Металлическая 3D-печать улучшит приживление костных имплантов и продлит срок их службы

Саратовские ученые соединили несколько способов обработки титановых имплантов, чтобы продлить срок их службы и улучшить срастание с костями. Авторы статьи, опубликованной в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, предлагают с помощью компьютера «напечатать» на имплантах сверхтвердое пористое покрытие из тантала. Этот металл отличается исключительной биосовместимостью, которая позволяет организму принимать его за собственные ткани, не вызывая отторжения. А поры на покрытии помогают клеткам костных тканей «прорастать» в конструкцию. Новость об изобретении сообщил Российский научный фонд (РНФ).

Установка зубного импланта, замена сустава или фиксация места перелома титановой пластиной улучшают жизнь миллионов людей. Но такие операции связаны с множеством рисков: организм может отторгнуть имплант, неправильный подбор материалов приведет к осложнениям, а пациент потеряет время и кучу денег. Последнее для большинства из нас решающий аргумент, ведь любой имплант — дорогое удовольствие. По данным исследования, проведенного в 2018 году в г. Ярославле, лишь 15% пациентов, потерявших зубы, отдают предпочтение имплантации, остальные выбирают съемные или мостовидные протезы.

И все же ежегодно в мире делают около 2 миллионов операций по установке зубных имплантов и более 1,5 миллиона по эндопротезированию — замене суставов на искусственные. Официальная статистика успешного приживления внутрикостных протезов составляет 90-95%, но она вызывает сомнения как у пациентов, так и у врачей, поскольку научные исследования зачастую спонсируются производителями искусственных костей. Сами врачи вне клиник отмечают, что такие операции остаются крайней мерой, когда выбор стоит между протезом или отсутствием части скелета. Но из четырех ортопедов, к которым я обратилась при подготовке материала, ни один не согласился дать официальный комментарий о проблемах имплантации — кушать хочется всем. Поэтому предлагаю сначала разобраться в вопросе.

Чаще всего элементы для замены изготавливают из титана или его сплавов. Этот металл применяется в медицине более 60 лет, с тех пор, как шведский ученый Ингвар Бранемарк открыл явление остеоинтеграции. Процесс «прорастания» тканей скелета в чужеродные конструкции был зафиксирован случайно. Бранемарк исследовал кровоснабжение в кости и восстановление костного мозга. Чтобы посмотреть на процесс изнутри, он поместил внутрь берцовой кости кролика маленькую оптическую камеру с титановым корпусом. Металл был выбран благодаря высокой инертности — он не вступает в химические реакции с большинством веществ и «равнодушен» к биологическим растворителям. В результате эксперимента Бранемарк с удивлением констатировал, что камера «вросла» в кость, став ее неотъемлемой частью. Одной из причин такой реакции оказалась низкая плотность титана и шероховатость его поверхности, которая позволяла отросткам молодых клеток костной ткани «цепляться» за металл. Сейчас титан служит основным материалов для изготовления зубных имплантов, соединительных элементов для сращивания костей, таких как штифты и пластины, и даже для создания цельных искусственных костей и суставов.

Еще до открытия Бранемарка врачи делали искусственные зубы из золота. Однако, помимо высокой стоимости, оно оказалось слишком тяжелым и мягким для ортопедических конструкций, учитывая интенсивность нагрузок, которым ежедневно подвергаются кости и суставы. Скелет, составляющий в норме лишь 12-15% от массы человеческого тела, поддерживает все 100% общей массы. При ходьбе, беге и занятиях спортом нагрузка на кости и суставы увеличивается в десятки раз. Кстати, рекорд все равно бьют зубы, выдерживающие нагрузку до 180 кг при жевании твердой пищи. Прочность костей обеспечивает сочетание высокой упругости и твердости, которая может достигать 18 гигапаскалей (ГПа). Для золота этот показатель составляет около 0,2 ГПа. Среди металлов по комплексу механических характеристик больше всего натуральной кости соответствует магний. Однако он чрезвычайно активен химически и сильно подвержен коррозии. Титан же, несмотря на средний показатель твердости около 0,8-0,9 ГПа, одновременно сочетает ее с легкостью, высокой упругостью, инертностью и биосовместимостью — иммунная система человека и животных не замечает его. Клетки костных тканей напротив — активно срастаются с конструкцией.

Тем не менее технологии производства титановых сплавов приводят к частому содержанию в них сторонних примесей, которые могут вызывать у пациентов аллергические реакции, воспалительные процессы и отторжение импланта. Причем даже в чистом титане включение ванадия, алюминия и железа достигает 0,3-0,7%. Одним из способов повысить биосовместимость титановых имплантов является нанесение на их поверхность защитного слоя из химически инертных материалов, например, оксида титана. Содержащиеся в нем примеси представлены биосовместимыми элементами, такими как азот или углерод. При этом тонкая оксидная пленка может повысить твердость поверхности титана до 30 ГПа.

Однако в 90-х годах прошлого века ученые обнаружили, что остеоинтеграции импланта можно помочь дополнительно, если повысить степень пористости защитного покрытия. Пористый слой как губка «впитывает» белки организма, а впадины и ниши помогают волокнам фибрина и коллагена «прорастать» в материал. Рельеф также увеличивает площадь поверхности импланта и его соприкосновения с костью. Кроме того, губчатое покрытие не препятствует циркуляции крови вблизи чужеродного объекта, снижая вероятность образования тромбов.

На сегодняшний день самыми распространенными являются покрытия из оксида и нитрида титана. Но существуют и другие разработки, например, керамические пленки или широко известные тонкопленочные анодные покрытия, которые наносят, обрабатывая металл электрическим током. Недостатком таких материалов является предел твердости, обычно не превышающий 40 ГПа, а также толщина полученных покрытий. Например, анодная обработка формирует слой толщиной лишь до 5 микрон. Он эффективно защищает организм от токсического действия примесей, но не способен снижать механическую нагрузку на имплант. Кроме того, шероховатость тонкого покрытия хоть и усиливает сцепление конструкции с костной тканью, но дополнительных возможностей для «врастания» не создает.

Все большее распространение в имплантологии приобретает тантал. Но он отличается исключительной биосовместимостью, поскольку не подвержен коррозии и устойчив ко всем органическим и большинству неорганических растворителей. Тантал «игнорирует» даже «царскую водку» — смесь азотной и соляной кислоты, способную растворять более 80 металлов, включая инертные золото, платину и палладий. Природный тантал довольно мягкий, имеет хорошую упругость и пластичность, даже несмотря на то, что температура плавления металла превышает 3000°С. Но, если контролируемо нагреть его в пределах 1000°С, поверхность металла окисляется и формирует защитный оксидный слой. Покрытие делает поверхность металла твердой, при этом сохраняя пластичность. Такие характеристики позволяют конструкции хорошо переносить интенсивные механические нагрузки, а пористость, близкая структуре костной ткани, обеспечивает быстрое и эффективное врастание. Впрочем, импланты, изготовленные целиком из тантала, мы вряд ли увидим, ведь стоимость этого редкого металла в 14-15 раз дороже, чем у титана. А вот наносить танталовое покрытие на титан — вполне рабочий вариант. Так делают уже более 20 лет.

Основная сложность изготовления титан-танталовых имплантов — трудносплавность этих металлов. Они практически не поддаются спаиванию, поэтому чаще всего пористую танталовую пленку формируют с помощью пропитки губкой или порошковым методом — нанося защитный слой под большим давлением. Твердость такого покрытия может достигать 40 ГПа, а пористость 60%, что является превосходными характеристиками. Сцепление между металлами при этом присутствует, но через несколько лет использования защита может трескаться или отслаиваться, вызывая воспалительные реакции в окружающих тканях и провоцируя отторжение импланта.

Решение предложили в 2018 году ученые из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. Владимир Кошуро и Александр Фомин. Технология предполагала использование широко известного метода электроискрового легирования (ЭИЛ) — своеобразную «печать электрическими искрами», которая применяется в металлургии для скрепления тугоплавких металлов уже 80 лет, хотя раньше никто не пробовал соединять таким образом титан и тантал. Саратовские ученые использовали титан в качестве подложки, а из тантала изготовили электрод. Специальная установка с помощью высокого электрического напряжения нагревала электрод до температуры в миллионы градусов, и устройство — электроискровый осциллятор, — генерируя электрические искры, «разбрызгивало» микрокапли тантала на поверхность изделия. Высокотемпературная обработка заставила металлы «свариться», поскольку ток нагревал не только электрод, но и оплавлял поверхность подложки.

Первым препятствием, с которым столкнулись изобретатели, стали микротрещины, нарушающие целостность покрытия. Они образовались из-за чрезвычайно высокой скорости остывания танталовых капель, которая могла достигать 1 000 000 градусов в секунду. Решением стал еще один распространенный метод — индукционная обработка изделия. Нагрев конструкции электромагнитным методом до 950-970 °С вызвал образование поверх титанового покрытия многокомпонентной оксидной пленки, которая заполнила трещины. При этом пленка оказалась склонна к «самозалечиванию», поскольку на месте механических микроповреждений оксидный слой восстанавливался без дополнительных вмешательств. Твердость такого покрытия составила около 10-15 ГПа, чего достаточно для перенесения механических нагрузок, которым подвергается вживленный имплант.

Другой проблемой оказалась неравномерная толщина танталового покрытия. В лабораторных образцах она варьировалась от 2-3 до 20-30 микрон. Наличие тонких участков ученые объяснили механизированным способом нанесения защитного слоя. Установка для ЭИЛ, построенная по аналогии с токарным станком, переносила капли расплавленного тантала хаотично. Это обеспечило высокую пористость покрытия (42-52%) и исключило контакт тканей организма с телом импланта, однако могло помешать пленке выполнять роль своеобразного буфера между медицинским изделием и костью, смягчать трение и уменьшать давление на имплант. Вопрос оставался нерешенным до недавнего времени.

В новом исследовании саратовские ученые автоматизировали процесс электроискровой «печати» танталом с помощью числового программного управления (ЧПУ). Установку для ЭИЛ подключили к компьютеру со специально разработанным программным обеспечением. Подобная методика применяется в промышленности, например, для создания токарных и фрезерных роботов-манипуляторов.

Последующая индукционная обработка изделия сформировала оксидную пленку на поверхности покрытия, обеспечив его самовосстановление. Готовые образцы представляли собой цельное изделие со слоистой структурой: титан — соединительный титан-танталовый слой — пористое танталовое покрытие — многокомпонентная оксидная пленка с наноразмерной поверхностной структурой. Значительная толщина покрытия привела к увеличению твердости оксидной пленки до 60-80 ГПа, что в 2-5 раз превысило показатели прочих биосовместимых покрытий, нанесенных иными способами, а также из других материалов, таких как оксид и нитрид титана.

Электроискровая печать войдет в клиническую практику нескоро. Потребуется еще несколько этапов теоретических исследований, дополнительные разработки и усовершенствование метода, прежде чем ученые смогут испытать новые типы имплантов in vivo — в организме лабораторных животных. И все же предварительные исследования открывают новые перспективы в развитии имплантологии.

Ученый уточняет, что технологию можно применять не только для формирования защитных танталовых слоев на титане. В качестве электрода можно использовать другие тугоплавкие металлы и твердые сплавы, что позволит эффективно соединять разнородные материалы для изготовления сверхпрочного промышленного, строительного и медицинского инструмента.

Благодарю за помощь в подготовке материала руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, доктора технических наук Александра Фомина, заведующего кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Гагарина Ю.А.