Фокус с исчезновением: как работают биорезорбируемые имплантаты из магниевых сплавов?

Имплантаты, которые сами рассасываются в организме в процессе восстановления после травмы, — уже реальность и перспективная технология современной медицины. В нашей стране этими разработками активно занимаются ученые Национального исследовательского технологического университета МИСИС. Совместно с индустриальным партнером вуз запустил производство биорезорбируемых имплантатов для травматологии и челюстно-лицевой хирургии. Об инновации, успешно прошедшей клинические испытания, корреспонденту «Научной России» рассказал один из авторов разработки, директор Передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Александр Александрович Комиссаров. 

Новые имплантаты изготавливаются из запатентованных учеными МИСИС магниевых сплавов, совместимых с человеческим организмом и схожих с настоящей костью по механическим свойствам. В отличие от обычных медицинских изделий из стали и титана, требующих хирургического удаления после выздоровления пациента, биорезорбируемые имплантаты исчезают самостоятельно, постепенно замещаясь костной тканью в процессе заживления.

«В основе разработанных нами материалов лежит высокочистый магний, обогащенный биосовместимыми элементами — прежде всего, галлием и цинком в строго контролируемых концентрациях. Такой выбор обусловлен тем, что все эти элементы либо уже присутствуют в организме человека, либо безопасно им усваиваются, — объяснил А.А. Комиссаров. — К настоящему моменту создано несколько семейств сплавов, которые отличаются друг от друга по параметрам прочности, пластичности и скорости рассасывания. Ведь в зависимости от клинического применения материалу требуются разные настройки. Так, в травматологии особенно важна высокая механическая прочность, а в челюстно-лицевой хирургии — контролируемое и быстрое рассасывание, что необходимо учитывать при создании материала».

Секрет резорбции имплантатов кроется в химических свойствах магния. Что особенно важно, скорость рассасывания материала в организме можно подстроить под темпы заживления костной ткани — достаточно правильно подобрать определенные параметры.

«Магний — это химически активный металл, который в физиологической среде постепенно вступает в реакцию с водой и растворенными ионами. Упрощенно процесс можно описать как контролируемую коррозию: магний окисляется, переходит в ионную форму, а затем включается в естественные метаболические процессы организма. При этом на поверхности имплантата в результате такой коррозии формируется защитный слой, временно замедляющий дальнейшее растворение. По мере его резорбции процесс продолжается. При правильно подобранных составе и структуре скорость этих реакций синхронизируется с процессом регенерации костной ткани. То есть имплантат постепенно теряет прочность ровно тогда, когда кость уже способна нести нагрузку самостоятельно», — поделился А.А. Комиссаров.

Скорость резорбции имплантатов в организме можно не просто контролировать, а достаточно тонко настраивать. Для этого исследователи воздействуют сразу на несколько параметров. Созданный учеными подход учитывает даже то, что сразу после операции обмен веществ в организме временно усиливается, вызывая ускоренное рассасывание материала.

«Мы управляем скоростью рассасывания имплантатов сразу на нескольких уровнях. Во-первых, через химический состав: изменение концентрации легирующих элементов позволяет ускорять или замедлять коррозионные процессы. Во-вторых, через структуру материала: размер зерен и внутреннее строение сплавов существенно влияют на скорость растворения. В-третьих, за счет нанесения на поверхность изделий биоразлагаемого покрытия, призванного снизить скорость биорезорбции в первые часы повышенного метаболизма из-за хирургического вмешательства», — отметил А.А. Комиссаров. 

Разрабатывая материалы для биорезорбируемых имплантатов, исследователи стремились максимально усовершенствовать их свойства. Особое внимание было уделено повышению совместимости сплавов с живыми тканями.

«Наши материалы взаимодействуют с организмом более мягко и предсказуемо за счет двух ключевых факторов, — пояснил А.А. Комиссаров. — Во-первых, мы исключили из состава потенциально токсичные примеси, заменив их на физиологически близкие организму химические элементы. Во-вторых, мы достигли высокой точности в управлении микроструктурой материалов, снизив влияние локальных гальванических пар — переходных микроскопических участков, которые обычно ускоряют коррозию и вызывают нежелательные реакции тканей».

Первые клинические испытания имплантатов прошли на базе Российского университета медицины. Изделия установили более чем 20 пациентам во время челюстно-лицевых операций. Имплантаты отлично зафиксировали поврежденные места и резорбировались без осложнений.

Университет МИСИС развивает инновацию совместно с индустриальным партнером — компанией «Остео-Сайбэр», резидентом Фонда «Сколково». Предприятие заинтересовалось научной разработкой еще на этапе первых экспериментов. Ярким результатом сотрудничества стал запуск в 2025 г. первой в России площадки для производства биорезорбируемых имплантатов для травматологии и челюстно-лицевой хирургии. Проект успешно прошел проверку Росздравнадзора.

Разработанная партнерами производственная технология полного цикла готова к масштабированию. Сейчас «Остео-Сайбэр» планируют выпускать 195 различных биорезорбируемых имплантатов из магниевых сплавов для травматологии и челюстно-лицевой хирургии, включая пины, пластины и винты. К продукции уже проявляют интерес Индия, а также государства Латинской Америки и Ближнего Востока.

Исследования ведутся в рамках программы поддержки университетов «Приоритет-2030». Новое достижение не только поднимает отечественную медицину на новый уровень, но и играет важную роль для импортозамещения: развиваемая партнерами технология входит в перечень критической продукции Минпромторга. Ученые не планируют останавливаться на достигнутом: команда уже разрабатывает биорезорбируемые имплантаты для кардиологии. 

Интересно, что в МИСИС также ведутся отдельные исследования, посвященные совершенствованию биорезорбируемых имплантатов из магниевых сплавов, напечатанных на 3D-принтере. Недавняя работа в этой области объединила коллег из МИСИС, Московского физико-технического института и Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Ученые выяснили, что на долговечность напечатанных образцов из биорезорбируемого сплава в максимальной степени влияют остаточные механические напряжения в материале. Особый режим термической обработки (четырехчасовой нагрев до 525 °C с последующим отжигом при 200 °C) помог снизить эти напряжения и замедлить коррозию материала примерно в 1,2–1,5 раза. Новое решение позволит исключить риск преждевременной резорбции напечатанных имплантатов в организме. Кроме того, обработка образцов повысила их общую надежность: структура стала более однородной, а число внутренних микроскопических дефектов сократилось. Результаты исследования были опубликованы в журнале Materials Characterization.

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники

Комментарии А.А. Комиссарова

НИТУ МИСИС. Без повторных операций: как биорезорбируемые имплантаты изменят медицину

НИТУ МИСИС. Имплантаты с программируемым сроком растворения: как термообработка делает магниевые сплавы идеальными для хирургии 

ИФПМ СО РАН. Влияние термической обработки биоразлагаемого магниевого сплава WE43, полученного методом аддитивного производства, на его эксплуатационные характеристики

Фото на превью, на главной странице и на странице: Сергей Гнусков / пресс-служба Университета МИСИС.