Управляемый синтез имплантатов

Есть много способов добиться того, чтобы имплантат, то есть элемент из искусственной ткани, которым заменяют какой-либо орган человеческого организма, прочно сросся с остальными тканями. Один из них, особенно полезный, если речь идет о заменителе кости, — это сделать поверхность имплантата пористой. Тогда, во-первых, в этих порах можно заранее поселить специальные клетки, остеоциты, которые сформируют костную ткань со стороны протеза, а во-вторых, кость со стороны организма проникнет в поры и создаст очень прочный переход. Как оказалось, именно такой материал можно делать, сочетая два современных метода: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) и создание объемных изделий методом селективного лазерного спекания (СЛС) порошковых композиций. Более того, попутно удается решить одну из сложнейших задач технологии протезирования: обеспечить быстроту изготовления, а также точность воспроизведения форм и размеров.

Пластинки для краниопластики из чистого титана. Краниопластика — это методика в челюстно-лицевой хирургии, направленная на восстановление поврежденных или утраченных в результате аварии, а также не сформировавшихся при рождении человека участков черепа

Традиционно для имплантации используют чистый титан, биосовместимость и коррозионная стойкость которого лучше, чем у стали. А наиболее перспективным материаловеды считают никелид титана (см. «Химию и жизнь» 1998 №3). Помимо высокой удельной прочности и коррозионной стойкости он обладает такими уникальными свойствами, как память формы и сверхупругость. Иногда этот материал называют металлической резиной — так велика у него величина обратимой деформации. Поскольку такого рода эффекты проявляются у этого интерметаллида даже в пористом состоянии, то при его получении с использованием возможностей порошковой металлургии в руках ортопедов оказываются уникальные самосрабатывающие, самофиксирующиеся и саморазворачивающиеся протезы, которые хорошо работают при температуре живого организма.

Коренной зуб из никелида титана

До настоящего времени порошковую металлургию если и применяли в медицине, то только для изменения структуры поверхности имплантата, а самораспространяющийся высокотемпературный синтез использовали в качестве метода быстрого получения необходимых химических соединений. Однако с 1993 года ученые Самарского филиала Физического института РАН впервые в России начали поиск перспективных порошковых композиций для разработки технологии изготовления имплантатов в условиях селективного лазерного спекания. Позже к этим работам присоединились их коллеги из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (Черноголовка). Под селективностью в данном методе понимается сканирование лазерным лучом поверхности порошкового материала по строго заданному контуру с учетом дозировки лазерного излучения в каждой точке. Эта дозировка состоит в том, чтобы провести реакцию СВС не взрывного (неконтролируемого) типа, как это бывает традиционно, а строго в пятне лазерного излучения. В результате синтез идет не везде (форму изделия, спекаемого по слоям, ведь тогда нельзя контролировать), а только в тех местах, где проходил лазерный луч. Число слоев может быть сколь угодно большим, что, с учетом контура каждого конкретного слоя, приводит к формированию объемного изделия заданной формы из металла или керамики. При этом они сразу, без всякой дополнительной оснастки воспроизводят любую форму, которая задана компьютерной программой. Более того, используя компьютерное моделирование укладки и состава порошковой композиции, можно еще до синтеза рассчитать физико-механические свойства и нагрузки, которые выдержит будущее изделие. Таким образом, можно легко управлять пористостью и текстурой трехмерной поверхности, что позволяет имитировать естественное строение, наблюдаемое в костях. К тому же появляется возможность ускорить вживление протеза в окружающие ткани: для этого при послойном лазерном спекании надо добавлять частицы гидроксиапатита — главного вещества кости.

Послойная объемная наплавка порошка титана на титановый стоматологический штифт

Эти работы очень важны для нашей страны. Благодаря СЛС имплантаты удается делать гораздо быстрее, нежели традиционными методами, а форма их наилучшим образом соответствует заменяемой кости. При этом стоимость изготовления оказывается меньше, поскольку при такой технологии нет отходов и дополнительной механической обработки. В перспективе можно будет выпускать готовые линии для производства имплантатов непосредственно в клинике. Такой подход позволит обеспечить рабочие места на простаивающих предприятиях, где есть высокие технологии, и сократить зависимость от импортных имплантатов. Новые свойства и функциональные характеристики биосовместимых протезов из никелида титана, а также их влияние на себестоимость протезных работ в таких отраслях медицины, как стоматология, ортопедия, травмотология, еще предстоит оценить.

Доктор химических наук
М.В. Кузнецов,
доктор физико-математических наук
Ю.Г. Морозов,
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН;
кандидат физико-математических наук
И.В. Шишковский,
Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН