Живой металл: как 3D-печать научилась создавать импланты, исчезающие без следа

В лабораториях НИТУ МИСИС, МФТИ и Института физики прочности и материаловедения СО РАН разработали способ, который способен изменить будущее хирургической имплантации.

Учёные предложили метод обработки магниевых сплавов, благодаря которому импланты не только сохраняют форму дольше, но и растворяются в организме предсказуемо и безопасно.

Исследование, о котором сообщил Минобрнауки России, касается материалов нового поколения — биорезорбируемых конструкций, исчезающих после выполнения своей функции.

Материал, который "работает" внутри организма

Обычные металлические импланты из титана или стали остаются в теле навсегда, если их не удаляют хирургически. Для пациента это означает повторную операцию, риск инфекции и дополнительное восстановление.

Магний в этом смысле выглядит привлекательнее: он биосовместим, лёгок и способен растворяться по мере заживления кости. Но именно этот процесс растворения и становился проблемой — сплавы разрушались слишком быстро.

Исследователи МИСИС нашли способ стабилизировать этот процесс, применив к 3D-печатным магниевым деталям особую термообработку. Они выяснили, что скорость коррозии напрямую связана с внутренними механическими напряжениями, возникающими во время печати. Чем ниже эти напряжения, тем стабильнее поведение материала в организме.

"Мы впервые в России продемонстрировали, что на долговечность образца из магниевого сплава, напечатанного на 3D-принтере, решающим образом влияет 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.

Как 3D-печать меняет медицину

Использование аддитивных технологий позволяет создавать импланты, идеально повторяющие анатомическую форму кости конкретного пациента. Это особенно важно при сложных травмах, где требуется индивидуальная геометрия. Новый подход учёных дополнил эту технологию управлением растворением материала.

При изготовлении сплава WE43 учёные применили лазерную плавку порошка. После печати образцы подвергли двухэтапной термообработке: нагрев до 525 °C на протяжении 4 часов, затем выдержка при 200 °C. Этот режим позволил снизить внутренние напряжения и повысить коррозионную стойкость, сохранив прочность.

Почему раньше это было невозможно? 3D-печать формирует в материале микродефекты и пористость, которые ускоряют коррозию. Контроль объёмной плотности лазерной энергии помогает уменьшить количество дефектов, а термообработка стабилизирует структуру кристаллической решётки. Результат — равномерное растворение и предсказуемое поведение импланта в теле.

Контраст с традиционными материалами

Если титан и сталь обеспечивают долговечность, то магний даёт телу шанс на естественное восстановление без "посторонних предметов" внутри. Но где граница между прочностью и безопасным растворением? Новый метод МИСИС приближает медицину к этой точке баланса.

Сравнение показывает:

• стальные импланты долговечны, но требуют удаления;
• титановые устойчивы, но плохо адаптируются к тканям;
• магниевые — биосовместимы, но ранее быстро разрушались.

Теперь, благодаря контролю термообработки и параметров печати, магниевые детали приближаются по прочности к титановым, сохраняя главное преимущество — способность рассасываться после восстановления кости.

А что если имплант растворится слишком рано? Тогда костная ткань потеряет поддержку, и процесс заживления прервётся. Чтобы этого не произошло, исследователи добились равномерного распределения внутреннего напряжения по всему объёму детали — это делает коррозию постепенной, без внезапных разрушений.

Работа с биорезорбируемыми сплавами требует точности не только в лаборатории, но и в хирургии. Чтобы новая технология работала без сбоев, важно соблюдать несколько принципов:

1. Подбирать форму и толщину импланта индивидуально по 3D-модели кости.
2. Применять контролируемую термообработку, аналогичную режиму МИСИС (525 °C + 200 °C).
3. Проверять уровень остаточного напряжения перед имплантацией.
4. Использовать стерильное покрытие, замедляющее начальную коррозию.
5. Проводить постоперационное наблюдение с мониторингом растворения.

Такая последовательность делает возможным переход к "умным" медицинским материалам, которые не требуют удаления и подстраиваются под темп регенерации организма.