В Тольяттинском государственном университете (ТГУ) нашли
способ в 6 раз снизить скорость резорбции магниевых сплавов
для изготовления медицинских имплантатов и сделать их более
стойкими. Результаты исследования опубликованы в
международном научном журнале Metals.
Магниевые сплавы, способные растворяться в организме человека
(биорезорбируемые), сейчас представляют большой интерес для
имплантологов, так как не требуют повторных операций по их
извлечению.
– Но проблема всех биорезорбируемых магниевых сплавов в том, что
они слишком быстро растворяются, и регулировать эту скорость
достаточно сложно. А нам необходимо это делать, так как есть разные
задачи, под которые эти сплавы используются, – говорит начальник
лаборатории «Прецизионная микроскопия» научно-исследовательского
института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ Евгений Мерсон. –
Например, одно дело, когда винт вкручен в кость, и совсем другое, когда
это пластина, контактирующая с мягкими тканями. Скорость растворения
у них будет разной, потому что в кости практически нет циркуляции
жидкости, там только ионный обмен, а в мягких тканях циркуляция
происходит более интенсивно, и среда более агрессивная. Поэтому весь
мир сейчас работает над тем, чтобы научиться управлять скоростью
растворения магниевых имплантатов.
Подходы используются разные: меняется химический состав,
варьируется микроструктура, применяются различные поверхностные
обработки, например, нанесение защитных покрытий. Исследователи
НИИПТ ТГУ решили подвергнуть магниевый сплав обработке плавиковой
кислотой (водный раствор фтороводородной кислоты, HF) и получили
тройной положительный эффект.
– Мы обнаружили, что на поверхности образцов после токарной
обработки остаются различные загрязнения, например, частицы резца,
которые ускоряют коррозию. Ускоряют её и частицы вторичных фаз. Что
это значит? Например, наш сплав состоит из магния, цинка и кальция.
Альфа-фаза – это кристаллическая решетка магния, в которую встроены
атомы цинка и кальция. А есть ещё частицы вторичных фаз, которые
имеют иной химический состав и, как правило, более положительный
электродный потенциал по сравнению с альфа-матрицей. Таким образом,
находясь в электропроводной среде, например, в любом водно-солевом
растворе, включая плазму крови человека, они создают гальваническую
пару и способны увеличить скорость растворения альфа-фазы.
Плавиковая кислота растворяет и частицы металлов резца, и частицы
вторичных фаз, замедляя таким образом скорость коррозии магниевого
сплава, – отметил Евгений Мерсон.
Он напомнил, что в ТГУ готовится к запуску производство
биорезорбируемых имплантатов из магния, производить их будут на
токарных станках с применением резцов, которые неизбежно оставят на
поверхности изделий частички стали.
– Наш способ технологичен, он позволяет обработать большое
количество изделий за один раз. Нарезали винтов, подержали их 15
минут в ванне с кислотой – всё. Они обработаны, на них нет
загрязнений, скорость коррозии снижена, – подчеркнул учёный.
Кроме того, при взаимодействии магния с фтороводородом на
поверхности образца возникает тонкий слой фторида магния, плёнка,
которая плохо растворима в водных соленых растворах.
– Эта плёнка защищает магний при контакте с водой или с той же
плазмой крови человека и, соответственно, замедляет скорость
растворения самого сплава. Таким образом получаем тройной эффект:
растворение частиц «загрязнений» поверхности, растворение частиц
вторичных фаз и образование фторидной плёнки – всё это в комплексе
даёт нужное нам улучшение коррозионных свойств, – говорит Евгений
Мерсон. – Конечно, похожие работы были, но особенность конкретно
нашего исследования в том, что для сплавов системы легированияMg-Zn-
Ca эти эффекты показаны не были.
Кроме того, материаловеды ТГУ исследовали влияние обработки
сплава плавиковой кислотой на так называемое коррозионное
растрескивание под напряжением.
– Пластины и винты, с помощью которых фиксируют сломанные кости,
находятся под постоянной или циклической нагрузкой, например, по
причине того, что человек двигается, ходит, жуёт и т.д. А одновременное
воздействие на металл агрессивной среды и механического напряжения
создает благоприятные условия для развития явления, называемого
«коррозионным растрескиванием под напряжением». Опасно оно тем,
что способно вызвать преждевременное разрушение установленного в
организме имплантата даже задолго до начала его заметного
растворения, и тогда понадобится повторная операция, – объясняет
Евгений Мерсон.
Оказалось, что обработка в плавиковой кислоте не только уменьшает
скорость растворения, но и повышает стойкость сплава к коррозионному
растрескиванию под напряжением. К тому же, для организма человека
она тоже совершенно безвредна, что было подтверждено тестами in vitro
в центре медицинской химии Тольяттинского госуниверситета.
– Мы поместили обработанный плавиковой кислотой сплав в
агрессивную среду, схожую по свойствам с лимфой крови человека,
выдержали там, и продукты того, что перешло в эту среду из сплава,
использовали для воздействия на клетки. Выяснилось, что никакого
цитотоксического влияния эти продукты на клетки не оказывают, а
значит обработка сплава фтороводородом не приведёт к каким-то
фатальным последствиям для человека, – рассказал директор центра
медхимии ТГУ Александр Бунев.
Статья, подготовленная учёными Тольяттинского госуниверситета,
была опубликована как приглашённая в журнале Metals
Многопрофильного цифрового издательского института (MDPI). Это
высокорейтинговый рецензируемый журнал по материаловедению и
инженерии (уровень Q2) с открытым доступом, базирующийся в Базеле
(Швейцария).
Фото на обложке: Евгений Мерсон. Источник: ТГУ
Нет комментариев