eng
Просмотры: 1461
16.07.2015
В 1959 году Уильям Дж. Бюхлер, сотрудник лаборатории морской артиллерии США, разработал уникальный интерметаллид — никелид титана. Этот материал — «умный», он 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 покорения космоса до архитектуры и индустрии моды.
Благодаря своим свойствам этот материал просто незаменим в самых разных областях медицины — в ортопедии, ортодонтии, сердечно-сосудистой хирургии. Однако здесь есть одно «но»… Никель, составляющий 50 процентов сплава — токсичный металл, и его большая концентрация может нанести серьезный урон здоровью человека. Как защитить ткани организма от вредного воздействия на весь срок службы имплантатов? Ведь в современных биосовместимых имплантатах нуждаются сотни тысяч людей.
Наиболее эффективные решения сложных проблем часто рождаются на стыке нескольких научных направлений. Яркое подтверждение этому — междисциплинарный проект, поддержанный РНФ, в реализации которого участвуют сразу три научных института — Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН и Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
За последние 20 лет в мире было установлено более 10 миллионов кардиологических стентов, среднеевропейской нормой является 1000–1300 на 1 миллион жителей! Ежегодно в мире выполняется около полутора миллионов операций эндопротезирования тазобедренных суставов. В США с населением 250 миллионов человек их проводится около 500 тысяч; в Германии с населением 80 миллионов — 180; в Австралии, где проживает 22 миллиона человек, — 34… В России с численностью населения в 142 миллиона человек совершается лишь 30–35 тысяч таких операций в год, а реальная потребность составляет около 300 тысяч. Такое несоответствие объясняется высокой стоимостью медицинских изделий, а также отсутствием отечественных импортозамещающих технологий. Для того, чтобы его преодолеть, необходимо совершить три шага.
Шаг первый
Необходим мощный научный задел. В ИФПМ СО РАН на протяжении двадцати лет ведутся фундаментальные исследования в области медицинского материаловедения, получен ряд значимых результатов, прежде всего, разработаны многослойные функциональные покрытия.
— Многие имплантаты устанавливаются эндоскопически, поэтому они должны быть гибкими и сохранять исходную форму, — рассказывает руководитель проекта Людмила Мейснер, профессор, главный научный сотрудник ИФПМ СО РАН. — Например, имплантаты для периферических сосудов, располагающиеся под коленом, испытывают колоссальные нагрузки! Создать их в настоящее время возможно из трех видов материалов — сплава кобальт-титан-молибден, медицинской стали определенных марок и никелида титана. В сталях содержится около 30 процентов никеля, они сильно подвержены коррозии. Кобальт и хром являются тяжелыми элементами, активно влияющими на процессы метаболизма. Задача материаловедов — сделать поверхностные слои, которые выполнят функцию защитного барьера. При этом они обязательно должны обладать теми же свойствами эластичности.
Учеными предложены альтернативные комбинации на основе титана, но без персоны «нон грата» в медицине — токсичного никеля. Ими стали титан-тантал и титан-ниобий, которые при температуре человеческого тела наделены высокой (резиноподобной) эластичностью и хорошей биомеханической адаптивностью. В этом и заключается «ноу-хау» проекта — формирование на поверхности имплантата из никелида титана тонкого (толщиной не более 2 микрон) слоя сплава с функциональными свойствами, подобными свойствам основного материала, но не содержащего никель.
Шаг второй
Однако вышеописанная задача имеет ряд сложностей, её невозможно выполнить традиционными способами. Необходима прорывная технология, позволяющая получать материалы с качественно новыми свойствами, и она была разработана в ИСЭ СО РАН, ученые которого создали уникальную электронно-пучковую машину «РИТМ-СП».
— Научным коллективом института были созданы технологии формирования поверхностных сплавов — нового типа покрытий, отличающихся высочайшим уровнем адгезии (то есть сцепления разнородных сред) к подложке. Электронный пучок плавит пленку и тонкий слойпоследней, происходит их перемешивание, размывание границы, и, в конечном итоге, они становятся одним целым, — рассказывает Алексей Марков, главный ученый секретарь ТНЦ СО РАН. — С помощью этого способа 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 используются при нанесении защитных и антикоррозийных покрытий в промышленности, для формирования приповерхностных слоев с высоким уровнем проводимости для СВЧ-электроники. Принципиально важно, что технология может найти свое применение и в медицине.
Задачу, которую предстоит решить в ходе выполнения проекта, нельзя назвать легкой и типичной: ведь предстоит 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 создать продукт с ювелирно облагороженной поверхностью, обладающий стерильностью. После этого можно будет приступить к экспериментам, которые ответят на главный вопрос: как полученные прототипы медицинских изделий взаимодействуют с живыми тканями?
Шаг третий
Испытание изделий будет проводиться в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Опыты, целью которых является выявление биосовместимости поверхности сплавов, будут осуществляться на стволовых клетках — наиболее чувствительных к внешним воздействиям. Результаты окажутся положительными в том случае, если они приживутся на поверхности прототипа изделия. Также в ходе выполнения гранта на базе этого научного учреждения планируется осуществить и ряд других экспериментов, например, по тромборезистентности на взаимодействие с кровью.
Благодаря своим свойствам этот материал просто незаменим в самых разных областях медицины — в ортопедии, ортодонтии, сердечно-сосудистой хирургии. Однако здесь есть одно «но»… Никель, составляющий 50 процентов сплава — токсичный металл, и его большая концентрация может нанести серьезный урон здоровью человека. Как защитить ткани организма от вредного воздействия на весь срок службы имплантатов? Ведь в современных биосовместимых имплантатах нуждаются сотни тысяч людей.
Наиболее эффективные решения сложных проблем часто рождаются на стыке нескольких научных направлений. Яркое подтверждение этому — междисциплинарный проект, поддержанный РНФ, в реализации которого участвуют сразу три научных института — Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН и Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
За последние 20 лет в мире было установлено более 10 миллионов кардиологических стентов, среднеевропейской нормой является 1000–1300 на 1 миллион жителей! Ежегодно в мире выполняется около полутора миллионов операций эндопротезирования тазобедренных суставов. В США с населением 250 миллионов человек их проводится около 500 тысяч; в Германии с населением 80 миллионов — 180; в Австралии, где проживает 22 миллиона человек, — 34… В России с численностью населения в 142 миллиона человек совершается лишь 30–35 тысяч таких операций в год, а реальная потребность составляет около 300 тысяч. Такое несоответствие объясняется высокой стоимостью медицинских изделий, а также отсутствием отечественных импортозамещающих технологий. Для того, чтобы его преодолеть, необходимо совершить три шага.
Шаг первый
Необходим мощный научный задел. В ИФПМ СО РАН на протяжении двадцати лет ведутся фундаментальные исследования в области медицинского материаловедения, получен ряд значимых результатов, прежде всего, разработаны многослойные функциональные покрытия.
— Многие имплантаты устанавливаются эндоскопически, поэтому они должны быть гибкими и сохранять исходную форму, — рассказывает руководитель проекта Людмила Мейснер, профессор, главный научный сотрудник ИФПМ СО РАН. — Например, имплантаты для периферических сосудов, располагающиеся под коленом, испытывают колоссальные нагрузки! Создать их в настоящее время возможно из трех видов материалов — сплава кобальт-титан-молибден, медицинской стали определенных марок и никелида титана. В сталях содержится около 30 процентов никеля, они сильно подвержены коррозии. Кобальт и хром являются тяжелыми элементами, активно влияющими на процессы метаболизма. Задача материаловедов — сделать поверхностные слои, которые выполнят функцию защитного барьера. При этом они обязательно должны обладать теми же свойствами эластичности.
Учеными предложены альтернативные комбинации на основе титана, но без персоны «нон грата» в медицине — токсичного никеля. Ими стали титан-тантал и титан-ниобий, которые при температуре человеческого тела наделены высокой (резиноподобной) эластичностью и хорошей биомеханической адаптивностью. В этом и заключается «ноу-хау» проекта — формирование на поверхности имплантата из никелида титана тонкого (толщиной не более 2 микрон) слоя сплава с функциональными свойствами, подобными свойствам основного материала, но не содержащего никель.
Шаг второй
Однако вышеописанная задача имеет ряд сложностей, её невозможно выполнить традиционными способами. Необходима прорывная технология, позволяющая получать материалы с качественно новыми свойствами, и она была разработана в ИСЭ СО РАН, ученые которого создали уникальную электронно-пучковую машину «РИТМ-СП».
— Научным коллективом института были созданы технологии формирования поверхностных сплавов — нового типа покрытий, отличающихся высочайшим уровнем адгезии (то есть сцепления разнородных сред) к подложке. Электронный пучок плавит пленку и тонкий слойпоследней, происходит их перемешивание, размывание границы, и, в конечном итоге, они становятся одним целым, — рассказывает Алексей Марков, главный ученый секретарь ТНЦ СО РАН. — С помощью этого способа 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 используются при нанесении защитных и антикоррозийных покрытий в промышленности, для формирования приповерхностных слоев с высоким уровнем проводимости для СВЧ-электроники. Принципиально важно, что технология может найти свое применение и в медицине.
Задачу, которую предстоит решить в ходе выполнения проекта, нельзя назвать легкой и типичной: ведь предстоит 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 создать продукт с ювелирно облагороженной поверхностью, обладающий стерильностью. После этого можно будет приступить к экспериментам, которые ответят на главный вопрос: как полученные прототипы медицинских изделий взаимодействуют с живыми тканями?
Шаг третий
Испытание изделий будет проводиться в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Опыты, целью которых является выявление биосовместимости поверхности сплавов, будут осуществляться на стволовых клетках — наиболее чувствительных к внешним воздействиям. Результаты окажутся положительными в том случае, если они приживутся на поверхности прототипа изделия. Также в ходе выполнения гранта на базе этого научного учреждения планируется осуществить и ряд других экспериментов, например, по тромборезистентности на взаимодействие с кровью.
Оригинал статьи:
Автор: Ольга Булгакова, "Наука в Сибири", издание Сибирского отделения РАН
Фото: wikimedia.org (2), ИФПМ СО РАН (3)
Автор: Ольга Булгакова, "Наука в Сибири", издание Сибирского отделения РАН
Фото: wikimedia.org (2), ИФПМ СО РАН (3)
Комментарии читателей
