Сегодня в медицине активно используются имплантаты, изготовленные из титана или нержавеющей стали, которые после срастания костей требуют повторной операции для их удаления. Однако магний предлагает уникальное решение этой проблемы: он является совместимым с организмом материалом, который постепенно растворяется после выполнения своей функции. Кроме того, упругость магния более близка к упругости человеческой кости, что позволяет имплантату действовать более естественно и не «перетягивать» на себя нагрузки. Главной трудностью, с которой сталкиваются ученые, является быстрая и неравномерная коррозия магния в организме. Если материал теряет прочность до того, как кость успевает срастись, лечение оказывается ненадежным.
Как отметил один из авторов исследования, начальник лаборатории биорезорбируемых сплавов НИИПТ ТГУ Евгений Мерсон, идеальным вариантом было бы, чтобы имплантат растворялся в две стадии: медленно на начальном этапе, когда активно восстанавливаются поврежденные ткани, и ускоренно после их восстановления, когда поддержка уже не нужна.
Одним из наиболее очевидных способов достижения такой двухстадийной кинетики резорбции является нанесение защитного покрытия на имплантат, которое может замедлить скорость коррозии на начальном этапе. Тем не менее, в некоторых случаях покрытия не дают ожидаемых результатов.
«Мы уже производим магниевые винты и спицы с заданной скоростью резорбции в рамках передовой инженерной школы – 62 типоразмера. По характеристикам они сопоставимы с немецкими аналогами, а в некоторых аспектах даже превосходят их. Однако такие винты и спицы работают не в самых агрессивных условиях, и даже для них мы вынуждены наносить защитные покрытия, чтобы снизить скорость коррозии в первые две недели, когда выделяется слишком много водорода», — отметил Евгений Мерсон. — «Сейчас мы сосредоточены на создании пластин для остеосинтеза. На данный момент никто в мире не зарегистрировал биорезорбируемые магниевые имплантаты такого типа. Среда там значительно агрессивнее, и защитные покрытия не спасут – пластина подгибается под форму кости, и она разрушается. Поэтому защиту и программу растворения необходимо закладывать непосредственно в сам сплав. Интересно, что нужная нам программа растворения изначально была заложена в магнии и его сплавах самой природой! Мы нашли способы настройки этой программы под конкретные практические задачи. Именно эту задачу решает наше исследование, и его результаты легли в основу нового проекта по госзаданию, в рамках которого мы будем развивать эти идеи.
В ходе нового исследования ученые смогли выяснить, от чего зависит скорость разрушения сплава на разных этапах, а также как с помощью состава и термообработки задавать желаемый срок службы изделия. Мы изучили пять сплавов магния с добавлением цинка и кальция. Содержание кальция в них составило 0,1%, а содержание цинка варьировалось от 0,5% до 7,6%. Цинк и кальций были выбраны не случайно: это жизненно важные элементы для организма, в отличие от алюминия, использование которого в биомедицинских материалах не рекомендуется из-за возможной нейротоксичности», — добавил Евгений Мерсон.
Сплавы подвергались двум видам термической обработки: гомогенизация, которая увеличивала количество частиц вторых фаз в металле, и растворная обработка, которая растворяла их и позволяла удерживать больше атомов цинка в кристаллической решетке сплава. Образцы помещали в физиологический раствор при температуре, близкой к температуре человеческого тела (37 ± 0,5 °C), и исследовали скорость выделения водорода, следя за процессом растворения.
Результаты показали, что у большинства исследованных сплавов растворение происходит в два этапа. Сначала наблюдается снижение скорости коррозии из-за формирования защитной пленки на поверхности, а затем происходит переломный момент, когда скорость растворения начинает резко расти в результате появления глубоких питтинговых поражений. Таким образом, стадийность растворения сплавов оказалась именно такой, какая необходима для имплантатов. Кроме того, длительность первой «инкубационной» стадии увеличивалась по мере уменьшения содержания цинка и частиц вторых фаз, богатых цинком.
После суток испытаний минимальная скорость коррозии была зафиксирована у сплавов с содержанием цинка 0,5–1%. Однако через неделю в растворе скорость растворения возрастала вместе с увеличением содержания цинка, что указывало на значительное влияние точечного поражения.
«Таким образом, управляя содержанием цинка и режимом термообработки, можно регулировать продолжительность инкубационного периода, склонность к питтингу и общую кинетику деградации материала, — подытожил Евгений Мерсон. — Это означает, что для врача и пациента возможно проектирование имплантата не только с заранее заданным сроком службы, но и с запрограммированным изменением скорости растворения во времени. По сути, мы получили инструмент для создания материала, который сможет сохранять прочность в первые недели после операции, когда кость особенно уязвима, а затем постепенно передавать нагрузку растущей ткани.
Полученные данные станут основой для дальнейшего создания магниевых сплавов с программируемой скоростью биодеградации. Следующий этап включает проверку работы выявленных закономерностей в более сложных средах, приближенных к условиям организма, а также оценку прочности и пластичности будущих имплантатов.
Результаты исследования имеют важное значение и для разработки стандартов оценки материалов, так как оно доказало, что вывод о стойкости сплава нельзя делать только на основании краткосрочных тестов. Материал, который демонстрирует отличные результаты в первые сутки, может начать быстро разрушаться в дальнейшем.
Статья, посвященная этому исследованию, была опубликована в международном журнале Journal of Alloys and Compounds (DOI: 10.1016/j.jallcom.2026.191590) (Impact factor 6.7, Q1).
Примечание: Питтинговая коррозия (от англ. pit – «ямка, углубление») – форма локального коррозионного разрушения металлов и сплавов, при которой на поверхности образуются углубления (питтинги). Это один из самых опасных видов коррозии, так как разрушение может быстро распространяться вглубь металла, приводя к сквозным повреждениям, трещинам или пробоинам.