Ученые улучшили состав пористого сплава для медицинских имплантов

Российские физики изучили, как добавление меди влияет на физико-механические свойства пористого сплава TiNiCu (сплав титан+никель+медь). Оказалось, медь делает сплав более эластичным, что позволяет использовать его в имплантологии наряду с уже известными пористыми сплавами на основе никелида титана. Например, можно создавать имплантаты более сложных конфигураций или моделировать необходимую форму пористого имплантата в процессе хирургического вмешательства, в том числе в лицевой хирургии. Работа выполнена исследователями Томского государственного университета (ТГУ) и опубликована в журнале Metals.

TiNiCu относится к числу «умных» материалов c эффектом памяти формы и сверхэластичности, то есть, способных даже при больших деформациях в охлажденном состоянии восстанавливать исходную форму при нагревании.

Пористые материалы на основе никелида титана (TiNi), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), широко используются в качестве имплантационных. Подобные имплантаты обладают оптимальными физико-механическими свойствами и высоким сходством структуры пористого тела с костными тканями живого организма. Однако моделировать объемные и сложные по конфигурации имплантаты при определенном температурном режиме и обеспечивать им надлежащий косметический эффект при восстановлении функции утраченного органа возможно только из эластичных, легко деформирующихся пористых пластин на основе никелида титана.

«Использование в медицине пористых сплавов на основе никелида титана предполагает моделирование сложных по конфигурации имплантатов в интервале рабочих температур организма человека. Это возможно реализовать в легко деформируемых пористых сплавах, жесткость системы которых минимальна в необходимом температурном интервале. В сплавах на основе никелида титана жесткость системы определяется минимальным значением напряжения мартенситного превращения — совместного изменения расположения атомов в структуре материала. Чем меньше это значение, тем меньше жесткость системы. Например, эндопротез, изготовленный из пористого никелида титана с низким напряжением мартенситного сдвига, довольно податлив и его можно более точно адаптировать к дефекту при замещении костной структуры глазницы и других дефектов средней зоны лица», — рассказывает сотрудник лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы ТГУ Мария Кафтаранова.

Ученым удалось выяснить, что добавление меди в состав TiNi открывает возможности управления физико-механическими свойствами материала, позволяет регулировать температурный интервал проявления эффекта памяти формы. При этом необходимо соблюдать строгие пропорции в составе материала для имплантатов, поскольку легирование (добавка) Cu в литых сплавах системы TiNi свыше 10 атомных процентов меди снижает его технологичность и повышает хрупкость. Кроме того, медь помогла увеличить износостойкость литых сплавов при различных температурах от 37°C до 250°C, а также повысить сопротивление коррозии при легировании TiNi медью до 10 атомных процентов. По словам авторов, повышение коррозионной устойчивости позволяет дольше эксплуатировать конструкции, изготовленные из этого материала.

Важным открытием стало также определение диапазона оптимальных концентраций меди в 3–6 атомных процентов, при котором для пористых сплавов вместе с широким температурным интервалом проявления обратимых деформаций характерно низкое значение напряжения мартенситного сдвига. Мартенситный сдвиг — это уровень напряжения, при котором накопление деформации идет не за счет пластического механизма, который является дефектным, а благодаря мартенситному превращению, то есть, изменению взаимного расположения атомов в структуре сплава.

По мнению исследователей, находка имеет большую практическую ценность, поскольку с точки зрения реконструктивной хирургии снижение минимального напряжения мартенситного сдвига позволит точнее моделировать объемные и сложные по конфигурации имплантаты, которые соответствуют структуре дефектов живой ткани.

Исследование выполнено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» — одной из мер государственной поддержки университетов нацпроекта «Наука и университеты».