Коллектив материаловедов НИТУ «МИСиС» представил новый сплав на основе магния, цинка, галлия и иттрия который может применяться в качестве материала для современных челюстных имплантатов. Они не требуют повторной операции, поскольку постепенно растворяются в организме параллельно с ростом нового участка костной ткани.
Магний станет основой биорастворимых имплантатов для челюстно-лицевой хирургии / ©Getty images
Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Materials. Магний и сплавы на его основе представляют серьезный интерес для имплантологов в качестве временной фиксации костной ткани, так как имеют высокий уровень биосовместимости и способность постепенно растворяться в организме человека по мере прогрессирования процесса заживления.
При этом модуль Юнга (физическая величина, которая характеризует свойства материала сгибаться или растягиваться под воздействием силы) магния и его сплавов близки к модулю Юнга человеческой костной ткани. Это в свою очередь предотвращает эффект «экранирования напряжений», характерный для широко распространенных в хирургической практике, но гораздо более «жестких» титановых сплавов.
Эффект экранирования напряжений (stress shielding effect) приводит к тому, что соседние здоровые кости недостаточно нагружаются и происходит их постепенная деструкция и, как следствие, уменьшение плотности. В будущем это грозит расшатыванием имплантата и разрушением кости.
Группу материаловедов НИТУ «МИСиС» заинтересовал галлий, в качестве легирующего компонента для магниевых сплавов, так как клинически доказано, что ионы галлия эффективны против резорбции костной ткани и применяются для лечения остеопороза и связанной с онкологией гиперкальциемии. Ученые описали оптимальную технологию создания сплава системы магний-цинк-галлий-иттрий, а именно влияние различных режимов термической обработки на микроструктуру, механические и коррозионные свойства итогового состава.
«В результате серии лабораторных опытов мы выяснили, что термообработка на твердый раствор улучшала механические свойства сплавов, а низкая скорость коррозии в растворе Хэнкса достигалась за счет растворения катодных фаз в процессе термообработки», – говорит соавтор исследования, заведующий лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук Александр Комиссаров.
По словам разработчиков, анализ влияния различных режимов термообработки на свойства сплава показал, что оптимальные температура и время составляют 350 градусов Цельсия и 18 часов с последующей закалкой в воде соответственно. Результаты коррозионных испытаний продемонстрировали, что добавление в состав сплава иттрия снижает скорость коррозии в растворе в два раза.
«Сплавы с отношением цинка и галлия, близким к единице, имеют примерно одинаковую скорость коррозии – примерно 0,6 миллиметров в год. Для сплавов с отношением цинка и галлия, равным 2 и 3,25, скорость коррозии составила 0,78 и 1,03 миллиметров в год соответственно. Добавление иттрия снизило скорость коррозии с 0,59 до 0,27 миллиметров в год из-за ингибирующего эффекта, оказываемого слоем продуктов коррозии. Таким образом, изменяя химический состав магниевого сплава за счет отношения цинка и галлия в нем, можно управлять скоростью коррозии имплантатов», – добавляет ключевой исполнитель проекта, доцент кафедры ЛТиХОМ НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук Вячеслав Баженов.
Таким образом, магниевый сплав с добавками цинка, галлия и иттрия, термообработанный по предложенному режиму, может применяться для создания челюстно-лицевых имплантатов благодаря высоким механическим свойствам и низкой скорости биорезорбции. Наличие галлия в составе сплавов придаст им новые, уникальные свойства и поможет восстановлению поврежденной костной ткани пациентов. В настоящий момент разработчики готовятся приступить к доклиническим исследованиям имплантатов на основе нового сплава на площадке одной из российских ветеринарных клиник.
