Как ускорить заживление после установки титановых имплантов
Современная челюстно-лицевая хирургия нуждается в миниатюрных, но очень прочных имплантах, которые не отторгаются организмом и быстро срастаются с костью. Основной материал для таких конструкций — титан, который хорошо приживается, однако для повышенных нагрузок недостаточно прочен, к тому же его трудно обрабатывать: он быстро изнашивает инструмент и требует точного подбора режимов для качественной обработки. Ученые ПНИПУ впервые в России изучили, как обрабатывать нанотитан, чтобы получить идеальную поверхность для срастания с костью. Они подобрали режимы обработки, при которых шероховатость поверхности снижается вдвое, а прочность вырастает в 2,5 раза. Доля костной ткани в зоне контакта достигает 74–76% — это выше, чем у стандартных имплантов. Разработка позволит выпускать более надежные отечественные конструкции, которые быстрее приживаются, реже вызывают осложнения, а за счет меньших размеров операция становится менее травматичной.
Статья опубликована в журнале «Станкоинструмент».
Еще в Древнем Египте люди пытались восстанавливать утраченные зубы: археологи находили мумии, где искусственные конструкции крепились золотой проволокой. Римские легионеры вставляли железные импланты, китайцы использовали бамбуковые штифты, а индейцы майя вживляли в челюсти кусочки раковин. В XVI веке европейские хирурги пробовали пересаживать зубы от человека человеку. В разное время материалами для имплантов были и драгоценные камни, и дерево, и кости животных, и фарфор. Но все эти методы ограничивались тем, что организм отторгал чужеродный материал, начиналось воспаление, и конструкции не приживались.
В 1952 году шведский ученый П. Бранемарк в ходе эксперимента закрепил на бедре кролика титановую камеру и наблюдал под микроскопом, как движутся клетки крови. Через несколько месяцев врач обнаружил, что титан и живая ткань стали единым целым и разделить их не получается. Так открыли остеоинтеграцию: способность кости срастаться с поверхностью импланта.
Титан оказался идеальным материалом для этого. Это серебристо-белый металл, почти вдвое легче стали, но при этом выдерживающий колоссальные нагрузки. Он не ржавеет и не растворяется в организме. В 1965 году человеку впервые установили титановый имплант. Сегодня из него делают более 92% всех зубных имплантов и подавляющее большинство костных конструкций — от челюстных пластин до тазобедренных суставов.
Чистый титан хорошо приживается в организме, но он достаточно мягкий и по прочности уступает титановым сплавам. Для зон с высокими жевательными нагрузками это может быть критично: конструкция из такого материала рискует не выдержать и сломаться. Сплавы тверже, но содержат добавки других металлов — например, алюминия или ванадия. Эти элементы способны вызывать аллергические реакции и воспаление в окружающих тканях.
Чтобы сделать чистый титан прочнее, можно не добавлять посторонние металлы, а изменить структуру самого материала и максимально измельчить его зерна. Это новый подход, который позволяет сохранить химическую чистоту титана и значительно увеличить твердость. Правда, такие наноструктурированные материалы пока еще недостаточно изучены, чтобы использовать их повсеместно. К тому же такой высокопрочный металл сложнее обрабатывать, а от качества его поверхности напрямую зависит, как быстро имплант срастется с костью.
Ученые Пермского Политеха впервые в России выяснили, как создать нанотитан, чтобы кость врастала в него быстрее. Они нашли режимы обработки, при которых шероховатость поверхности снижается вдвое. Это принципиально важно, потому что именно от микрорельефа зависит, смогут ли костные клетки закрепиться на импланте. Даже наноразмерные изменения способны либо запустить рост новой ткани, либо замедлить его.
— Для сравнительных исследований мы взяли обычные титановые образцы диаметром 5 мм с размером зерен около 5 микрометров и образцы материала, изготовленного совместно с учеными Уфимского университета науки и инноваций, и изготовили образцы из нанотитана. Для этого заготовки несколько раз продавливали через специальную установку с изгибом под высоким давлением. В результате многократной обработки зерна металла ломались и измельчались: их размер уменьшился более чем в 40 раз — с 5 микрометров до 120 нанометров, — поясняет Михаил Песин, декан механико-технологического факультета ПНИПУ, доктор технических наук.
Заготовки создавали на станке, а после исследователи измеряли шероховатость поверхности и рассматривали образцы под микроскопом. Смотрели, есть ли дефекты, насколько равномерно идет обработка, как ведет себя нанотитан по сравнению с обычным. Это было нужно, чтобы понять, при каких режимах получается рациональный микрорельеф, на который потом будут крепиться костные клетки.
— Мы подобрали оптимальные настройки для обработки нанотитана: скорость 25,4 м/мин, подачу 0,06 мм/об и глубину резания 0,3 мм. Благодаря этому его шероховатость была в 2 раза меньше, чем у обычного титана при тех же параметрах. Микротвердость выросла в 1,2 раза, а прочность на растяжение стала в 2,5 раза выше, чем у исходного материала. Поверхность нанотитана получилась ровной и гладкой, без дефектов и микротрещин. Мелкое зерно позволяет материалу деформироваться равномернее, без локальных разрушений. Стружка после его обработки оказалась мельче, это способствует меньшему налипанию металла на режущий инструмент, из-за чего он меньше изнашивается, а обработка идет стабильнее, то есть повышается его обрабатываемость, — дополняет Михаил Песин.
Испытания in vivo (на живых организмах) подтвердили безопасность нанотитана, созданного по подобранным режимам: материал не вызывает аллергии или воспалений. Костная ткань нарастает на нем активно: ее доля в зоне контакта достигает 74–76%. Для сравнения: у большинства стандартных имплантов этот показатель обычно не превышает 65–70%. При этом соединительной ткани, мешающей приживлению, вокруг нанотитана оказалось всего 2–3%. Чем меньше такой прослойки, тем прочнее имплант срастается с костью — именно прямой контакт считается главной целью остеоинтеграции.
Разработанные режимы обработки нанотитана уже готовы к внедрению в производство стоматологических и челюстно-лицевых имплантов. Новая технология позволит создавать более качественные изделия: оптимальная шероховатость ускоряет приживление, а высокая прочность (в 2,5 раза выше обычного) позволяет делать конструкции миниатюрнее и надежнее. В результате операции станут менее травматичными за счет миниатюрных имплантов, а пациенты смогут восстановиться быстрее и реже сталкиваться с осложнениями. Это системное решение важной задачи импортозамещения — от создания высокопрочного материала до готовой технологии выпуска безопасных и надежных отечественных имплантов для медицины.
Источник: Пресс –служба ПНИПУ