Поиск - новости науки и техники

Металл памятью силен. Уникальные инструменты и приспособления облегчают труд хирургов.

Всего ничего: незаметная “штуковинка” размером с булавочную головку, а на самом деле важное и нужное приспособление – хирургическая клипса. Во время операции она пережимает кровеносный сосуд и останавливает кровь. По сравнению с ней традиционное устройство, действующее как нераскрывающийся замок, оказывается неудобным: удалить его по окончании операции, не травмируя сосуд и ткани, просто невозможно. То ли дело – его необыкновенная сестра – клипса! В исходном положении она разведена, но, стоит подвести ее к сосуду и слегка нагреть с помощью специального держателя, клипса сжимается и перекрывает сосуд. В нужный момент ее легко извлечь: надо лишь охладить ее, и створки разойдутся, причем оперируемый этого даже не заметит.
А эта тонкая трубочка – эндоскопическая конструкция для извлечения “камней”. С помощью эндоскопа ее подводят к желчному протоку, где у больного обнаружены камни. Благодаря простому манипулятору хирург выдвигает из трубочки прямую сверхупругую проволочку из сплава с памятью формы и заводит за камень. Затем складывает ее в корзинку-ловушку и захватывает его. Освобождается камень из ловушки обратным движением манипулятора, выпрямляющим спираль.
Таковы возможности уникальных устройств из металлов с памятью формы, которые разрабатывает НИТУ “МИСиС”. Рассказывает научный руководитель работ, доктор физико-математических наук, профессор Сергей ­Прокошкин:


– В обоих случаях, изменяя структуру материала путем специальной термомеханической обработки, мы управляем его функциональными свойствами. И клипса, и ловушка сделаны из одного и того же титано-никелевого сплава, но в результате различной обработки они по-разному “откликаются” на изменение внешних условий – температуры и нагрузки. В одном случае клипса дважды, при нагревании и охлаждении, восстанавливала прежний вид – так проявился эффект памяти формы. В другой раз подействовал эффект сверхупругости: превращение прямой проволоки в спираль и обратно произошло (при постоянной температуре) по мере ее нагружения и разгрузки. В обоих случаях обратимое изменение формы металла происходило в результате трансформации его кристаллической решетки.
Таковы наши последние разработки, которым еще предстоят клинические испытания. Всего же по просьбе медиков мы изготовили, наверное, сотни устройств из металлов с памятью формы для различных малоинвазивных операций, в том числе полостных. Одно из первых таких приспособлений – спиральный эндопротез (стент). Под контролем рентгенотелевидения по кровеносным сосудам катетер в сложенном виде доставляет стент в место возникновения непроходимости крови. Под действием тепла тела он благополучно расправляется, раздвигает и армирует стенки сосуда – и кровоток восстанавливается.
Устройства с памятью формы используются в различных областях техники. Например, космической. Термомеханические муфты служили для соединения деталей выносных конструкций космической станции “Мир”. А если нужно соединить две трубы, то муфту, как говорят специалисты, раздают по диаметру и с двух сторон вставляют в нее трубы. Затем нагревают, и муфта прочно охватывает место соединения трубопровода. Сплавы с памятью формы используют для создания всевозможных средств предупреждения пожаров. При нагревании контактный элемент вспоминает свою прежнюю форму, замыкает электрическую цепь – и тут же раздается сигнал тревоги. Приблизительно по такому же принципу действуют предохранительные клапаны газовых систем, срабатывающие в случае пожара. Это могут быть и так называемые “активаторы” (управляющие устройства), применяемые, когда нужно что-то сдвинуть или переместить.
Эффект памяти формы известен уже более 60 лет. Этим мы обязаны американским ученым Риду и Чану (1951 год). Заметим, однако, что еще за три года до этого наш выдающийся металлофизик академик Георгий Вячеславович Курдюмов вместе со своим учеником Львом Григорьевичем Хандросом открыли и описали атомный механизм, лежащий в основе этого необычного явления. Сегодня в его фундаментальных и прикладных исследованиях МИСиС занимает определенную нишу. Мы используем традиционные титано-никелевые сплавы – фактически единственные, которые нашли широкое практическое применение. Они обладают высокой прочностью и достаточной пластичностью, не поддаются коррозии, но содержат относительно токсичный никель. Поэтому металловеды работают над созданием безникелевых сплавов на основе титана с добавлением ниобия, циркония и тантала. Наш же “конек” – формирование определенных структур, в том числе на нанометровом уровне. Это делает сплавы более эффективными, ресурс функциональных свойств оказывается в несколько раз выше, чем в обычном крупнозернистом состоянии, приближаясь к пределу возможностей металла. В результате мы разрабатываем различные элементы, те же клипсы и ловушки, с уникальными свойствами и патентуем по всему миру.
– Но ваши устройства, наверное, и стоят немало?
– Как сказать. Сплав сам по себе дорогой – около 500 долларов за килограмм в слитке. Но надо учесть, что масса наших устройств измеряется в миллиграммах, поэтому цена их не так высока, как и себестоимость изготовления. Но, главное, дело того стоит: благодаря этим оригинальным приспособлениям возможности хирургов заметно повысились. Они проводят такие операции, о которых раньше могли только мечтать. Правда, поскольку все наши “придумки” обладают особыми, непривычными свойствами, персонал необходимо обучать работе с ними, хотя ничего сложного в этом нет.
– На каком уровне находятся ваши разработки, знают ли о них за рубежом?
– В мире не так много высококвалифицированных металловедов, занятых в этой области. На трех самых крупных регулярных международных конференциях собирается несколько сотен исследователей. Большинство знает друг друга лично, а те, кто постарше, давно на “ты”. Идет непрерывный творческий обмен и знакомство с публикациями коллег. Так что в области фундаментальных исследований конкуренции как таковой вовсе нет – скорее происходит взаимное обогащение знаниями. Что касается практического применения, то в чем-то впереди мы, в чем-то – другие разработчики.
Наш друг, хирург из Мельбурна Михаил Сутурин, с которым мы работаем уже много лет, создал компанию “Эндоджин”, сотрудничающую с МИСиС в разработке и коммерциализации медицинских устройств на основе металлов с памятью формы. Наша задача – создание оригинальных элементов. Дело, замечу, далеко непростое: такие материалы чрезвычайно капризны: малейшее отклонение от заданного состава ведет к изменению свойств. Компания нашего партнера взяла на себя разработку манипуляторов, коммерциализацию и продвижение на рынок готовых разработок. На мой взгляд, это разумное распределение обязанностей.
Сейчас мы довели до ума четыре устройства, два из которых были здесь упомянуты, и ждем результатов клинических испытаний, после чего сосредоточимся на коммерциализации разработок. На очереди создание максимально биосовместимых металлических материалов с памятью формы для длительного использования в имплантологии. Ведь даже самый “хороший” металл – инородное тело для организма. Поэтому сделать материалы, которые вовсе не отторгались бы или хотя бы отторгались в меньшей степени, чем сейчас, – задача чрезвычайно важная. Из таких сплавов будут изготавливать сверхупругие биосовместимые имплантаты, зубные и костные, с очень большим сроком службы, а также различные пористые материалы для замены костных тканей, суставов. Появится ли подобная компания в России? Ответ можно ждать после лабораторной апробации новых сплавов с памятью формы.
– Студенты, наверное, в очередь к вам записываются?
– До этого пока дело не дошло. Но вместе со специалистами и магистрантами они участвуют в полноценной научно-исследовательской работе, готовят дипломы, поступают в аспирантуру, хотя профессия металлофизика достаточно сложная. МИСиС сотрудничает с Высшей технологической школой Монреаля (Канада). У нас действует совместная аспирантура, и по ее окончании аспиранты защищают диссертации в обоих вузах: становятся кандидатами наук в МИСиС и докторами философии в Технологической школе. Наиболее способные и заинтересованные остаются в университете. Они обладают высоким “образовательным фоном”, полученным в МИСиС, очень быстро растут профессионально и в недалеком будущем, уверен, станут основой сообщества молодых исследователей, призванных развивать это интересное и перспективное направление фундаментальной и прикладной науки.

Юрий Дризе
Фото Андрея Моисеева

Нет комментариев