Углепластиковый композит известен своим применением в авиации, но он также находит применение в создании экзопротезов – того, что обычно принято называть протезами. В рамках этих работ ОИЯИ входит в коллаборацию создаваемой в НИТУ МИСиС Лаборатории ускоренных частиц («ЛУЧ»).
Xeuss 3.0 служит специалистам НИТУ МИСиС для анализа кристаллической и молекулярной структуры разрабатываемых новых материалов. Чтобы обеспечить необходимый набор свойств создаваемого материала, нужно правильно сформировать его структуру. Далее следует этап испытания, в частности, в случае имплантологии – специальные биологические тесты.
«Это всегда трудозатратный процесс движения по кругу «структурные исследования – испытание свойств – применение», в котором вам приходится длительное время циркулировать для того, чтобы, уточнив задачу, улучшить свойства материала», — рассказал заведующий кафедрой физической химии НИТУ МИСиС, заместитель руководителя лаборатории «ЛУЧ» к. ф.-м. н. Алексей Салимон.
Для моделирования механических нагрузок образцов углекомпозитов было создано специальное рамочное испытательное устройство. Небольшую балку, вырезанную из углекомпозита, фиксируют в устройстве между двумя упорами и, установив в рабочую камеру Xeuss, нагружают, сдвигая упоры друг к другу. В результате в режиме реального времени можно отследить, как именно происходит разрыв, какое усилие нужно приложить для этого и как это связано с внутренней структурой.
Инновационный материал для эндопротезов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) сочетает в себе три слоя: сплошной, имитирующий скользкий и гладкий хрящ, пористый СВМПЭ, имитирующий губчатую костную ткань и пористый коллаген. Воспроизвести в точности сложные ткани человеческого организма очень трудно, поэтому композитные, гибридные материалы в биоинженерии – наиболее частое решение.
«Наши материалы для тазобедренных и коленных суставов находятся на стадии доклинических испытаний. В тазобедренном суставе используется уникальное свойство полимеров – низкий коэффициент трения и высокая износостойкость», — отметил Алексей Салимон.
Он рассказал, что разработанный материал позволяет проводить работу как по созданию искусственных суставов, так и по реконструкции непосредственно опорных костей. При поражении онкологическими заболеваниями, чтобы сохранить конечность, возможно заменять большие фрагменты бедренной либо берцовых костей ноги, локтевой, плечевой костей руки и других крупных костей. Научно-образовательный центр «Биоинженерия» в МИСиС показал это в ветеринарии, в операциях на домашних питомцах – для животных намного проще получить разрешение на применение при операции: достаточно расписки со стороны хозяина – согласия в использовании инновационного решения.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен используется в хирургии достаточно давно.
«Мы расширяем и улучшаем стандартные марки таких полимеров и придаем им особые свойства. В частности, для чашки тазобедренного сустава в НИТУ МИСиС смогли существенно снизить коэффициент трения и повысить износостойкость за счет использования углеродных нанотрубок», — рассказал ученый.
Биосовместимость и другие интересные свойства материалов будущего активно находят применение в челюстно-лицевой хирургии. Партнеры МИСиС из НИИ неотложной детской хирургии и травматологии используют такие материалы в задачах по реконструкции свода черепа после операций по врачеванию черепно-мозговых травм.
«В современную эпоху, если после черепно-мозговой травмы начинается отек мозга, хирургам необходимо снять от трети до половины площади черепа пациента, которую приходится потом закрывать. И одно из решений здесь – это использование сложной титанополимерной конструкции, где полимером является тот, который мы разрабатываем», — сказал Алексей Салимон.
Проделанную работу прокомментировала старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ, к. ф.-м. н. Юлия Горшкова:
«В 2022 году мы с командой МИСиС проводили на Xeuss 3.0 «пристрелочные» эксперименты по тематике биосовместимых полимерных материалов и передовых углекомпозитов. Фактически это были пусконаладочные работы на установке. На этом этапе нам самим было важно определить предельные возможности прибора. Однако полученные результаты оказались впечатляющими, что позволило их включить в совместную публикацию».
Юлия Горшкова сообщила, что 15 февраля станция Xeuss 3.0 была официально введена в эксплуатацию.
«Уже сегодня у нас есть планы по дальнейшему развитию взаимовыгодного сотрудничества с командой профессора Александра Корсунского на регулярной основе. Это как раз тот случай, когда и нам есть что предложить, и есть самим чему поучиться у коллег», — отметила она.
