Ученые улучшили титановый сплав для создания протезов

10:50, 3 июня 2024

Это повысило биосовместимость вещества и снизило его жесткость

Разработка будет полезна в травматологии при переломе стопы или бедренной кости. Фото: unsplash.com / Nino Liverani

Ученым УрФУ с коллегами из Москвы удалось модернизировать титановый сплав, который используют для создания костных имплантатов. После ряда специальных обработок жесткость материала снизилась в 1,5 раза по сравнению с другим широко используемым в медицине титановым сплавом. Кроме того, данный сплав не содержит вредных элементов, которые могли бы ограничить биосовместимость вещества с организмом. Исследователи отмечают, что улучшенный титановый сплав будет полезен в травматологии и ортопедии, например, при переломе стопы, бедренной кости и т. д. Подробную информацию о полученных свойствах сплава и методах обработки ученые опубликовали в Metals. Исследование выполнено при поддержке программы «Приоритет-2030».

«Проблема существующих титановых сплавов для создания костных имплантатов состоит в том, что они содержат значительное количество химических элементов, которые снижают биосовместимость вещества с организмом человека — например, алюминий и ванадий. Это может привести к побочным эффектам — аллергическим, токсическим, мутагенным и другим реакциям. Сплав, который мы улучшили, содержит минимальное количество таких элементов. Помимо этого, многие сплавы имеют чрезвычайно высокую жесткость относительно жесткости кости. Дело в том, что материал, из которого изготавливается имплантат, должен обладать максимально схожими с костью механическими свойствами — прочностью, пластичностью, упругостью. Если материал будет слишком жестким, то на границе кости и имплантата может произойти атрофия и деградация костной ткани — из-за этого в кости может появиться трещина и разрушение. После комплекса специальных обработок нам удалось повысить прочность и снизить жесткость (модуль упругости) сплава», — поясняет инженер-исследователь кафедры теормообработки и физики металлов УрФУ Галымжан Муканов.

Медицинские имплантаты нужны для помощи в восстановлении костной ткани, например, после переломов. Дело в том, что сломанная кость может потерять слишком много костной ткани, а это, в свою очередь, затрудняет ее заживление. В таких случаях используют имплантаты, чтобы заполнить пробел между поврежденными концами кости, помогая ей восстановиться.

«Имплантаты могут испытывать большую нагрузку, поэтому очень важно улучшать их механические свойства. Помимо качества самого сплава, из которого изготавливаются имплантаты, особое значение имеют методы его обработки для дальнейшей эксплуатации. Один из таких способов, благодаря которому появляется нужная структура материала — это ротационная ковка», — рассказывает Галымжан Муканов.

В качестве образца для исследования ученые использовали титановый сплав Ti-39Nb-7Zr. При помощи метода ротационной ковки специалисты обработали сплав при температуре 450 °С. Это позволило изменить его структуру — микрочастицы (зерна) вещества уменьшились примерно в 5–7 раз — с 2500–3500 нанометров до 500 нанометров. Таким образом вещество стало прочнее и эластичнее. Сочетание данных свойств приблизило полученный сплав к широко используемому в медицине сплаву Ti-6Al-4V — однако, помимо этого, новый сплав менее токсичный.

«На сегодня широко используется другой титановый сплав Ti-6Al-4V, так как обладает достаточно приемлемыми для остеоинтеграции свойствами, но в его основе есть токсичные элементы, такие как алюминий и ванадий. Результаты нашего исследования позволят получить более эффективные свойства на другом титановом сплаве, который, помимо этого, еще и менее вреден для организма», — объясняет Галымжан Муканов.

В исследовании принимали участие ученые Уральского федерального университета и специалисты Института металлургии и материаловедения РАН им. Байкова.

Справка

Из-за старения населения в мире костные заболевания встречаются все чаще. Остеопороз — хроническое снижение содержания костной ткани в организме, является одной из главных причин переломов кости.

В России, по данным Роспотребнадзора, около 14 млн человек старше 50 лет имеют диагностированный остеопороз. Помимо этого, около 20 млн человек подвержены снижению плотности костной ткани, то есть начальной стадии остеопороза.

Роспотребнадзор также утверждает, что самым опасным переломом считается перелом бедренной кости — в этом случае почти всегда требуется хирургическое вмешательство. Переломы бедренной кости приводят к инвалидизации в 50 % случаев, а в 20 % случаев — к летальному исходу.

По данным Минздрава, в России ежегодно фиксируется 9 млн случаев переломов конечностей у людей.

Сергей Лукьянченко