Учёные из Института химии ДВО РАН (Владивосток) и Университета Бу-Али Сина (Иран) разработали покрытие, замедляющее коррозию магниевых сплавов. Новое покрытие состоит из керамикоподобного слоя с дополнительно нанесённым полимером, смешанным с минеральными (алюмосиликатными) нанотрубками. Исследователи заполнили нанотрубки веществом-ингибитором коррозии. Результаты работы показали, что такой состав в десятки раз повышает устойчивость материала к разрушению.

Как отмечают учёные, магниевые сплавы используются для создания биоразлагаемых имплантатов, и новое разработанное покрытие потенциально продлит срок службы медицинских изделий до момента полного восстановления костей пациентов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в Journal of Magnesium and Alloys.

Магниевые имплантаты используются в медицине для временного скрепления костей. Они близки по свойствам к костной ткани, растворяются и выделяют ионы магния, не требуют удаления, что исключает дополнительные операции. Имплантаты из магниевого сплава быстро корродируют, окисляются и разрушаются в организме, что мешает заживлению кости и выделяет вредный водород. Полное восстановление костной ткани занимает 14–17 недель. Учёные разрабатывают защитные покрытия для контролируемого растворения имплантата в период заживления.

Международная группа исследователей предложила новое защитное покрытие, позволяющее уменьшить коррозию магниевых имплантатов. Сначала учёные погрузили пластинки из магниевого сплава в раствор с силикатом и фторидом натрия, потом с использованием плазменного электролитического оксидирования получили керамикоподобное покрытие. Новое покрытие стало основой для последующей модификации поверхности сплава.

Авторы исследования приготовили раствор бензотриазола (органического биосовместимого ингибитора коррозии цветных металлов) и добавили в раствор нанотрубки глинистого минерала (галлуазита) с различным внутренним диаметром свободного пространства (10–17 нанометров). Через сутки перемешивания полученной смеси учёные обработали ультразвуком и поместили в вакуум. После этого ингибитор заполнил внутренний объём минеральных нанотрубок. Далее исследователи смешали нанотрубки с биорастворяющимся полимером и погрузили в смесь магниевые пластинки с покрытием.

Учёные получили несколько типов образцов:

• пластинки без покрытия, образцы только с керамикоподобным покрытием;

• изделия с покрытием и нанотрубками без ингибитора;

• пластинки с покрытием и нанотрубками различного внутреннего диаметра, заполненными ингибитором.

Исследователи сравнили, насколько эффективно разные покрытия защищают сплав от коррозии. Для чего пластинки на час поместили в раствор солей, имитирующий внеклеточную жидкость организма. 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. 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.

Международная группа исследователей оценила, как быстро образцы разрушаются в условиях, имитирующих организм человека. Для этого определяли массу образцов, теряющуюся в течение семидневного погружения в раствор, и на основе полученных данных рассчитали скорость коррозии. Скорость растворения пластинок с покрытием, содержащим нанотрубки с ингибитором, составила 0,021 миллиметра в год, что было в 4,8 раза меньше показателей образца с керамикоподобным покрытием.

У пластинок с покрытием, включающим нанотрубки большего внутреннего диаметра, отсутствовали видимые участки коррозии. Как отметили исследователи, разработанные гибридные покрытия, содержащие алюмосиликатные нанотрубки с ингибитором, погружённые в матрицу из биоразлагаемого полимера, потенциально найдут широкое применение в медицине.

Как рассказал руководитель проекта, доктор химических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник, заведующий молодёжной лабораторией электрохимических сканирующих и синхротронных методов исследования гетерогенных и гибридных материалов Института химии ДВО РАН Андрей Гнеденков, разработанная методика позволит модифицировать поверхность магниевых сплавов и повысить их коррозионную стойкость. Помимо медицины, полученная разработка потенциально будет актуальна в автомобилестроении, авиастроении и в электронике при создании устойчивых к коррозии конструкций.

В дальнейшем учёные планируют провести доклинические и клинические испытания имплантатов из магниевых сплавов с таким видом покрытий. По словам Гнеденкова, исследователи стремятся подтвердить, что данный материал можно безопасно использовать в хирургической практике.

На момент написания материала учёные разрабатывают способы формирования биосовместимых гибридных покрытий, чтобы получить контролируемую коррозионную деградацию биоразлагаемого материала и преодолеть существующие ограничения для клинического применения магниевых имплантатов.