Защитить костные имплантаты. Соли карбоновых кислот снизят скорость разрушения магниевых сплавов

Ученые выяснили, что соли карбоновых кислот защищают магниевые сплавы от коррозии. Такие сплавы перспективны для создания биорастворимых костных имплантатов, но важно уберечь их от преждевременного разрушения. Эксперименты показали, что фумарат натрия в 5–7 раз замедляет коррозию, благодаря чему потенциально его можно будет использовать в составе защитных покрытий для медицинских имплантатов из магниевых сплавов. Результаты исследования, поддержанного грантами (1, 2) Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.

Магниевые сплавы благодаря своей низкой плотности, высокой удельной прочности и легкости обработки считаются привлекательным материалом для техники и медицины. В частности, из них можно создавать костные имплантаты, которые помещают на место поврежденной костной ткани, чтобы ее временно заменить и ускорить заживление травмы. Однако магниевые сплавы имеют серьезный недостаток — они склонны к интенсивной коррозии, то есть быстро разрушаются под действием такой агрессивной окружающей среды, как плазма крови человека. Из-за этого восстанавливающаяся кость может преждевременно лишиться «поддержки» в виде имплантата и неправильно срастись или вновь повредиться.

Чтобы предотвратить преждевременное разрушение имплантата, специалисты наносят на магниевые сплавы защитные покрытия. Один из перспективных методов, который ученые используют для формирования антикоррозионных слоев, — это плазменное электролитическое оксидирование (ПЭО). В рамках такого подхода на сплаве формируют керамикоподобную защитную пленку, помещая образец в раствор и пропуская через него электрический ток. Создаваемые ПЭО-покрытия биосовместимы и имеют пористую поверхность, похожую на структуру кости, которая ускоряет восстановление ткани. Кроме того, в поры материала можно помещать дополнительные соединения, которые улучшают свойства покрытия.

Ранее ученые из Института химии Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) разработали различные типы защитных ПЭО-покрытий для магниевых сплавов, одно из которых, например, содержало минерал гидроксиапатит (естественный компонент костной ткани), а другое — антибактериальное вещество 8-оксихинолин. В новой работе авторы решили усилить состав покрытия солями карбоновых кислот — экологически чистыми («зелеными») ингибиторами коррозии металлов. Такие вещества безопасны как для окружающей среды, так и для организма человека.

«Исследованные в данной работе и в прошлых статьях smart-покрытия имеют разный механизм защитного действия. Продолжать поиск новых ингибиторов необходимо, поскольку для разработки надежного способа антикоррозионной защиты важно установить влияние различных веществ на скорость разрушение материала, а затем выбрать из них лучшие.

• Андрей Гнеденков, руководитель проекта, поддержанного грантами РНФ, доктор химических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник, заведующий молодежной лабораторией электрохимических сканирующих и синхротронных методов исследования гетерогенных и гибридных материалов Института химии Дальневосточного отделения РАН

Авторы исследовали влияние ингибиторов на скорость разрушения двух сплавов — из магния, марганца и церия, а также из магния и кальция. Для этого химики поместили сплавы в раствор, по химическому составу напоминающий внутреннюю среду человеческого организма. В контрольные растворы исследователи больше ничего не вносили, а в экспериментальные добавили ингибиторы — соли карбоновых кислот (фумарат натрия, гликолят натрия и глюконат натрия). В течение недели химики наблюдали и оценивали с помощью физико-химических методов, насколько быстро в таких условиях разрушаются сплавы.

Схема исследовательского процесса. Источник: Андрей Гнеденков.

Лучше всего (в 5–7 раз) коррозию замедлял фумарат натрия. Это объясняется тем, что фумарат «садится» на поверхность сплава, образуя на ней плотную двумерную сеть, через которую к металлам не могут проникнуть агрессивные хлорид-ионы, приводящие к разрушению. Гликолят и глюконат натрия также окружают поверхность сплава, формируя защитную пленку, однако они не способны столь значительно снизить интенсивность разрушения, замедляя коррозию в 2–3 раза.

Затем исследователи проверили совместимость всех трех ингибиторов с ПЭО-покрытием, чтобы выяснить, можно ли будет включить соли карбоновых кислот в такую пленку и помогут ли они повысить эффективность защитного слоя. В новом эксперименте в раствор, имитирующий среду человеческого организма, ученые помещали образец сплава с ПЭО-покрытием. В таких условиях фумарат натрия также показал самую высокую активность, до семи раз снизив скорость разрушения сплава.

Далее нам предстоит разработать биосовместимое самовосстанавливающееся ПЭО-покрытие, пропитанное исследованными в данной работе ингибиторами. Потенциально его можно будет использовать в хирургии, чтобы предотвратить преждевременное разрушение костных имплантатов на основе магниевых сплавов. Более того, можно заполнить пористый слой различными ингибиторами коррозии, выбранными в рамках данного исследования и установленными в предыдущих работах. Это позволит усилить действие веществ при реализации эффекта самозалечивания и повысить антибактериальную активность гибридного слоя.

• Андрей Гнеденков

Фото на обложке: электрохимические исследования механизма коррозионного разрушения магниевых сплавов в присутствии ингибиторов коррозии. Источник: Андрей Гнеденков. Все изображения предоставлены пресс-службой Российского научного фонда