Ученые улучшили состав пористого сплава для медицинских имплантатов

На фото: образцы сплава для медицинских имплантов.

Российские физики изучили, как добавление меди влияет на физико-механические свойства пористого сплава TiNiCu (титан+никель+медь). Оказалось, медь делает сплав более эластичным, что позволяет использовать его в имплантологии наряду с уже известными пористыми сплавами на основе никелида титана. Например, можно создавать имплантаты более сложных конфигураций или моделировать необходимую форму пористого имплантата в процессе хирургического вмешательства, в том числе в лицевой хирургии. Работа выполнена сотрудниками подведомственного Минобрнауки России Томского государственного университета (ТГУ).

TiNiCu относится к числу «умных» материалов c эффектом памяти формы и сверхэластичности, то есть способен даже при больших деформациях в охлажденном состоянии восстанавливать исходную форму при нагревании.

Пористые материалы на основе никелида титана (TiNi), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), широко используются в качестве имплантационных. Подобные имплантаты обладают оптимальными физико-механическими свойствами и высоким сходством структуры пористого тела с костными тканями живого организма.

Однако моделировать объемные и сложные по конфигурации имплантаты при определенном температурном режиме и обеспечивать им надлежащий косметический эффект при восстановлении функции утраченного органа возможно только из эластичных, легко деформирующихся пористых пластин на основе никелида титана.

«Использование в медицине пористых сплавов на основе никелида титана предполагает моделирование сложных по конфигурации имплантатов в интервале рабочих температур организма человека. Это возможно реализовать в легко деформируемых пористых сплавах, жесткость системы которых минимальна в необходимом температурном интервале. В сплавах на основе никелида титана жесткость системы определяется минимальным значением напряжения мартенситного превращения — совместного изменения расположения атомов в структуре материала. Чем меньше это значение, тем меньше жесткость системы. Например, эндопротез, изготовленный из пористого никелида титана с низким напряжением мартенситного сдвига, довольно податлив и его можно более точно адаптировать к дефекту при замещении костной структуры глазницы и других дефектов средней зоны лица», — рассказывает сотрудник лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы ТГУ Мария Кафтаранова.

На фото: образцы сплава для медицинских имплантов.

Ученым удалось выяснить, что добавление меди в состав TiNi открывает возможности управления физико-механическими свойствами материала, позволяет регулировать температурный интервал проявления эффекта памяти формы. При этом необходимо соблюдать строгие пропорции в составе материала для имплантатов, поскольку легирование (добавка) Cu в литых сплавах системы TiNi свыше 10 атомных процентов меди снижает его технологичность и повышает хрупкость.

Кроме того, медь помогла увеличить износостойкость литых сплавов при различных температурах от 37 °C до 250 °C, а также повысить сопротивление коррозии при легировании TiNi медью до 10 ат.%. По словам авторов, повышение коррозионной устойчивости позволяет дольше эксплуатировать конструкции, изготовленные из этого материала.

Важным открытием стало также определение диапазона оптимальных концентраций меди 3–6 ат.%, при котором для пористых сплавов вместе с широким температурным интервалом проявления обратимых деформаций характерно низкое значение напряжения мартенситного сдвига.

Мартенситный сдвиг — это уровень напряжения, при котором накопление деформации идет не за счет пластического механизма, который является дефектным, а благодаря мартенситному превращению, то есть, изменению взаимного расположения атомов в структуре сплава.

По мнению исследователей, находка имеет большую практическую ценность, поскольку с точки зрения реконструктивной хирургии снижение минимального напряжения мартенситного сдвига позволит точнее моделировать объемные и сложные по конфигурации имплантаты, которые соответствуют структуре дефектов живой ткани.

Результаты работы опубликованы в одном из международных научных изданий, также подана заявка на патент.

Исследование выполнено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» — одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».