Дешевле, прочнее, менее токсично: новые сплавы перспективны для разработки протезов

25 ноября 2022 г.

Майкл Олуватосин Бодунрин, «Разговор»

Титан – прочный, упругий и относительно легкий металл. Его свойства также хорошо изучены; ученые знают об этом очень многое. Все это делает его идеальной основой для изготовления протезов конечностей, особенно коленей и бедер, а также зубов. Он менее склонен к ржавчине, чем другие металлы, и, как показали исследования, он более совместим с человеческим организмом, чем, например, нержавеющие стали и материалы на основе кобальта.

Но есть серьезная проблема: титан недешев. Точные данные получить трудно, но консервативная средняя стоимость протезов на основе титана составляет от 3000 до 10 000 долларов США. Это дорого обходится большинству людей и непомерно дорого для большинства людей в странах со средним и низким уровнем дохода, таких как страны Африки.

Опять же, данных недостаточно, но недавнее исследование в странах Африки к югу от Сахары (исключая Южную Африку, где возможности для таких процедур лучше, чем в большинстве других стран континента) показало, что в период с 2009 по 2018 год было выполнено 606 операций по замене тазобедренного сустава и 763 операции по замене коленного сустава. Гораздо большему количеству людей в регионе, вероятно, потребуется замена, но они останутся без нее, потому что они просто не могут позволить себе эту процедуру. А поскольку численность людей в возрасте 65 лет и старше во всем мире растет, спрос на имплантаты будет расти; эта возрастная группа склонна к таким заболеваниям, как остеопороз и остеоартрит.

Вот почему мы работаем над производством более дешевых материалов на основе титана, которые можно будет использовать для изготовления доступных конечностей. В нашем последнем исследовании мы с коллегами экспериментировали с металлическими элементами, такими как титан, алюминий, железо и ванадий, для создания новых сплавов. Мы протестировали каждый из них в растворе, имитирующем жидкости человеческого организма.

Мы обнаружили, что новые сплавы обнаруживают в растворе незначительную ржавчину. Новые сплавы, которые немного дешевле сплавов коммерческого качества, показали себя так же хорошо, а один сплав даже превзошел их.

Самым большим преимуществом титана для изготовления искусственных бедер, коленей и зубов является то, что он безопасен для использования в организме человека, поскольку он не разрушается легко под воздействием жидкостей организма.

Однако когда титан используется в чистом виде, ему не хватает необходимой прочности и износостойкости, необходимых для того, чтобы справиться с суровыми условиями человеческой деятельности.

Поэтому добавляются другие металлические элементы. Примеры включают алюминий, ванадий, цирконий, тантал, ниобий, молибден и железо. Ученые используют эти и другие элементы для создания новых сплавов, более прочных и устойчивых к износу.

В настоящее время наиболее часто используемым сплавом в искусственных бедрах и коленях является сплав Ti-6Al-4V: 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. Несмотря на свою эффективность, у него есть два существенных недостатка. Во-первых, это стоимость. Ванадий почти так же дорог, как титан. Второе — токсичность: алюминий и ванадий токсичны в больших количествах. Когда материал разлагается в результате коррозии, ионы выделяются в организм и могут вызвать хроническое воспаление. Эти ионы также связаны с болезнью Альцгеймера.

Для этого исследования мы уменьшили количество алюминия и ванадия, которые добавляются в Ti-6Al-4V для создания новых материалов на основе титана. Мы также исключили алюминий и полностью заменили ванадий железом, чтобы создать другой, более дешевый материал на основе титана.

Затем мы исследовали, будут ли эти новые материалы имплантатов быстро разрушаться при погружении в жидкость человеческого тела. Мы использовали раствор под названием «Сбалансированный солевой раствор Хэнкса», который содержит основные ингредиенты жидкости человеческого организма. Мы сравнили новые титановые материалы с широко используемым коммерческим сортом Ti-6Al-4V.

Почти все новые сплавы показали себя лучше, чем Ti-6Al-4V в солевом растворе. Те, у кого в решении дела обстоят хуже, по-прежнему находились на одном уровне с Ти-6Ал-4В. И ни один из новых сплавов не деградировал более чем на 0,13 миллиметра в год — максимально допустимая скорость деградации, разрешенная для материала имплантата.