В 1959 году Уильям Дж. Бюхлер, сотрудник лаборатории морской артиллерии США, разработал уникальный интерметаллид — никелид титана. Этот материал “умный”, он обладает эффектом памяти формы, способен восстанавливать первоначально заданную форму при изменении температуры или после снятия приложенной нагрузки. Созданный изначально для обшивки носового обтекателя американского морского транспортного средства “Polaris”, никелид титана нашел свое применение в самых разных сферах — от авиации и космической отрасли до архитектуры и индустрии моды.
Благодаря своим свойствам никелид титана просто незаменим в самых разных областях медицины — в ортопедии, ортодонтии, сердечно-сосудистой хирургии. Но здесь есть одно “но”… Никель, составляющий 50 процентов в данном сплаве, — это токсичный металл и его большая концентрация может нанести серьезный урон здоровью человека. Как защитить ткани организма от токсического воздействия созданных из него имплантатов на весь срок их службы?
Самые эффективные решения сложных проблем часто рождаются на стыке нескольких научных направлений. Подтверждение этому — междисциплинарный проект, в реализации которого участвуют сразу три научные структуры — томские Институт физики прочности и материаловедения СО РАН и Институт сильноточной электроники СО РАН, а также новосибирский Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
Название проекта, поддержанного Российским научным фондом, — “Исследование структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных Ti-Ta сплавов, формируемых на принципах аддитивных технологий путем импульсного электронно-пучкового плавления систем пленка-подложка с целью повышения механической совместимости, рентгеноконтрастности и биоинтеграции медицинских сплавов с памятью формы на основе никелида титана”. Что стоит за этой сложной формулировкой? Какие шаги нужно сделать, какие этапы пройти, чтобы воплотить мечту в реальность — получить незаменимый и безопасный для медицины материал? Ведь в современных биосовместимых имплантатах нуждаются сотни тысяч людей.
За последние 20 лет в мире было установлено более 10 миллионов кардиологических стентов, среднеевропейской нормой является 1000-1300 операций на 1 миллион жителей! Ежегодно в мире выполняется около полутора миллионов операций эндопротезирования тазобедренных суставов. В США с населением 320 миллионов человек проводится около 500 тысяч таких операций; в Германии с населением 80 миллионов — 180 тысяч; в Австралии, где проживает 24 миллиона человек, — 34 тысячи. В России с численностью населения в 146 миллионов человек в год делается лишь 30-35 тысяч таких операций, а реальная потребность составляет около 300 тысяч. Небольшое количество проводимых у нас операций объясняется высокой стоимостью медицинских изделий, а также отсутствием отечественных импортозамещающих технологий. Поэтому принципиально важно приблизить высокие медицинские технологии к потребностям обычного среднестатистического пациента. А для этого необходимо выполнение трех условий.
Первое — нужен мощный научный задел. В ИФПМ СО РАН на протяжении 20 лет ведутся фундаментальные исследования в области медицинского материаловедения, получен ряд значимых результатов, прежде всего разработаны многослойные функциональные покрытия для изделий медицинского назначения.
— Многие имплантаты устанавливаются эндоскопически, поэтому они должны быть гибкими и сохраняющими исходную форму, — рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы ИФПМ СО РАН, профессор Людмила Мейснер. — Например, имплантаты для периферических сосудов, располагающиеся под коленом, испытывают колоссальные нагрузки! Создать их сегодня можно из трех видов материалов — это сплав кобальт-титан-молибден, медицинские стали определенных марок и никелид титана. В сталях содержится около 30 процентов никеля, они сильно подвержены коррозии. Кобальт и хром являются элементами, активно влияющими на процессы метаболизма. Задача материаловедов — создать поверхностные слои, которые выполнят функцию защитного барьера. При этом обязательным условием является то, что они должны обладать теми же свойствами эластичности.
Ученые предложили альтернативные сплавы на основе титана, но без персоны “нон грата” в медицине — токсичного никеля. Это титан-тантал и титан-ниобий, которые при температуре человеческого тела наделены высокой (резиноподобной) эластичностью и хорошей биомеханической адаптивностью. Ноу-хау проекта — формирование на поверхности имплантата из никелида титана тонкого (толщиной не более 2 микрон) слоя сплава с функциональными свойствами, подобными свойствам никелида титана, но не содержащего никель.
Условие второе. Формирование подобных поверхностных сплавов имеет ряд сложностей, и его невозможно выполнить традиционными способами. Для этого необходима прорывная технология, позволяющая получать материалы с качественно новыми свойствами. Такая технология была разработана в ИСЭ СО РАН, ученые которого сконструировали уникальную электронно-пучковую машину “РИТМ-СП”.
— Коллектив института создал технологии формирования поверхностных сплавов — нового типа покрытий, отличающихся высочайшим уровнем адгезии (сцепления разнородных сред) к подложке. Электронный пучок плавит пленку и тонкий слой подложки, происходит их перемешивание, размывание границы между ними, и, в конечном итоге, сплав и подложка становятся одним целым, — рассказывает главный ученый секретарь Томского научного центра Алексей Марков. — С помощью этой технологии можно целенаправленно улучшать те или иные свойства изделия: электрические, механические, добиваться повышения коррозионной стойкости.
Технологии формирования поверхностных сплавов в настоящее время востребованы по целому ряду направлений. Они применяются при нанесении защитных и антикоррозийных покрытий в промышленности, для формирования приповерхностных слоев с высоким уровнем проводимости для использования в СВЧ-электронике. Но принципиально важно, что технология может найти свое применение и в медицине.
Задача, которую предстоит решить в ходе выполнения проекта, нельзя назвать легкой и типичной: ведь нужно не просто нанести тантал на поверхность изделия, необходимо добиться строго заданного химического состава сплава и оптимальной толщины модифицируемой поверхности.
По мнению материаловедов, использование электронно-пучковой машины “РИТМ-СП” позволит получить изделие с ювелирно облагороженной поверхностью, обладающее стерильностью. После этого можно будет приступить к экспериментам, которые ответят на главный вопрос: как полученные прототипы медицинских изделий взаимодействуют с живыми тканями?
Для выполнения третьего условия нужно сделать еще один шаг. Испытание изделий пройдет в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Эксперименты, целью которых является выявление биосовместимости поверхности сплавов, будут осуществляться на стволовых клетках — наиболее чувствительных к внешним воздействиям. Результаты будут положительными в том случае, если стволовые клетки приживутся на поверхности прототипа изделия. Также в ходе выполнения работ по гранту на базе этого научного учреждения будет проведен и ряд других опытов, например, по тромборезистентности, на взаимодействие с кровью.
Реализация проекта, объединившего сразу три научных направления, позволит приблизиться к мечте, совершить настоящий прорыв в медицине — создать материалы, обладающие уникальными свойствами и являющимися безопасными для человеческого организма.
На снимке: младший научный сотрудник лаборатории вакуумной электроники ИСЭ СО РАН Евгений Яковлев и младший научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы ИФПМ СО РАН Станислав Мейснер готовят электронно-пучковую машину “РИТМ-СП” к облучению образцов.
Ольга БУЛГАКОВА
Нет комментариев