В реконструкции костных тканей особая роль отводится металлическим биоматериалам. Один из самых популярных из них — титан, который начали применять в стоматологии ещё в середине прошлого века.
За счёт поверхностной оксидной плёнки титан проявляет биохимическую инертность (устойчивость материала к воздействию химической и биологической среды живого организма). Но у титана есть огромный недостаток: этот металл не идеально подходит для нашего организма, он не соответствуют физико-механическим свойствам кости, что ведёт к экранированию (снятию) напряжений и повышению хрупкости близлежащих костных тканей.
Поэтому российские учёные обратили своё внимание на сплав на основе циркония и ниобия (Zr–2,5% Nb). Раньше его использовали только в ядерных реакторах, но теперь ему нашли применение и в медицине. Для этого команда исследователей из НИТУ «МИСиС» и Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН улучшили его свойства
Доцент кафедры металловедения и физики прочности НИТУ МИСИС Станислав Рогачев
Технологию уже используют в производстве, сообщает пресс-служба МИСиС. Подробные результаты исследования опубликованы в научном журнале Transactions of the Indian Institute of Metals (Q2).
В ноябре 2023 года китайские учёные показали структуру, имитирующую подушечки человеческих пальцев. Миниатюрное устройство с датчиками безошибочно определяет текстуру предметов и в перспективе поможет людям с ограниченными возможностями чувствовать поверхность через металлические протезы.
Сплав Zr–2,5% Nb отличается высокими термическими свойствами и устойчивостью к коррозии. Поэтому он активно применяется в атомной энергетике, где из него изготавливают различные компоненты ядерных реакторов: даже в экстремальных условиях работы эти конструкции остаются долговечными. При этом у такого сплава есть ещё одно существенное преимущество. Все сплавы на основе циркония очень прочные, а главное — остаются биологически инертными, неизменными во взаимодействии с биологическими системами, не окисляются и не ржавеют.
Кстати, долгое время считалось, что цирконий непригоден для использования в атомной энергетике. Но 1953 году был впервые получен материал, который полностью очищен от такой примеси, как гафний. Тогда выяснилось, что чистый цирконий обладает очень малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов. Именно это качество стало основным и дало возможность использовать циркониевые сплавы в атомной энергетике.
Отметим, что в своём изначальном виде сплав Zr–2,5% Nb не подходит для медицинских целей, его свойства не соответствуют установленным требованиям: предел текучести должен быть не менее 600 МПа, предел прочности — не менее 800 МПа. Чтобы механические характеристики сплава изменить, учёные провели серию экспериментов, включая термическую обработку металла и ротационную ковку.
Ротационная ковка — это ковка под давлением.
Исследования показали, что при температуре 200–300 °C материал формирует ультрамелкозернистую структуру сплава, благодаря чему он становится в 2,5 раза плотнее. Затем его обжигают при температуре 400 °C, это снижает остаточное напряжение в металле, его структура стабилизируется, а пластичность увеличивается.
Исследователи показали, что ротационная ковка при температурах 200—300°C формирует ультрамелкозернистую структуру сплава с высокой плотностью дислокаций, увеличивая прочность примерно в 2,5 раза
Такая обработка позволяет достичь необходимого предела прочности, и сплав можно использовать в медицинских целях — в первую очередь для изготовления зубных имплантов и других видов протезов.
Сейчас для этих целей в стоматологии в основном используют нержавеющую сталь и титановые сплавы, но Zr–2,5% Nb проявил себя гораздо лучше них, из-за своей биологической инертности он больше подходит для человеческого организма.
«Благодаря нашим совместным усилиям, поставленные Чепецким механическим заводом материалы также нашли применение в медицине. В частности, обработанный нами сплав — перспективный материал для изготовления зубных имплантатов и других видов протезов», — рассказал Станислав Рогачёв, доцент кафедры металловедения и физики прочности НИТУ «МИСиС».
Испытаниями дело не закончилось, новый вид сплава уже применяют в Волгодонске, на местном заводе из него делают конструкционные элементы зубных имплантатов, которые скоро уже можно будет примерить в кабинете хирурга.
«Сегодня российская стоматологическая отрасль столкнулась с необходимостью системного импортозамещения в области протезирования зубов, и в этом смысле отрадно, что российская наука ищет новые решения, технологии и материалы, — говорит главный врач стоматологической клиники «Квинта» Лариса Журавлева. — Понятно, что любая новинка нуждается в практическом тестировании, причем это процесс не быстрый. Любой имплант должен прижиться, специалисты должны увидеть, как он взаимодействует с тканями организма человека, насколько он устойчив к физическим и химическим воздействиям, какие будут отзывы у пациентов. Немаловажный момент — цена такого протеза, насколько он будет доступен. Если по всем этим параметрам новинка зарекомендует себя хорошо, то у нее будут перспективы для массового применения в стоматологии».
Егор Петров
