Химики создали модель деградации материалов имплантатов в жидкостях организма
Российские ученые исследовали поведение биорезорбируемого сплава магния в условиях, приближенных к тем, что есть в организме. В условиях in vitro они выяснили, как влияют состав и локальные отличия поверхности кальцийсодержащего сплава магния Mg-0,8Ca на его коррозию, а также описали характер и особенности электрохимических процессов, протекающих на сплаве. Получившаяся на их основе модель поможет разработать безопасные, биоактивные и разлагаемые материалы для имплантатов. Статья по работе, поддержанной грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале Journal of Magnesium and Alloys.
В настоящее время имплантаты широко применяют во многих областях медицины, таких как ортопедия, сердечно-сосудистая хирургия, травматология и другие, а потому усовершенствование материалов, используемых для их изготовления, является одним из важных направлений. Традиционно это неразлагающиеся (химически стойкие) металлы и сплавы, однако имплантаты на их основе, несмотря на свою максимальную стабильность, имеют ряд ограничений. Так, они не деградируют, из-за чего может потребоваться повторная операция для удаления имплантата после выздоровления пациента, а их износ вызывает воспаление в организме человека.
Перспективной альтернативой могут служить биоразлагаемые металлические материалы, и наиболее обещающие среди них — магний (Mg) и его сплавы. Сам по себе магний подвержен слишком быстрой коррозии в организме и не может использоваться без антикоррозионной защиты. Но и в этом случае необходимо сначала изучить механизм его деградации, например, с помощью локального электрохимического in situ анализа: установление взаимосвязи между гетерогенностью материала (то есть разностью свойств в разных его частях) и его локальной коррозионной активностью позволят сформировать на поверхности сплавов защитные покрытия. В дальнейшем такая система станет основой имплантатов, обеспечивающих достаточную механическую прочность и стабильность, необходимую для полного восстановления костной ткани. Затем материал будет растворяться и безопасно утилизироваться в организме.
«Мы выбрали кальций-магниевый сплав, который безвреден для живых систем, так как элементы, входящие в него, постоянно присутствуют в организме человека. По мере деградации они будут высвобождаться и включаться в процессы восстановления кости, ускоряя заживление», — рассказал руководитель проекта Андрей Гнеденков, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии ДВО РАН.
Российские ученые из Института химии ДВО РАН (Владивосток) проверили, как сплав Mg-0,8Ca ведет в себя в жидкостях, имитирующих биологические. Его исследовали в среде для культивирования клеток и в физрастворе, наблюдая за потерей веса, изменениями структуры и химического состава поверхностных слоев. Для этого авторы применяли традиционные и локальные сканирующие электрохимические методы. В результате им удалось разработать модели того, как сплав деградирует в жидкостях, аналогичных тем, что есть в организме.
Так, результаты анализа демонстрируют, что добавление кальция в магниевый сплав увеличивает деградацию материала за счет усиления протекающий электрохимических реакций — на участках, где примеси было больше, процесс шел быстрее. Кроме того, исследователи отметили, что в среде для культивирования на поверхности сплава образовывалась пленка из гидроксиапатита (он также входит в состав костей и зубов), однако и она не сильно повлияла на устойчивость сплава к коррозии.
«Система многообещающая, и мы развиваем теоретические основы коррозионной деградации сплавов магния, перспективных для использования в качестве биодеградируемых имплантатов. В дальнейшем мы планируем разработать новые физико-химические методы обработки и исследования свойств материалов. Это позволит повысить их функциональность и эффективность в различных областях науки и техники, а также создать новые функциональные системы и покрытия», — добавил Андрей Гнеденков.
