Упругий титан — на замену костям

Нетоксичные имплантаты из материала, разработанного российско-канадской группой ученых, будут реагировать на нагрузки так же, как и кости пациентов, сохраняя биомеханическое равновесие в организме.

Международная группа ученых во главе с Сергеем Прокошкиным (кафедра обработки металлов давлением НИТУ МИСиС) и Владимиром Брайловским из Высшей технологической школы в Монреале (Канада) разработала сплав титана, циркония и ниобия, который позволит создавать костные имплантаты, максимально приближенные по своей упругости к костной ткани. Совместная работа двух научных центров продолжается уже более 20 лет. С 2013 года, в ходе работы над сплавом с упругостью костной ткани, четверо молодых ученых в МИСиС защитили кандидатские диссертации.

Материал обладает памятью формы, характерной для никелида титана TiNi, который уже широко применяется в имплантологии. Однако его важным преимуществом является отсутствие свойственной никелесодержащим сплавам токсичности. Кроме того, у большинства медицинских титановых сплавов (например, российских ВТ5, ВТ6, ВТ20 или зарубежных Ti6Al4V и Ti6Al7Nb), модуль упругости составляет свыше 100 гигапаскалей, в то время как у костей эта величина достигает не более 30. Команде МИСиС удалось получить модуль упругости для своего сплава 30-50 гПа, что важно для сохранения костной ткани пациента.

«Чтобы деформировать костную ткань на 1%, нужно усилие, которого недостаточно, чтобы даже на полпроцента деформировать титан. В результате в организме жесткий имплантат принимает на себя всю нагрузку. А костная ткань, которая его окружает, не получает нагрузки и начинает отмирать. Контакт имплантата с костью ослабевает или теряется, и тогда требуется его замена», — объяснил «+1» руководитель научной группы МИСиС профессор Сергей Прокошкин.

В среднем срок службы искусственных костей и суставов из титана составляет 15-20 лет. Оценить срок службы имплантатов из нового сплава ученые смогут в ходе клинических испытаний, которые начнутся примерно через пять лет. Материал может применяться в системах транспедикулярной фиксации позвоночника, которые крепятся к позвоночнику через ножку (педикулу) позвонка при лечении сложных форм сколиоза.

В настоящее время испытания имплантатов на животных проводит биологический факультет МГУ, который к тому же создает для них биодеградирующее полимерное покрытие. Потребителем же создаваемых в МИСиС медицинских сплавов является ООО КОНМЕТ — производитель костных имплантатов, сотрудничающий с крупнейшими медицинскими центрами России. Собирая обратную связь от хирургов, она формирует для металловедов запрос на новые материалы.

Созданием медицинских сплавов с улучшенной химической и механической биосовместимостью занимаются и в других исследовательских центрах страны: в Институте новых материалов и технологий Уральского федерального университета и в Томском политехническом университете. В обоих случаях ученые хотят получить материалы, не содержащие алюминий (который может быть токсичен для человека), и подходящие для использования в 3D-печати. Она, в свою очередь, позволит подгонять создаваемые имплантаты под конкретного пациента.