Ученые Университета МИСИС запатентовали биодеградируемый сплав для костных имплантатов

Ученые Университета МИСИС запатентовали сплав с памятью формы для биодеградируемых костных имплантатов на основе системы железо-марганец-кремний (Fe-Mn-Si). Он обладает высокой биомеханической совместимостью с костной тканью и требуемой скоростью растворения, что делает его перспективным материалом для использования в травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.

На сегодняшний день существуют материалы на основе магния или цинка,
способные растворяться в организме, но у них более низкие механические свойства.
Кроме того, скорость биодеградации магния является чрезмерно высокой, что может
привести к нарушению целостности фиксирующего имплантата до полного
восстановления костной ткани. Также распад магния сопровождается выделением
газообразного водорода, который может нанести вред человеку. По сравнению с
этими веществами, сплавы на основе железа обладают лучшими механическими
свойствами, но низкой способностью к биодеградации. Для устранения этого
недостатка в качестве легирующих элементов использованы марганец и кремний.

«Разработка биодеградируемых имплантатов является актуальным направлением в
медицине. Это связано с тем, что в некоторых случаях после восстановления
поврежденной костной ткани имплантаты необходимо удалять из организма и
проводить повторную операцию. Это травматично для пациента и сопряжено с
дополнительными расходами. Более того, использование имплантатов из нержавеющей
стали, кобальт-хромовых, титановых сплавов и других традиционных материалов в
долгосрочной перспективе может привести к негативным последствиям: расшатыванию
имплантата, его износу, ограничению роста костной ткани, аллергическим реакциям,
а в некоторых случаях даже к онкологическим заболеваниям», – говорит автор
патента к.т.н. Пулат Кадиров, инженер кафедры обработки металлов давлением НИТУ
МИСИС.

Кроме биосовместимости с костной тканью и определённых физико-механических
свойств, материал для имплантатов должен способствовать заживлению и регенерации
тканей с последующим естественным растворением в организме пациента.

«При разработке биодеградируемых сплавов важной задачей является правильный
подбор скорости их растворения для обеспечения высокого уровня механических
свойств в течение требуемого времени, пока костная ткань не восстановилась, и на
имплантат приходится значительная нагрузка. Поэтому в ходе исследований мы
детально изучаем как механическое, так и коррозионно-электрохимическое поведение
наших материалов», – говорит соавтор патента, к.т.н. Юлия Жукова, ведущий
научный сотрудник центра наноматериалов и нанотехнологий Университета МИСИС.

Известно, что применение различных методов термомеханической обработки, включая
горячую и холодную прокатку с последеформационным отжигом, значительно повышает
функциональные свойства сплава. Ученые установили, что после горячей прокатки
при 800°С с последующим охлаждением в воду, достигается наилучшая
биомеханическая совместимость материала с костной тканью, значительно повышаются
такие механические свойства, как предел прочности, предел текучести,
относительное удлинение до разрушения, а также необходимая скорость
биодеградации — 0,47 мм/год.

Ректор Университета МИСИС Алевтина Черникова отметила: «Создание новых
материалов и технологий в области биомедицины – одно из ключевых направлений
деятельности университета в рамках реализации программы “Приоритет 2030”. На
протяжении ряда лет ученые вуза занимаются разработкой материалов, которые
смогут найти применение при терапии различных заболеваний в хирургии,
травматологии, ортопедии. Новый сплав для биодеградируемых костных имплантатов
на основе системы железо-марганец-кремний, созданный в НИТУ МИСИС, позволит
улучшить качество жизни тысяч пациентов».

Специалисты НИТУ МИСИС планируют масштабировать выпуск заготовок этого сплава
для промышленного производства с сохранением всех требуемых качеств. Также в
рамках договора с НИИ онкологии Томского национального исследовательского
медицинского центра РАН до конца текущего года пройдут медицинские доклинические
испытания биосовместимости in vitro и in vivo.