Металл, который чувствует кость: в России нашли способ сделать операции без повторов

Когда человек ломает кость, хирурги часто вынуждены вставлять металлические пластины, винты и стержни, чтобы обеспечить сращение. Проблема в том, что спустя несколько месяцев эти конструкции приходится удалять, подвергая пациента повторной операции. Российские учёные предложили иной путь: создать имплантаты, которые растворяются в организме именно тогда, когда они уже не нужны.

Магний вместо титана

Исследователи из НИТУ МИСИС, МФТИ и Института физики прочности и материаловедения СО РАН нашли способ продлить "жизнь" биорастворимых магниевых имплантатов. Об этом сообщило Минобрнауки России. Материалом стал сплав WE43 — комбинация магния с редкоземельными элементами.

Традиционные имплантаты из титана или стали прочны, но остаются в теле навсегда. Магниевые аналоги похожи по механическим свойствам на кость и способны постепенно растворяться. Однако без обработки они слишком быстро теряют форму. Как пояснил заведующий лабораторией аддитивного производства НИТУ МИСИС, PhD Станислав Чернышихин, основной недостаток таких сплавов — низкая коррозионная стойкость.

"Имплантат начинает растворяться ещё до того, как кость полностью восстанавливается, и это может привести к осложнениям и повторной операции", — отметил Чернышихин.

Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали термообработку — процесс контролируемого нагрева и охлаждения, изменяющий структуру металла. Это позволило выровнять внутренние напряжения и сделать растворение равномерным.

Почему магний, а не другие металлы? Потому что он лёгкий, биосовместимый и не нарушает обмен кальция. Но магний быстро реагирует с жидкой средой организма, образуя пузырьки водорода. Термообработка помогает сдержать этот процесс.

3D-печать и контроль микроструктуры

Команда применила технологию 3D-печати металлов, позволяющую создавать детали сложной формы. В обычных сплавах после печати остаются поры и микродефекты, из-за которых материал разрушается быстрее. Учёные выяснили, что ключевую роль играет уровень остаточных механических напряжений.

"Чем он ниже, тем более сбалансированные коррозионные и механические свойства мы получим", — пояснила научный сотрудник лаборатории аддитивного производства НИТУ МИСИС Вероника Утяганова.

Она уточнила, что регулировать напряжения можно заданными режимами термообработки и плотностью лазерной энергии при печати. Это позволило снизить количество микродефектов и повысить однородность структуры.

В результате новый образец растворялся до 1,5 раз медленнее, чем без обработки. Это значит, что имплантат сохраняет прочность ровно столько, сколько нужно для полного заживления кости.

Как это выглядит на практике? Если пациенту фиксируют перелом пластиною из нового сплава, к моменту восстановления она постепенно исчезает. Повторное вмешательство не требуется.

Что меняет новая технология

Равномерное растворение важно не только для прочности. Когда металл растворяется кусками, на его границах образуются микропустоты, в которых могут развиваться воспаления. Новая структура снижает этот риск.

Что произойдёт, если сплав растворится слишком быстро? Кость потеряет опору, и может возникнуть повторный перелом. Если же слишком медленно — материал перестанет быть биосовместимым. Баланс достигается подбором параметров нагрева, охлаждения и длительности выдержки при разных температурах.

Сейчас мировые лаборатории экспериментируют с разными вариантами магниевых сплавов. Китайские инженеры, например, добавляют цинк и кальций, чтобы улучшить биосовместимость, а немецкие — применяют покрытия на основе фосфатов. Российская команда делает ставку на внутренние изменения структуры, а не на внешние слои — подход, который может оказаться устойчивее в долгосрочной перспективе.

Как создаётся такой имплантат

Процесс выглядит пошагово:

1. Разрабатывается цифровая 3D-модель имплантата, адаптированная под форму повреждённой кости.

2. Из порошка магниевого сплава WE43 печатается заготовка на установке с лазерным сплавлением.

3. Заготовка подвергается термообработке: нагрев, выдержка, контролируемое охлаждение.

4. Полученный образец тестируют на растворение в физиологической среде и на механическую прочность.

5. Подбирается режим, при котором сплав растворяется синхронно с процессом регенерации кости.

Можно ли масштабировать такую технологию? Да, но потребуется адаптация под серийное производство и биомедицинскую сертификацию. В России уже развиваются линии для 3D-печати титановых протезов, и внедрение магниевых — следующий шаг.

Ошибки прошлого и новые ориентиры

Попытки внедрить растворимые имплантаты предпринимались и раньше. Основная ошибка заключалась в использовании неустойчивых сплавов или слишком тонких покрытий. Они теряли целостность задолго до заживления тканей. Следствием становились воспаления и необходимость срочного удаления.

Новый подход устраняет эти риски. Термообработка позволяет управлять микроструктурой самого материала, а не полагаться на поверхностную защиту. Это принципиальный сдвиг, сравнимый с переходом от одноразовых винтов к "умным" конструкциям, адаптирующимся к биохимии организма.

А что если технология выйдет за рамки ортопедии? Тогда её можно будет использовать для временных сосудистых стентов, фиксаторов челюсти или даже для восстановительных операций в челюстно-лицевой хирургии. Главное — точно прогнозировать скорость растворения.

Перспективы исследований

Работа опубликована в международном журнале Materials Characterization, что подтверждает признание результата в научном сообществе. По данным Минобрнауки, следующие шаги включают доклинические испытания на животных, а затем — клинические тесты.

Если технология подтвердит безопасность и стабильность, Россия сможет занять заметную нишу в мировом производстве биорезорбируемых имплантатов. На фоне старения населения и роста травматизма такие решения становятся особенно востребованными.

Почему это важно для пациента? Потому что одно вмешательство вместо двух — это меньше боли, рисков и затрат. А для врачей — возможность сократить нагрузку на операционные и улучшить исход лечения.