Металлы для жизни

История использования металлов в медицинских целях насчитывает сотни лет, и сегодня инновационные технологии открывают перед медиками и учеными новые горизонты в эффективности лечения широкого спектра заболеваний. В этом материале «ПОИСК» расскажет о передовых разработках металлургов и перспективах их использования в медицинской практике.

Пальцы из дерева, зубы из мидий

Первые попытки заменить утраченные человеком органы или их части на некие «искусственные конструкции» предпринимались еще до нашей эры. Самый древний из известных «протезов» был найден при раскопках в Древнем Египте. Это был созданный примерно в период с 950 до 710 г. до н.э. деревянный палец из двух частей, соединенных кожаной нитью. Для фиксации имелись два отверстия в дереве, а крепление изделия к ноге осуществлялось все той же кожаной нитью. Впрочем, возможно, что изготовлен этот «протез» был для мертвого человека. Традиция «восполнять» при мумифицировании умершего утраченные им при жизни конечности прослеживается в ряде захоронений.

Изображение: © University of Basel, LHTT. Image: Matjaz Kacicnik

Примерно к этому же времени, а именно к VI веку до н.э., археологи относят и первую попытку «протезирования» зубов. Ученые обнаружили в одном из захоронений череп с имплантатом в челюсти, который был изготовлен из панциря мидии. А вот протезирование без имплантации относится к гораздо более позднему периоду – первый зубной протез, замещающий сразу несколько зубов, был обнаружен в итальянском городе Тарквиния на месте древнеримского поселения. Изделие закреплялось на здоровых зубах золотыми кольцами.

Широкое использование в протезировании металлов начинается примерно с III в. н.э. По крайней мере, об этом говорит возраст обнаруженных артефактов. Самый старый из найденных протезов ноги, изготовленный из железа и бронзы, был обнаружен также в Италии, в городе Калуя. Искусственная нога заменяла утерянную ниже колена и имела значительный вес.

В прошлом году в немецком городе Фрайзинг нашли скелет мужчины, жившего в позднем Средневековье. На левой руке его сохранился только большой палец, остальные заменил протез из цветных металлов и железа. Предположительно искусственные пальцы были обтянуты кожей, которая не сохранилась до наших дней. Внутрь изделия была вложена ткань, вероятно для смягчения контакта железной части протеза с рукой.

Все пальцы протеза были отлично подогнаны по размеру, но не двигались. Однако существовали и более сложные конструкции. Например, «железная рука», принадлежавшая одному из рыцарей XVI века Готфриду фон Берлихингену была подвижной. Ученые даже смогли установить причину ампутации. Как оказалось, руку рыцарю оторвало пушечным ядром.

Археологам известно более полусотни подобных приспособлений, относящихся к эпохе позднего средневековья, и еще больше легенд о них. Например, о серебряной руке знаменитого в середине XVI века средиземноморского пирата Аруджа Барбаросса. На место ампутированной руки Аруджа арабские хирурги приделали протез, управлявшийся при помощи искусно сделанных пружин. Тех немногих битв, в которых он участвовал с этой серебряной рукой, оказалось достаточно для появления на свет легенды: враги ударялись в панику еще до начала атаки, стоило Аруджу просто поднять искусственную руку. Поговаривали, что, ярко светясь от солнца, она казалась больше, чем сам ее владелец.

Примерно в то же время активно шло и развитие технологий в области протезирования зубов. Для их изготовления стали использовать сталь, медь, железо. Как видим, уже в древние времена палитра применяемых в протезировании металлов была весьма широка. А в начале ХХ века в эту область пришел алюминий, применение которого позволило сделать протезы более функциональными и легкими.

Металл для внутренних работ

С развитием новых технологий расширился и список показаний к применению различных металлов в лечении и протезировании. Появились сплавы, обладающие высокой прочностью, пластичностью и долговечностью. Они имеют хорошую электро- и теплопроводность, а также устойчивость к коррозии. За счет биоинертных свойств стало возможным применение металлов в биомедицине.

Конструкции из металлов стали использовать не только для «наружных», но и для «внутренних» работ. Так, в хирургической стоматологии и ортопедии металлы используются для изготовления как инструментария и оборудования, так и имплантов, стентов, протезов.

Изображение: Freepik

Чаще всего, благодаря биосовместимым качествам, применяют титан и тантал. Современные сплавы этих металлов отличаются улучшенным составом, нетоксичны для организма и обладают коррозионной стойкостью. На поверхности такого материала образуется специальная пленка, которая совместима с окружающими тканями организма. Титановые и танталовые сплавы активно применяются в лицевой хирургии, для протезирования и имплантации зубов, для изготовления стентов кровеносных сосудов и сердечных клапанов, в устройствах при эндопротезировании суставов и костей. Для улучшения свойств и качеств титана в сплаве с ним используют алюминий, олово, хром, железо, цирконий, никель, кремний. Результаты, достигнутые в создании подобных сплавов учеными НИТУ МИСиС, можно назвать поистине потрясающими.

На память не жалуются

Благодаря победе в университетском конкурсе на создание лабораторий под руководством молодых ученых, в структуре Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС открылось новое исследовательское пространство «Сплавы с памятью формы». В его лаборатории ученые исследуют новые перспективные композиции сплавов с памятью формы, изучают режимы термомеханической обработки сплавов для медицинского и технического назначения, а также разрабатывают научно-технологические основы создания персонализируемых имплантатов.

Кроме изучения сфер практического применения новых сплавов, сотрудники подразделения занимаются и исследованием фундаментальных аспектов сдвиговых превращений и особенностей кристаллических решеток фаз в сплавах с памятью формы на основе титана.

«Наши исследования направлены на разработку научно-технологических основ управления функциональными характеристиками сплавов с памятью формы методами термомеханической обработки и аддитивных технологий, определение закономерности в связке “обработка-структура-свойства”», — говорит руководитель лаборатории, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением Вадим Шереметьев.

На основе проведенных исследований металловеды из НИТУ МИСИС предложили новый способ двухэтапной модификации сплавов, перспективных для изготовления ортопедических имплантатов, требующих особых механических и функциональных свойств. Методом атомно-слоевого осаждения на поверхности сверхупругого сплава Ti-Zr-Nb (титан-цирконий-ниобий) удалось получить оксидную пленку (TiO₂), которая позволит контролировать химическое состояние материала. После этого на сплав нанесли наночастицы серебра, значительно повысив антибактериальную активность материала.

Изображение: © 2024 Университет науки и технологий МИСИС

Разработка МИСИС оказалась крайне востребована, ведь в последние годы повышенное внимание привлекают метастабильные титановые сплавы, обладающие жесткостью, близкой по значениям к человеческой кости, что обеспечивает высокую биомеханическую совместимость. Применяя аддитивные технологии, из этих материалов можно изготовить изделия с пористой структурой, которые могут эффективнее функционировать в контакте с костной тканью. Свойствам поверхности таких материалов уделяется значительное внимание, так как во многом именно они определяют процесс заживления и повышают способность имплантата к остеоинтеграции.

Сустав из 3D-принтера

Материалы, из которых изготавливают современные эндопротезы суставов, обладают высокой прочностью и хорошей приживаемостью в организме человека. Срок их службы составляет в среднем 15-20 лет, а в ряде случаев пациенты используют их до 30 лет. Тем не менее в современной практике эндопротезирования тазобедренного сустава в последнее время наблюдается рост повторных операций.

В университете МИСИС предложили более эффективную технологию получения титанового сплава нового поколения. Ее применение позволит в будущем с помощью 3D-печати создавать более прочные эндопротезы тазобедренных суставов, которые не содержат легирующих компонентов, а также не вызывают негативных иммунных реакций со стороны организма и учитывают физиологические особенности больных. Это поможет избежать повторных операций по замене имплантата у многих пациентов.

«Мы провели оценку коррозионных и антибактериальных свойств разработанного сплава. В дальнейшем продолжим исследовать влияние режимов термической обработки на механические и коррозионные свойства исследуемых образцов, полученных с помощью 3D-печати», — рассказал доцент кафедры физического материаловедения НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Владислав Задорожный.

В результате исследования был найден оптимальный режим изготовления
биомедицинских сплавов, которые станут основой персонализированных эндопротезов, создаваемых с использованием аддитивных технологий для замены ортопедических имплантатов старого поколения.

Магний в тренде

Исследователи лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ МИСИС создали материал на основе магния, обладающий еще большей степенью биосовместимости, чем титановые сплавы. Разработка получила «серебро» престижного российского научно-технического салона "Архимед-2024" и специальные награды от Всемирной ассоциации интеллектуальной собственности на изобретения (WIIPA) и Chinese Innovation & Invention Society (Taiwan).

Изображение: © 2024 Университет науки и технологий МИСИС

Особенность нового материала состоит в том, что после операции он постепенно резорбируется (растворяется) в организме человека. Фиксирующие элементы (винты, пины, пластины), выполненные из магниевого сплава, полностью заменяются вновь сформировавшейся тканью, что исключает необходимость повторной операции по удалению временных элементов из организма человека. Продукция предназначена для применения в краниофациальной хирургии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии, нейро- и спинальной хирургии, стоматологии для фиксации переломов (остеосинтез) и других реконструктивно-восстановительных операций.

«Сплавы на основе магния, как правило, обладают хорошей биосовместимостью и вызывают минимальные побочные реакции при контакте с тканями организма. Кроме того, по сравнению с другими конструкционными металлами, магний имеет модуль упругости, близкий к модулю упругости человеческой кости, что снижает риск возникновения эффекта экранирования напряжений, когда жесткий имплантат несет слишком большую нагрузку, что приводит к снижению плотности костной ткани», — рассказал руководитель исследования, заведующий лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы», кандидат технических наук Александр Комиссаров.

Система сплавов Mg–Zn–Ga в последние годы вызывает повышенный интерес. Добавление цинка и галлия к магнию позволяет улучшить микроструктуру и механические свойства сплава таким образом, чтобы они лучше соответствовали свойствам человеческой кости, а также помогает контролировать скорость резорбции, что позволит имплантату сохранять свою механическую целостность в течение необходимого времени.

Медицинскими партнерами прорывного проекта являются Российский университет медицины Минздрава России и Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова. В рамках исследования будут разработаны фиксирующие изделия для использования в клинической медицине при проведении костно-пластических операций на основе биорезорбируемого магниевого сплава с перспективой дальнейшей сертификации.

А. Комиссаров в лаборатории. Изображение: © 2024 Университет науки и технологий МИСИС/Мария Бродская

Потребность рынка в продукции российского производства оценивается как очень высокая. В последние годы во всем мире исследователи, врачи и производители проявляют большой интерес к металлам в качестве материала для биорезорбируемых изделий, в частности, на основе сплавов магния. Так, немецкая компания Botiss проводит сертификацию в Европе продукции из сплава магния. А немецкая компания Syntellix AG уже получила регистрационное удостоверение в РФ (от 10 июня 2021 года) на имплантируемые медицинские изделия торговой марки Magnezix. И это, по мнению Александра Комиссарова, усиливает необходимость импортозамещения в данной области.

Ученый считает, что у их лаборатории есть все основания смотреть в будущее с оптимизмом: «Область материаловедения актуальна во все времена. Потребности людей в новых материалах только повышаются. После ухода западных компаний потребности сохранились, но уменьшились возможности приобретения металлопродукции во всех сферах жизнедеятельности. Так что рынок для отечественных материалов свободен». 

Александр Комиссаров также уверен, что «санкции Запада пошли на пользу лаборатории, многократно увеличив количество запросов на исследование свойств металлических изделий».

Сегодня ученые НИТУ МИСИС ведут научный поиск по обширному кругу проблем, в том числе в области материаловедения, физики, физической химии, разработки технологий и приборов. Материаловедческие исследования, проводимые специалистами Института новых материалов, в состав которого входит и лаборатория «Гибридные наноструктурные материалы», охватывают широкий спектр направлений: от фундаментальных расчетов до решения прикладных задач – создания материалов и приборов для ядерной энергетики, автомобильной, авиа- и космической промышленности, биомедицины. В лабораториях университета разрабатываются новые технологии для получения радиационно-стойких материалов, детекторов нового поколения.

Проекты лабораторий МИСиС, связанные с медициной, безусловно, имеют мощный потенциал для развития. Ведь благодаря своим уникальным качествам разрабатываемые материалы найдут широчайшее применение в прикладной клинической практике.

Алексей Кожевников

Изображение на обложке: Freepik