставима с традиционным материалом. Наиболее перспективной оказалась гироидная архитектура, обеспечивающая оптимальное сочетание прочности, пористости и сопротивления циклическому сжатию.

«Для имплантатов важна не только высокая прочность, но и оптимальное сочетание механических свойств, близкое к характеристикам костной ткани. Если имплантат значительно жёстче кости, он принимает на себя большую часть нагрузки, что может привести к эффекту экранирования напряжения и постепенному разрушению костной ткани. Поэтому мы стремились не к максимальной прочности, а к такому сочетанию свойств, при котором имплантат работает вместе с костью как одно целое», — рассказал Константин Лукашевич, младший научный сотрудник лаборатории сплавов с памятью формы НИТУ МИСИС.

Работа проведена при поддержке Российского научного фонда, а также соответствует задачам стратегического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинская инженерия и биоматериалы» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030». Подробности исследования — в журнале Journal of Materials Research and Technology (Q1).