ВВЕДЕНИЕ

Традиционные ортопедические металлические имплантаты, такие как нержавеющая сталь, кобальто-хромовые сплавы и сплавы на основе титана в первую очередь предназначены для остеосинтеза; их высокая прочность и приемлемая биосовместимость позволяют использовать их в качестве основных ортопедических устройств, несущих нагрузку. Однако существуют известные ограничения для таких имплантатов. Во-первых, их длительное пребывание приводит к накоплению в организме человека таких вредных элементов, как Ni, Co, Cr, Al и V, которые вызывают хроническое воспаление и в конечном итоге приводят к ревизионным операциям. Во-вторых, несоответствие высокого модуля упругости между имплантатами и костью человека приводит к резорбции кости и по истечению времени разрушению имплантата. Революционная концепция биодеградируемых имплантатов призвана решить эти проблемы. Исследования синтетических биодеградируемых полимеров начались в 1960-х годах. Биоразлагаемые полимеры, такие как полигликолид (PGA), полилактид (PLA) и поли (L- или D, L-молочная кислота) (PLLA/PDLLA), были одобрены FDA для применения в ортопедических фиксирующих имплантатах после 60 лет разработок. Однако их применение было ограничено скелетными участками с малой нагрузкой из-за их недостаточной прочности. Кроме того, продукты деградации, образующиеся при объемной эрозии биодеградируемых полимеров, могут вызывать неинфекционную воспалительную реакцию, что в конечном итоге приводит к резорбции кости. Совсем недавно разработка биоразлагаемых имплантатов на основе магния (Mg) предоставили ученым и клиницистам новые возможности для устранения недостатков существующих коммерческих ортопедических имплантатов. Будучи биоразлагаемыми металлами, материалы на основе Mg обеспечивают хорошую механическую поддержку в сравнении с их полимерными аналогами, демонстрируя желаемый модуль упругости, близкий к модулю упругости костной ткани человека. Что еще более важно, при деградации Mg выделяются полезные продукты, такие как ионы Mg, способствующие регенерации костной ткани и ускоряющие ее заживление. Огромные усилия в области фундаментальных исследований позволили довести применение Mg до клинических испытаний и коммерциализации в Европе, Корее, однако их применение по-прежнему ограничено фиксацией переломов не несущих нагрузку костей и костных фрагментов. Между тем, требуются дополнительные системные исследования по замедлению образования газовых полостей, которые образуются в процессе растворения Mg в физиологической среде. В результате ни один материал не может быть использован в качестве материала для биорезорбируемого имплантата, используемого для высоких нагрузок. Недавно группа ученых провела систематическую оценку биоразлагаемых сплавов цинка (Zn) в качестве ортопедических имплантатов. Результаты показали, что сплавы Zn-Li, Zn-Mg, Zn-Ca и Zn-Sr являются наиболее предпочтительными кандидатами для костных имплантатов. Среди них сплавы Zn-Li продемонстрировали прочность, сопоставимую с коммерчески чистым титаном и нержавеющей сталью, что свидетельствует об их огромном потенциале для использования в качестве имплантатов с высокой несущей способностью. В последнее время развитие клинических потребностей требует улучшения взаимодействия между тканями человека и имплантатами, чтобы способствовать процессу регенерации и заживления кости. Было установлено, что имплантаты из сплава Zn-Li оказывают благоприятное воздействие на формирование новой костной ткани. Однако одного легирования часто бывает недостаточно, чтобы достичь механических свойств нужно уровня. Поэтому возникает потребность в деформационной обработке сплава. С этой точки зрения перспективным является применение интенсивной пластической деформации и прокатки, которые позволяют упрочнять металлы и сплавы за счет формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры. Таким образом, разработка новых УМЗ медицинских материалов на основе цинка представляет значительный практический интерес для применения в клинической практике.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

За исходное состояние были приняты образцы сплава Zn-0.8%Li-0.1%Mn (вес.%) диаметром 20 мм и длиной 100 мм, которые были подвергнуты гомогенизации в муфельной печи Nabertherm при температуре 300 °С в течение 72 ч с охлаждением в воде.

Исходные образцы прокатывали на 2-валковом стане Hankook M-Tech для сортовой прокатки в два этапа: с диаметра 20 мм до диаметра 15 мм при температуре 300 °С; с изменением поперечного сечения с круга на квадрат размерами 10 × 10 мм2 также при температуре 300 °С. Степень деформации составила 1,1.

Прокатанные образцы были подвергнуты равноканальному угловому прессованию (РКУП). Деформация проходила при температурах 300 °С, 250 °С, 200 °С, 150 °С по два прохода на каждую температуру. Общее число проходов составило восемь. РКУП исходных заготовок проводилось в круглом канале, прокатанных заготовок – в квадратном канале. Угол пересечения каналов составлял Ф = 120°, по известному маршруту ВС (после каждого прохода заготовка поворачивалась вокруг своей продольной оси на угол 90°). За восемь проходов РКУП итоговая накопленная степень деформации составила e = 5,6.

Для выявления структуры в продольном направлении образцы погружались на 30 с в травитель со следующим составом: 5 мл азотной кислоты (HNO3) и 95 мл этилового спирта (C2H5OH). Анализ структуры проводился на растровом электронном микроскопе (РЭМ) JEM-6390 в режиме вторичных электронов при ускоряющем напряжении 30 kV. EBSD-карты получены при помощи электронного микроскопа Thermo Scientific Q250 компании FEI при ускоряющем напряжении 30 кВ. Шаг сканирования составлял 0,5 мкм.

Механические испытания на растяжение проводили на испытательной машине Instron 5982 на малых образцах с размерами рабочей части 0,6 × 1 × 4 мм3 при комнатной температуре со скоростью деформации 10–3 с–1. Образцы для испытаний вырезались из деформированных заготовок в продольном сечении.

Полная версия статьи на нашем сайте.