Ученые Томского политеха вместе с российскими и зарубежными коллегами придумали, как улучшить свойства титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере с помощью электронного луча. Такие сплавы могут стать основой для индивидуальных костных имплантов, которые прослужат дольше и сделают жизнь пациентов комфортнее.

Исследование вышло в престижном журнале Materials Science and Engineering A, а поддержал его Российский научный фонд.

Сейчас в медицине особенно востребованы материалы, которые идеально подходят для имплантов. Хорошие кандидаты — бета-титановые сплавы с добавками ниобия, циркония или тантала. Они прочные, нетоксичные и легко поддаются обработке. Но есть проблема: их жесткость все еще выше, чем у натуральной кости.

Если имплант слишком жесткий, он берет всю нагрузку на себя, а кость вокруг него начинает разрушаться, — объясняет Ирина Грубова, руководитель научной группы ТПУ. — Нам нужно сделать материал, который по упругости будет ближе к живой ткани.

Показатель того, насколько материал сопротивляется деформации, называется модулем упругости. Если у импланта модуль упругости выше, чем у кости, он будет «перетягивать» нагрузку на себя, и костная ткань начнет разрушаться.

Ученые напечатали образцы сплава из титана и ниобия (56%) на электронно-лучевом 3D-принтере, используя разные настройки. Раньше при смешивании порошков титана и ниобия возникала неоднородность из-за разной температуры плавления, но в этот раз проблему решили — сначала сплавили металлы, а потом превратили их в порошок.

Было три варианта печати: с разной силой тока. Оказалось, что при токе 4 мА сплав получается самым удачным — он прочнее, износостойкий, а его жесткость ближе к костной ткани.

Что это значит

• Можно менять свойства сплава, просто регулируя настройки печати.
• Химический состав остается тем же — только структура становится другой.

Теперь мы можем создавать импланты с заданными характеристиками, подстраивая их под конкретного пациента, — говорит Ирина Грубова.

Сейчас ученые продолжают эксперименты, чтобы расширить возможности применения таких сплавов. В работе участвовали специалисты из ТПУ, ТГУ, МГУ, УрО РАН и шведского университета.

Главный плюс — возможность создавать персонализированные импланты, которые не будут отторгаться организмом и прослужат десятилетиями. Сейчас даже хорошие титановые протезы со временем приводят к атрофии кости из-за разницы в жесткости. Если удастся точно подогнать свойства материала под естественную ткань, пациенты смогут забыть о повторных операциях.

Также технология удешевит производство: вместо того чтобы подбирать состав для каждого случая, можно будет просто менять настройки 3D-принтера.

Отметим, что исследование проводилось на небольших образцах, а не на полноразмерных имплантах. Неясно, как поведет себя материал в реальных условиях — например, при длительной нагрузке или в агрессивной среде организма. Кроме того, 56% ниобия — дорогое удовольствие; возможно, стоит поискать более дешевые добавки.

Ранее ученые создали новые пикопружины для биомедицинских нужд.