Титановые имплантаты стали золотым стандартом в современной медицине, особенно в стоматологии и травматологии, благодаря своей биосовместимости, устойчивости к коррозии и прочности. Правда, есть одна особенность — стандартные титановые имплантаты имеют модуль упругости (жёсткость) значительно выше, чем у костной ткани человека. А это сказывается на приживаемости имплантов, ведь по статистике, около пяти процентов титановых конструкций отторгаются организмом. Также из-за того, что имплантат несёт большую часть нагрузки, кость вокруг него недополучает необходимой стимуляции, что приводит к её резорбции (потере костной массы) и ослаблению соединения имплантата с костью. Разница в деформации имплантата и кости может вызывать микроподвижность имплантата, препятствуя остеоинтеграции (процессу срастания имплантата с костью). Ко всему прочему, неравномерное распределение нагрузки приводит к перегрузке определённых участков кости и возникновению микротрещин.
Чтобы минимизировать риски, исследователи из Томского политехнического университета разработали способ регулировать упругость титановых имплантатов под характеристики костной ткани человека. Новая технология позволяет изменять внутреннюю структуру титановых сплавов, изготовленных методом электронно-лучевой 3D-печати. Основной плюс метода — возможность регулировки упругости материала без изменения его химического состава.
Как появились титановые импланты
В 1952 году шведский ученый Ингвар Бранемарк открыл явление остеоинтеграции. Процесс «прорастания» тканей скелета в чужеродные конструкции был зафиксирован случайно. Бранемарк исследовал кровоснабжение в кости и восстановление костного мозга. Чтобы посмотреть на процесс изнутри, он поместил внутрь берцовой кости кролика маленькую оптическую камеру с титановым корпусом. Металл был выбран благодаря высокой инертности — он не вступает в химические реакции с большинством веществ и «равнодушен» к биологическим растворителям. В результате эксперимента Бранемарк с удивлением констатировал, что камера «вросла» в кость, став её неотъемлемой частью.
Пер-Ингвар Бранемарк (3 мая 1929 — 20 декабря 2014) — шведский врач и исследователь, известный как «отец современной дентальной имплантологии»
По словам руководителя научной группы Аддитивные технологии получения и исследования перспективных материалов» ТПУ Ирины Грубовой, трудности при интеграции титановых сплавов в медицину возникают из-за разницы в механических свойствах между металлом и костной тканью. Имплантаты из титана часто берут на себя основную нагрузку, что приводит к деградации окружающей кости. Поэтому появляется необходимость в приближении упругости искусственного материала к упругости костной ткани».
В ходе исследования учёные методом электронно-лучевой 3D-печати в различных режимах изготовили образцы сплава из порошка титана с содержанием массовой доли ниобия 56%. Выбор режимов был сделан на основе ранее полученных данных окна параметров для близкого по составу сплава титана с содержанием массовой доли ниобия в 42%.
Для продвижения в технологии создания индивидуальных имплантатов российские ученые изменили структуру сплавов, использовав 3D-технологию.
«Для получения исходного материала мы сначала сплавили титан и ниобий, а затем получили из него порошок для дальнейших исследований. Это решило проблему неоднородности, которая возникала ранее при использовании элементарных порошков из-за различных температур плавления титана и ниобия», — отмечает Ирина Грубова.
В процессе синтеза были применены три различных набора технологических параметров. Основное отличие между образцами заключалось в интенсивности тока пучка при печати, что позволило детально изучить влияние этого фактора на микроструктуру и свойства полученного сплава.
Исследования показали, что более низкая энергия усиливала стабилизацию кристаллической решетки. Механические испытания на сжатие определили, что использование тока 4 мА позволяет достичь наивысшего предела текучести, благоприятного расположения атомов внутри сплава, сниженного модуля упругости и повышенной износостойкости.
Учёные улучшили титановые сплавы для биомедицины с помощью 3D-технологий
Ирина Грубова отметила, что это ключевой шаг к созданию индивидуальных имплантатов с заданными механическими характеристиками: «Полученные результаты свидетельствуют о том, что, изменяя только параметры печати, можно управлять внутренней структурой и свойствами сплава. При этом химический состав материала остается неизменным. Это важный шаг в направлении создания индивидуализированных имплантатов с заданными характеристиками».
В исследованиях принимали участие сотрудники Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» и Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, НИИ нанотехнологий и наноматериалов ТГУ им. Г.Р. Державина, МГУ, Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, Средне-Шведского университета.
Сейчас учёные продолжают работу над оптимизацией параметров и стратегий печати для изучаемых составов сплавов. Это позволит получить материалы для более широких клинических применений. Результаты исследований опубликованы в журнале Materials Science and Engineering A (Q1, IF: 7,0). Работа ученых поддержана грантом РНФ (№ 20-73-10223).
Регулировка упругости титановых имплантатов для оптимизации их взаимодействия с костной тканью — перспективное направление в развитии имплантологии и травматологии. Дальнейшие исследования и клинические испытания необходимы для подтверждения эффективности этой технологии и её внедрения в широкую клиническую практику.
Егор Петров
