Наука и технологии России

Вход Регистрация

Капля титана спасает кости

Для устранения костных дефектов и эндопротезирования в современной медицине используются разного рода имплантаты и фиксирующие покрытия. Сделать их более прочными и надёжными призван проект, поддержанный Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического развития России на 2014-2020 годы». Выполняют его учёные Московского авиационного института (Национального исследовательского университета), которые разрабатывают технологию получения наноструктурированного материала на основе титана с регламентированной пористостью для био- и механически совместимых остеоинтегрирующих медицинских имплантатов.

Михаил_Коллеров
Михаил Коллеров: «Наш пористый материал по остеоинтеграционным характеристикам не хуже существующих в настоящее время, а по отсутствию выкрашивания, и соответственно, риска металлоза превосходит их»

«Особенности технологии заключаются в том, что для получения пористого материала на первом этапе мы используем исходные волокна порядка 20 микрон в диаметре, полученные высокоскоростным затвердеванием расплава, – рассказывает руководитель проекта, доктор технических наук, профессор МАИ Михаил Коллеров. – Мы называем его методом «висящей капли». Суть его в том, что расплавленный титан не контактирует с тиглями, которые могут растворяться и загрязнить материал. Пруток технически чистого титана расплавляется источником тепла – электронной лучевой пушкой. И капля, попадая на быстро вращающийся медный охлаждаемый диск-кристаллизатор, застывает. В зависимости от формы диска-кристаллизатора, скорости его вращения и мощности пушки, мы можем получать разные формы и размеры волокон. Последние варьируют от 5 до 50 микрон.

На втором этапе происходит прессование волокон титана исходя из его дальнейшего использования – в виде листа, прутка либо конкретного имплантата, на третьем этапе – диффузионная сварка или спекание под определённой нагрузкой.

титан Внешний вид волокна титана, полученного методом «висящей капли» (ЭВКР)

«Мы проводили испытания пористого материала на разрыв, изгиб, сдвиг. Поскольку в проекте речь идёт об остеоинтеграционном материале, к нему предъявляются следующие требования, прежде всего объёмная, полностью сквозная пористость – от 50% до 80%. Сами поры должны иметь средний размер, начиная от 50 микрон до 500 микрон, чтобы при замещении костной ткани сквозь них мог прорасти остеобласт. Наши расчёты показали, что для достижения необходимой прочности средний диапазон размера пор должен составлять порядка 200–300 микрон», – пояснил руководитель проекта.

Четвертый этап представляет собой термоводородную обработку пористого материала, которая заключается в ведении в титан водорода термодиффузионным способом (при нагреве в среде газообразного водорода) и его удалении при последующем вакуумном отжиге. В процессе такой обработки титан претерпевает полную фазовую перекристаллизацию, в результате чего его структура измельчается до нанопластин, а в местах контакта отдельных волокон формируются общие структурные составляющие, обеспечивающие значительное повышение прочности пористого материала.

«После термоводородной обработки нам удалось повысить характеристики прочности пористого материала в 1,5–2 раза», – отметил Михаил Коллеров.

Участники проекта уже изготовили и провели испытания экспериментальных образцов листового и пруткового наноструктурированного остеоинтегрирующего пористого материала.

титан Внешний вид образцов остеоинтегрирующего пористого материала из титана

Доклинические исследования имплантатов, хотя это и не предусмотрено проектом, всё же проводились. Совместно с Гематологическим научным центром под руководством заведующего отделением ортопедии, кандидата медицинских наук Василия Мамонова прооперировано 20 кроликов, которым вживлены имплантаты в место дефекта кости. «Результаты очень хорошие – полное прорастание костной ткани в течение трёх месяцев, – поделился учёный. –

Наш пористый материал, по крайней мере, не хуже существующих в настоящее время, а по каким-то показателям превосходит их».

Индустриальный партнёр – ЗАО «Имплант МT» – специализируется на производстве эндопротезов тазобедренного и коленного суставов и планирует изготавливать из пористого титана, созданного участниками проекта, остеоинтегрирующие покрытия, которые обеспечат надёжную фиксацию имплантатов в кости и снизят риски послеоперационных осложнений.

протез Макеты протезов тел позвонков и чашки эндопротеза тазобедренного сустава с остеоинтегрирующим покрытием  из волокон пористого титана

В настоящее время индустриальным партнёром изготовлены макеты эндопротезов тел позвонков и вертлужных компонентов тазобедренных эндопротезов с остеоинтегрирующим покрытием из пористого титана. Технические испытания макетов показали высокую прочность пористого материала и адгезионную прочность покрытия.

Иллюстрации предоставлены Михаилом Коллеровым.

Обсуждение