Большинство современных металлических биоматериалов жестче, чем кости человека, и использование их в качестве имплантатов приводит к атрофии кости – состоянию, при котором плотность кости уменьшается из-за разрушения костного вещества и структуры. При этом биоматериалы с повышенной гибкостью теряют износостойкость. Исследовательская группа разрешила эту проблему, создав биоматериал, который имитирует гибкость человеческих костей и обладает отличной износостойкостью. Он продемонстрировал огромную восстанавливаемую сверхэластическую деформацию до 17%, вдвое больше, чем у коммерческого титан-никелевого сплава.
Новый биоматериал на основе кобальт-хрома может быть использован для замены тазобедренного или коленного суставов и костных пластин, облегчая проблемы, связанные с обычными материалами для имплантатов.
В связи с ростом пожилого населения во всем мире возросла потребность в улучшенных биоматериалах, которые могут заменить или поддержать поврежденные кости. Для этой цели широко используются металлы благодаря их прочности и пластичности. Однако из-за их прочности их гибкость уменьшается.
Хотя сверхэластичные материалы из никель-титановых сплавов, которые обычно используются в стентах и ортодонтических дугах, сохраняют высокую гибкость и способность восстанавливаться после деформации, никель является аллергенным элементом. Сплавы, не содержащие никель, не воспроизводят сверхэластичность сплавов никель-титан, что делает их непрактичными.
Исследовательская группа, в которую вошли исследователи из Высшей инженерной школы Университета Тохоку и Института исследования материалов (IMR), Центра J-PARC, Японского агентства по атомной энергии и Чешской академии наук, сосредоточилась на уменьшении разрыва модуля Юнга между металлическими имплантатами и человеческими костями. Когда материал гибкий, он имеет низкий модуль Юнга. Когда он жесткий, он имеет высокий модуль Юнга.
Новый биоматериал на основе Co-Cr не только имеет низкий модуль Юнга (10-30 ГПа), подобный человеческим костям, но также обладает высокой износостойкостью, нарушая компромиссное соотношение в традиционных металлических биоматериалах.
«Поскольку модуль Юнга зависит от ориентации кристаллов, мы выращивали монокристаллы с определенной ориентацией кристаллв», сказал Сяо Сюй, автор-корреспондент и доцент Высшей инженерной школы Университета Тохоку.
С помощью метода циклической термообработки Сюй и его коллеги успешно получили большие монокристаллы размером в несколько сантиметров. Разработанный сплав Co-Cr-Al-Si (CCAS) продемонстрировал скорость восстановления деформации 17%, что вдвое больше, чем у коммерческих сплавов титан-никель с памятью формы. Кроме того, модуль Юнга CCAS был чрезвычайно низким, напоминая гибкость человеческих костей.
«Мы знали, что хром обладает сильной коррозионной стойкостью, но сверхэластичность, гибкость и значительная износостойкость материала на основе кобальт-хрома нас удивили», — добавил Сюй.
Двигаясь вперед, исследовательская группа надеется выяснить, почему их система CCAS достигла таких превосходных свойств. Это может привести к разработке материалов следующего поколения с еще лучшими свойствами.
Подробности исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials.
