Самовосстанавливающиеся покрытия смогли защитить сплавы металлов от коррозии и патогенных бактерий
Российские ученые создали уникальные покрытия для сплавов магния, которые не только предотвращают коррозию материала за счет «самозалечивания», но также ускоряют рост кости и обладают антибактериальным эффектом. В ходе работы были оптимально подобраны матрица биосовместимого защитного покрытия и вспомогательные вещества. Разработка может использоваться в различных сферах промышленности, в том числе в медицине для изготовления имплантатов. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.
Коррозия — необратимый процесс разрушения металлов и сплавов, протекающий при их взаимодействии с внешней средой. Это одна из самых больших проблем, с которой сталкиваются специалисты в различных сферах промышленности, поскольку металлы входят в состав многих конструкционных сооружений, стройматериалов, различных приборов и деталей.
Чаще всего коррозия наблюдается в средах с экстремальными условиями эксплуатации, такими как повышенная соленость, влажность, температура. Кроме того, этот процесс характерен для металлов и сплавов, используемых в медицине, например для магния, который имеет перспективу применения при изготовлении хирургических имплантатов. Внутренняя среда организма человека чрезвычайно агрессивна к чужеродным веществам; наличие металла может привести к появлению различных инфекций и развитию тяжелых болезней из-за иммунной реакции. Таким образом, перед исследователями стоит задача создать устойчивое к различного рода внешним факторам и безвредное покрытие.
Ученые из Института химии ДВО РАН (Владивосток) разработали уникальный защитный слой, применив метод плазменного электролитического оксидирования (ПЭО), и изготовили три варианта образцов из магниевых сплавов. Первый — только с оксидным ПЭО-покрытием, второй — с оксидным ПЭО-покрытием и ингибитором коррозии 8-оксихинолином. Это вещество препятствует разрушению материала за счет образования специфической пленки, способной останавливать различные химические реакции. Третий вариант повторял предыдущий, но поры были заполнены биоинертным полимером, — именно такая модификация показала наилучшие результаты.
Покрытие оказалось устойчиво к разрушающим воздействиям, например царапанью: при повреждении 8-оксихинолин выходил из пор и формировал защитную пленку, которая повышала коррозионную стойкость материала в 4,5 тысячи раз, — по сути материал самовосстанавливался. Заполнение пор полимером позволило повысить эффективность такого защитного механизма до 99%. В целом, как рассчитали ученые, нанесение покрытия на магниевый сплав повысило его коррозиестойкость образва в 100 тысяч раз.
Еще авторы провели эксперимент со штаммом золотистого стафилококка, который вызывает у человека некоторые типы пневмонии и менингита. За 24 часа практически все бактерии на покрытии, содержащем 8-оксихинолин, погибли, в то время как на чистом магниевом сплаве их число только увеличивалось. Это объясняется тем, что ингибитор способен образовывать комплексные соединения и тем самым нарушать работу ферментных систем микроорганизмов. Так, в результате направленной модификации защитного ПЭО-слоя можно получить имплантационный материал, характеризуемый не только регулируемой скоростью деградации, сопоставимой со скоростью восстановления кости, но и свойствами, способствующими ускорению остеогенеза (роста костной ткани). В совокупности это позволит создать имплантаты, постепенно заменяемые костью пациента.
«Полученное в данной работе покрытие уникально. Оно устойчиво не только к внешним условиям среды, но и может уничтожать патогенные бактерии. Кроме того, подобранные вещества способны самостоятельно восстанавливать свою целостность, что увеличивает срок службы защитного слоя. Вышеперечисленные свойства позволяют использовать наши композиционные покрытия во многих сферах медицины. Кроме того, их можно наносить на разные изделия, например детали фурнитуры, и таким образом снижать распространение внутрибольничных инфекций», — рассказывает руководитель проектов, поддержанных грантами РНФ, Андрей Гнеденков, доктор химических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Института химии ДВО РАН.
Авторы видят перспективы своей разработки и в областях, далеких от медицины. Например, антикоррозионные и самовосстанавливающиеся покрытия необходимы в авиа- и автомобилестроении, в ракетно-космической отрасли и электронике.