Исследователи Университета МИСИС предложили новый способ двухэтапной модификации сплавов, перспективных для изготовления ортопедических имплантатов, требующих особых механических и функциональных свойств. Методом атомно-слоевого осаждения на поверхности сверхупругого сплава Ti-Zr-Nb (титан-цирконий-ниобий) удалось получить оксидную плёнку (TiO₂), которая позволит контролировать химическое состояние материала. После этого, на сплав нанесли наночастицы серебра, значительно повысив антибактериальную активность материала.
В последние годы повышенное внимание привлекают метастабильные титановые сплавы, обладающие жесткостью, близкой по значениям к человеческой кости, что обеспечивает высокую биомеханическую совместимость. Применяя аддитивные технологии, из этих материалов можно изготовить изделия с пористой структурой, которые могут эффективнее функционировать в контакте с костной тканью. Свойствам поверхности таких материалов уделяется значительное внимание, т.к. во многом она определяет процесс заживления и повышает способность имплантата к остеоинтеграции.
«Сплав Ti-Zr-Nb обладает высокими параметрами сверхупругости при температуре тела человека. Благодаря этому свойству механическое поведение материала и костной ткани схоже. Однако многокомпонентность сплава приводит к тому, что оксидная пленка на нём тоже становится многокомпонентной, из-за чего ее сложнее модифицировать. Используя метод атомно-слоевого осаждения, мы можем регулировать состав и химическое состояние поверхности», — сказал автор исследования Антон Конопацкий, к.т.н, старший научный сотрудник центра неорганических наноматериалов Университета МИСИС.
Атомно-слоевое осаждение — известный и широко используемый метод контролируемого формирования тонкой оксидной пленки на поверхности сплава. Покрытие с предсказуемой толщиной и составом помогает учёным прогнозировать свойства материала. Помимо биологической активности, имплантат должен предотвращать и подавлять рост бактерий. Различные модификации серебра (Ag) известны своими бактерицидными свойствами. Ученые НИТУ МИСИС экспериментально подтвердили, что добавление борогидрида натрия на поверхность модифицированного сплава перед помещением в раствор нитрата серебра, позволяет существенно увеличить концентрацию ионов Ag и придать материалу повышенные антибактериальные свойства. Образец инактивировал 75% клеток кишечной палочки. Использование наночастиц серебра позволило не только улучшить антибактериальные свойства, но и повысить контроль скорости высвобождения ионов Ag, что критически важно для клинического применения. Подробно исследование описано в журнале Journal of Functional Biomaterials (Q2).
«Исследование является частью большого научного проекта по разработке новых материалов для медицинских изделий из сплавов Ti-Zr-Nb. Следующим этапом будет адаптация предложенного подхода для модификации внутренней поверхности пористых материалов, получаемых с применением аддитивных технологий. На их основе планируется создавать персонализированные ортопедические имплантаты, в частности, кейджи для замены межпозвонковых дисков», — отметил научный руководитель проекта Вадим Шереметьев, к.т.н., заведующий лабораторией сплавов с памятью формы Университета МИСИС.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10299), а также в рамках реализации стратегического проекта «Биомедицинские материалы и биоинженерия» программы Минобрнауки России «Приоритет 2030».