Будущее имплантатов уже наступило

главное – выбор правильного металла для их печати

Представьте себе мир, в котором искусственные суставы и костнозамещающие материалы идеально подходят вашему телу, (если уж ваше тело не может без них по какой-то причине). Такие «чужеродные» элементы изготавливаются из нейтральных для организма материалов, а сложные конструкции стремятся облегчить и обеспечить наилучшее послеоперационное выздоровление, а также возвращение к полноценной и активной жизни. Все это вполне достижимо уже сегодня с помощью 3D-печати металлом (керамика и полимеры также хороши в этом) и ряда технологий, которые готовы произвести революцию в медицинской сфере. Но решающее значение для успеха этих передовых имплантатов имеет выбор правильного металлического сплава, который должен обеспечить изделию малый вес, высокую прочность, биосовместимость, коррозионную стойкость и т.п. Более того, имплантат должен быть функционален в течении заданного срока службы даже под воздействием усталостных, абразивных, коррозионных и ударных нагрузок.

Рассмотрим наиболее часто используемые в этой области металлические сплавы, раскрыв их уникальные свойства, преимущества и ограничения.

Титановые сплавы: прочность и биосовместимость превыше всего

Титан и его сплавы долгое время были практически безальтернативным выбором для биомедицинских имплантатов, заслужив репутацию благодаря своей замечательной биосовместимости, впечатляющей коррозионной стойкости и надежным механическим свойствам. Это во многом объясняется образованием на их поверхности плотного слоя диоксида титана (TiO₂), который действует как защитный экран от коррозии и способствует гармоничной интеграции с живыми тканями, не влияя на рост костей. Среди титанового семейства Ti6Al4V (Ti-6Al-4VELI, ВТ6) выделяется как рабочая лошадка, обеспечивая баланс между прочностью и пластичностью, сродство с костями, эпителием и тканями человека.

Однако даже у титана есть своя ахиллесова пята: ввиду высокого модуля упругости он забирает на себя большую часть нагрузки, оставляя кость не полностью включенной в рабочий процесс и от этого подверженной ослаблению со временем. Чтобы бороться с этим, исследователи изучают альтернативные титановые сплавы и инновационные стратегии проектирования:

• Сплавы Ti-Ta и Ti-Nb (Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb1-13Zr), имеющие более низкие модули упругости и лучше соответствующие жесткости костей.
• Пористые титановые структуры, искусно изготовленные с использованием таких технологий, как <#link#LB-PBF/SLM#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fam.tech%2Fproduct%2Fslm-3d-printeri%2F#> и <#link#EB-PBF/EBM#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fam.tech%2Fproduct%2FEBM-3D-print%2F#>, могут дополнительно повысить жесткость имплантата, способствуя врастанию кости и созданию более прочного соединения.

Рис. Титановый костный имплантат (Anotomics)

В настоящее время титан и титановые сплавы широко используются в искусственных костях, искусственных костных суставах, пластинах стопы суставов, фиксаторах сломанных костей, интрамедуллярных гвоздях, искусственных клапанах сердца и костях черепа.

Кобальт-хромовые сплавы: непревзойденная износостойкость для сложных условий эксплуатации

Когда дело доходит до сложных применений, где износ и разрыв являются постоянными спутниками, сплав кобальта и хрома, особенно Co-Cr-Mo, выходит на первый план благодаря своей непревзойденной износостойкости и твердости. К сожалению, кобальт и хром ядовиты для человеческого организма, поэтому их используют исключительно в виде сплавов с другими металлами, устраняющими проблему вреда для организма. Сплав Co-Cr-Mo является идеальным для зубных имплантатов, искусственных суставов и других изделий, при эксплуатации которых трение и высокие напряжения являются нормой. Секрет его успеха заключается в уникальном сочетании химических элементов:

• Хром образует защитный оксидный слой, защищающий имплантат от коррозионного воздействия организма.
• Молибден придает прочность и дополнительно повышает коррозионную стойкость, обеспечивая долговечность и надежность.

Однако исключительная прочность сплава Co-Cr-Mo может быть и палкой о двух концах. Как и у Ti6Al4V, его высокий модуль упругости может забирать на себя нагрузку. Чтобы решить эту проблему, инженеры обращаются к инновационным конструкторским решениям:

• Функциональные градиентные пористые структуры с различными размерами и плотностью пор могут помочь распределить напряжения более равномерно, снижая нагрузку на кость.
• Покрытия и обработка поверхности могут улучшить биосовместимость и способствовать остеоинтеграции кости, дополнительно улучшая эффективность имплантата.

Биоразлагаемые металлы: рассасывающиеся со временем имплантаты

Представьте себе имплантаты, которые как каркас поддерживают естественный процесс заживления организма (врастание в них тканей), а затем постепенно исчезают, оставляя после себя здоровую, регенерированную ткань. Это видение движет разработкой биоразлагаемых металлов, таких как сплавы магния и цинка, предлагая новый рубеж в ортопедических имплантатах:

• Магниевые сплавы выделяются своим впечатляющим соотношением прочности к весу, низкой плотностью и модулем Юнга, который очень похож на модуль кости. Однако есть проблема: они слишком быстро растворяются в организме. Исследователи усердно работают над стратегиями тонкой настройки скорости их распада, гарантируя, что они обеспечат адекватную поддержку, допуская при этом полную резорбцию.
• Цинковые сплавы обладают особой привлекательностью из-за жизненно важной роли цинка в метаболизме костей и его антибактериальных свойств. Ученые сосредоточены на улучшении их механических свойств и биосовместимости, прокладывая путь для их широкого использования в ортопедических имплантатах.

Новые сплавы: взгляд в будущее 3D-печати металлами

Мир металлических сплавов постоянно развивается, движимый поиском материалов, способных расширить границы производительности и биосовместимости. Помимо уже зарекомендовавших себя игроков, новые сплавы готовы сформировать будущее 3D-печати металла для биомедицинских имплантатов:

• Высокоэнтропийные сплавы, состоящие из смеси множества основных элементов, предлагают обширный композиционный ландшафт для тонкой настройки механических свойств и биосовместимости, открывая целый мир возможностей для создания индивидуальных решений в области имплантации.
• Композиты с металлической матрицей, сочетающие прочность металлов с уникальными свойствами керамического армирования, обеспечивают повышенную износостойкость и прочность, необходимую для имплантатов, способных выдержать испытание временем.

Будущее 3D-печати металлом в области биомедицины имеет огромный потенциал. Вот чем он обусловлен:

• Продолжающиеся исследования и разработка новых биосовместимых сплавов расширяют границы возможного.
• Достижения в области технологий АП позволяют создавать сложные конструкции имплантатов с точно контролируемыми микроструктурами, имитирующими сложность органических тканей.
• Оптимизация конструкций имплантатов, которые легко интегрируются с организмом, способствуя заживлению и восстановлению функций с минимальными нарушениями.

По мере развития этой области первостепенное значение будет иметь возможность выбора идеального металлического сплава для каждого конкретного применения. Понимая нюансы этих материалов, исследователи, врачи и инженеры могут использовать истинную силу 3D-печати металлами и сплавами, создавая новую эру персонализированных имплантатов, улучшающих жизнь пациентов, возвращая их к полноценной жизни.

Адаптированный <#link#источник#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.1088%2F2631-7990%2Fad88e3#>.