Фтороводород как регулятор скорости, надёжности и чистоты
В Тольяттинском государственном университете (ТГУ) нашли способ в 6 раз снизить скорость резорбции магниевых сплавов для изготовления медицинских имплантатов и сделать их более стойкими. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Metals.
Магниевые сплавы, способные растворяться в организме человека (биорезорбируемые), сейчас представляют большой интерес для имплантологов, так как не требуют повторных операций по их извлечению.
– Но проблема всех биорезорбируемых магниевых сплавов в том, что они слишком быстро растворяются, и регулировать эту скорость достаточно сложно. А нам необходимо это делать, так как есть разные задачи, под которые эти сплавы используются, – говорит начальник лаборатории «Прецизионная микроскопия» научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ Евгений Мерсон. – Например, одно дело, когда винт вкручен в кость, и совсем другое, когда это пластина, контактирующая с мягкими тканями. Скорость растворения у них будет разной, потому что в кости практически нет циркуляции жидкости, там только ионный обмен, а в мягких тканях циркуляция происходит более интенсивно, и среда более агрессивная. Поэтому весь мир сейчас работает над тем, чтобы научиться управлять скоростью растворения магниевых имплантатов.
Подходы используются разные: меняется химический состав, варьируется микроструктура, применяются различные поверхностные обработки, например, нанесение защитных покрытий. Исследователи НИИПТ ТГУ решили подвергнуть магниевый сплав обработке плавиковой кислотой (водный раствор фтороводородной кислоты, HF) и получили тройной положительный эффект.
– Мы обнаружили, что на поверхности образцов после токарной обработки остаются различные загрязнения, например, частицы резца, которые ускоряют коррозию. Ускоряют её и частицы вторичных фаз. Что это значит? Например, наш сплав состоит из магния, цинка и кальция. Альфа-фаза – это кристаллическая решетка магния, в которую встроены атомы цинка и кальция. А есть ещё частицы вторичных фаз, которые имеют иной химический состав и, как правило, более положительный электродный потенциал по сравнению с альфа-матрицей. Таким образом, находясь в электропроводной среде, например, в любом водно-солевом растворе, включая плазму крови человека, они создают гальваническую пару и способны увеличить скорость растворения альфа-фазы. Плавиковая кислота растворяет и частицы металлов резца, и частицы вторичных фаз, замедляя таким образом скорость коррозии магниевого сплава, – отметил Евгений Мерсон.
Он напомнил, что в ТГУ готовится к запуску производство биорезорбируемых имплантатов из магния, производить их будут на токарных станках с применением резцов, которые неизбежно оставят на поверхности изделий частички стали.
– Наш способ технологичен, он позволяет обработать большое количество изделий за один раз. Нарезали винтов, подержали их 15 минут в ванне с кислотой – всё. Они обработаны, на них нет загрязнений, скорость коррозии снижена, – подчеркнул учёный.
Кроме того, при взаимодействии магния с фтороводородом на поверхности образца возникает тонкий слой фторида магния, плёнка, которая плохо растворима в водных соленых растворах.
– Эта плёнка защищает магний при контакте с водой или с той же плазмой крови человека и, соответственно, замедляет скорость растворения самого сплава. Таким образом получаем тройной эффект: растворение частиц «загрязнений» поверхности, растворение частиц вторичных фаз и образование фторидной плёнки – всё это в комплексе даёт нужное нам улучшение коррозионных свойств, – говорит Евгений Мерсон. – Конечно, похожие работы были, но особенность конкретно нашего исследования в том, что для сплавов системы легированияMg-Zn-Ca эти эффекты показаны не были.
Кроме того, материаловеды ТГУ исследовали влияние обработки сплава плавиковой кислотой на так называемое коррозионное растрескивание под напряжением.
– Пластины и винты, с помощью которых фиксируют сломанные кости, находятся под постоянной или циклической нагрузкой, например, по причине того, что человек двигается, ходит, жуёт и т.д. А одновременное воздействие на металл агрессивной среды и механического напряжения создает благоприятные условия для развития явления, называемого «коррозионным растрескиванием под напряжением». Опасно оно тем, что способно вызвать преждевременное разрушение установленного в организме имплантата даже задолго до начала его заметного растворения, и тогда понадобится повторная операция, – объясняет Евгений Мерсон.
Оказалось, что обработка в плавиковой кислоте не только уменьшает скорость растворения, но и повышает стойкость сплава к коррозионному растрескиванию под напряжением. К тому же, для организма человека она тоже совершенно безвредна, что было подтверждено тестами in vitro в центре медицинской химии Тольяттинского госуниверситета.
– Мы поместили обработанный плавиковой кислотой сплав в агрессивную среду, схожую по свойствам с лимфой крови человека, выдержали там, и продукты того, что перешло в эту среду из сплава, использовали для воздействия на клетки. Выяснилось, что никакого цитотоксического влияния эти продукты на клетки не оказывают, а значит обработка сплава фтороводородом не приведёт к каким-то фатальным последствиям для человека, – рассказал директор центра медхимии ТГУ Александр Бунев.
Статья, подготовленная учёными Тольяттинского госуниверситета, была опубликована как приглашённая в журнале Metals Многопрофильного цифрового издательского института (MDPI). Это высокорейтинговый рецензируемый журнал по материаловедению и инженерии (уровень Q2) с открытым доступом, базирующийся в Базеле (Швейцария).
