Изображения алюмосиликатных нанотрубок (слева) и поверхности сформированных покрытий (справа): керамикоподобного покрытия (1) и гибридного покрытия, содержащего полимерный слой с нанотрубками, пропитанными ингибитором коррозии (2).
© Андрей Гнеденков
Ученые разработали покрытие, замедляющее коррозию магниевых сплавов. Оно состоит из керамикоподобного слоя, на который дополнительно нанесли полимер, смешанный с минеральными (алюмосиликатными) нанотрубками. Авторы заполнили нанотрубки веществом-ингибитором коррозии и показали, что такой состав в десятки раз повышает устойчивость материала к разрушению. Поскольку магниевые сплавы используются для создания биоразлагаемых имплантатов, разработанное покрытие потенциально продлит срок службы медицинских изделий до момента полного восстановления костей пациентов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.
Имплантаты на основе магниевых сплавов широко используются в медицине для временного скрепления сломанных костей. По механическим свойствам такие материалы близки к костной ткани человека, также они способны постепенно растворяться и выделять ионы магния — микроэлемента, необходимого для человеческого организма. Кроме того, в отличие от традиционных металлических имплантатов, изделия на основе магния не нужно хирургически удалять, что позволяет пациентам избежать дополнительных операций.
Однако такие имплантаты отличаются быстрой коррозией — они легко окисляются и разрушаются при помещении в живой организм. Преждевременный распад имплантата может помешать заживлению кости. Кроме того, при коррозии магниевого сплава выделяется водород, который иногда наносит вред окружающим имплантат тканям. При этом период полного восстановления костной ткани составляет 14–17 недель. Поэтому ученые стремятся создать защитные покрытия такого химического состава, который обеспечит контролируемое растворение имплантата, но сохранит его целостность в течение периода заживления кости.
Исследователи из Института химии ДВО РАН (Владивосток) и Университета Бу-Али Сина (Иран) предложили новое защитное покрытие, позволяющее уменьшить коррозию магниевых имплантатов. Сначала ученые погрузили пластинки из магниевого сплава в раствор с силикатом и фторидом натрия и с использованием плазменного электролитического оксидирования получили керамикоподобное покрытие. Оно стало основой для последующей модификации поверхности сплава.
Так, авторы приготовили раствор бензотриазола — органического биосовместимого ингибитора коррозии цветных металлов — и добавили в него нанотрубки глинистого минерала (галлуазита) с различным внутренним диаметром свободного пространства (10–17 нанометров). Спустя сутки перемешивания полученной смеси ученые обработали ее ультразвуком и поместили в вакуум. В результате такой процедуры ингибитор заполнил внутренний объем минеральных нанотрубок. В завершение исследователи смешали нанотрубки с биорастворяющимся полимером и погрузили в эту смесь магниевые пластинки с покрытием.
Авторы получили несколько типов образцов: пластинки без покрытия, образцы только с керамикоподобным покрытием, изделия с покрытием и нанотрубками без ингибитора и, наконец, пластинки с покрытием и нанотрубками различного внутреннего диаметра, заполненными ингибитором.
Затем исследователи сравнили, насколько эффективно разные покрытия защищают сплав от коррозии. Для этого пластинки на час поместили в раствор солей, имитирующий внеклеточную жидкость организма. Оказалось, что образцы с нанотрубками, заполненными ингибитором, были в 33–79 раз более устойчивыми к коррозии по сравнению с образцами без какой-либо обработки и в 5–12 раз устойчивее, чем образцы с керамикоподобным покрытием. При этом после 23 часов выдержки образцов в солевом растворе оказалось, что коррозионная устойчивость образцов, содержащих нанотрубки с большим внутренним диаметром, была в 2,6 раза выше, чем у пластинок с нанотрубками меньшего диаметра, вмещающими в себя меньше ингибитора.
Кроме того, авторы оценили, как быстро образцы разрушаются в условиях, имитирующих организм человека. Для этого ученые определяли массу образцов, которая терялась в течение семидневного погружения в раствор, и на основе этих данных рассчитывали скорость коррозии. Скорость растворения пластинок с покрытием, содержащем нанотрубки с ингибитором, составила 0,021 миллиметра в год, что было в 4,8 раза меньше показателей образца с керамикоподобным покрытием. При этом у пластинок с покрытием, включающим нанотрубки большего внутреннего диаметра, отсутствовали видимые участки коррозии. Таким образом, разработанные гибридные покрытия, содержащие алюмосиликатные нанотрубки с ингибитором, погруженные в матрицу из биоразлагаемого полимера, потенциально найдут широкое применение в медицине.
«Разработанная методика позволит модифицировать поверхность магниевых сплавов и повысить их коррозионную стойкость. Помимо медицины, наша разработка потенциально будет актуальна в автомобиле- и авиастроении, а также в электронике при создании устойчивых к коррозии конструкций. В дальнейшем мы планируем провести доклинические и клинические испытания имплантатов из магниевых сплавов с таким видом покрытий. Мы стремимся подтвердить, что данный материал можно безопасно использовать в хирургической практике. В настоящее время мы разрабатываем способы формирования биосовместимых гибридных покрытий. Мы хотим получить контролируемую коррозионную деградацию биоразлагаемого материала и преодолеть таким образом существующие ограничения для клинического применения магниевых имплантатов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Гнеденков, доктор химических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник, заведующий молодежной лабораторией электрохимических сканирующих и синхротронных методов исследования гетерогенных и гибридных материалов Института химии ДВО РАН.
Источник: indicator.ru
