Магниевый имплантат с программируемым сроком службы: как это работает

Учёные Тольяттинского государственного университета выяснили, как с помощью состава и термообработки магниевых сплавов задавать срок службы имплантатов и программировать скорость их растворения в организме — без защитных покрытий. Сегодня имплантаты для сращивания костей делают из титана или нержавеющей стали, и после заживления пациенту требуется повторная операция для их удаления. Магний решает эту проблему иначе: он совместим с организмом, постепенно растворяется и выводится, а его упругость ближе к упругости человеческой кости, поэтому имплантат меньше «перетягивает» нагрузку и позволяет кости работать естественнее. Главная сложность — магний может разрушаться слишком быстро и неравномерно; в идеале имплантат должен растворяться в две стадии: медленно в первые недели, когда идёт восстановление тканей, и ускоренно после того, как поддержка уже не нужна. Результаты опубликованы в Journal of Alloys and Compounds.

Обычно для такой двухстадийной кинетики на имплантат наносят защитное покрытие, замедляющее коррозию на начальном этапе, но для пластин остеосинтеза этот путь не подходит: пластину подгибают по форме кости, и покрытие разрушается. Поэтому защиту и программу растворения нужно закладывать в сам сплав. Исследователи изучили пять сплавов магния с цинком (от 0,5 до 7,6%) и кальцием (0,1%) — элементы выбраны потому, что они необходимы организму, в отличие от нейротоксичного алюминия. Сплавы подвергли двум видам термообработки: гомогенизации, увеличивающей количество частиц вторых фаз, и растворной обработке, которая, наоборот, растворяла их и удерживала больше атомов цинка в кристаллической решётке. Образцы помещали в физиологический раствор при температуре тела (37 ± 0,5°C) и по скорости выделения водорода следили за растворением.

Выяснилось, что у большинства сплавов растворение идёт в два этапа: сначала скорость коррозии снижается из-за формирования защитной плёнки, затем наступает переломный момент, после которого скорость быстро растёт из-за появления глубоких питтинговых поражений — то есть стадийность именно такая, какая нужна для имплантатов. Длительность первой «инкубационной» стадии была тем больше, чем меньше в сплаве цинка и частиц вторых фаз, богатых цинком. Управляя содержанием цинка и режимом термообработки, можно регулировать продолжительность инкубационного периода, склонность к питтингу и общую кинетику деградации: для врача и пациента это означает возможность спроектировать имплантат с заранее заданным сроком службы и запрограммированным изменением скорости растворения во времени. Исследование также доказало, что вывод о стойкости сплава нельзя делать только по короткому тесту: материал, который выглядит лучше в первые сутки, может начать быстро разрушаться позже.

Фото: пресс-служба Тольяттинского государственного университета