Исследователи установили, что кремний существенно, почти в два раза, увеличивает скорость растворения сплавов на основе железа. Ключевой фактор — изменение фазового состава материала под воздействием кремния при деформации сплава под высоким давлением. Эти открытия открывают путь для применения таких сплавов в качестве материала для временных медицинских имплантатов. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
Потребность в биодеградируемых сплавах
Создание биорассасывающихся железных сплавов для временных имплантатов — одно из перспективных направлений в медицине. Их главное преимущество в том, что они постепенно растворяются в организме после выполнения своей функции. Это избавляет пациента от повторной операции по удалению имплантата и значительно сокращает сроки выздоровления. Круг безопасных элементов, допустимых для добавления в железо с целью создания подобных сплавов, крайне ограничен. Однако правильно подобранные легирующие добавки способны не только увеличить скорость биоразложения, но также наделить материал антибактериальными и даже лечебными свойствами.
Эксперимент под высоким давлением
Специалисты Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН совместно с коллегами изучили влияние кремния и технологических параметров обработки (высокого давления) на структуру и скорость биодеградации изделий из железо-марганцевых сплавов. Для получения требуемой микроструктуры ученые подвергли дискообразные образцы деформации кручением под экстремальным давлением (почти 60 000 атмосфер), варьируя температуру процесса.
Роль кремния в мартенситных превращениях
Экспериментальные данные подтвердили, что кремний активно способствует протеканию мартенситного превращения — процесса синхронного смещения атомов на микроскопические расстояния. Так, образцы, обработанные с добавкой кремния при комнатной температуре и высоком давлении, претерпели полное мартенситное превращение. Для сплавов без кремния в этих же условиях доля мартенсита составила 94,5%. При нагреве до 300°C сплав без кремния уже не проявлял мартенситного превращения, в то время как в кремнийсодержащих образцах доля мартенсита достигала 81,5%. Это демонстрирует ключевую роль кремния и температуры деформации в формировании конечной структуры при высоком давлении.
Удвоение скорости деградации и безопасность
Важнейшее открытие: мартенситная структура, полученная благодаря кремнию, увеличивает скорость растворения материала вдвое – с исходных 0.25 мм/год. Такое ускорение позволяет имплантату полностью растворяться за комфортный срок в 1-2 года. Клеточные тесты показали, что используемые кремнийсодержащие сплавы не уменьшают жизнеспособность клеток крови мышей, подтверждая их биологическую совместимость.
Перспективы имплантов нового поколения
«Полученные результаты открывают возможность создания имплантатов следующего поколения, обеспечивающих надежную фиксацию кости при срастании. Их принципиальное преимущество — способность безопасно растворяться в организме, исключая повторную операцию по удалению, — комментирует к.т.н., ведущий научный сотрудник ИМЕТ РАН Ольга Рыбальченко, участник проекта по гранту РНФ. — Наша дальнейшая цель — комплексное изучение биосовместимости: анализ влияния материалов на различные клеточные линии, а также оценка реакции окружающих тканей и внутренних органов у животных после имплантации».
Путь к практическому применению
Исследовательская группа нацелена на масштабирование технологии для изготовления прототипов и проведения доклинических испытаний на крупных животных (включая собак), а также последующих клинических исследований на людях. Разработанные материалы представляют значительный интерес для ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, онкологии и ветеринарии, предлагая перспективное решение для временного протезирования.
В работе приняли участие ученые из Национального медицинского исследовательского центра онкологии имени Н.Н. Блохина, Национального исследовательского технологического университета «МИСИС», Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Белгородского государственного университета и Ляонинской академии материалов (Китай).
