Группа ученых из университетов Техаса и Флориды получила самый твердый из известных биосовместимых материалов. Им оказался сплав титана с золотом β-Ti3Au.
Титан достаточно инертен, чтобы не взаимодействовать с живыми тканями и не окисляться в организме, но иногда ему не хватает прочности. В среднем титановые протезы нужно заменять каждые 10 лет из-за износа. Поэтому перед учеными давно стояла задача найти другой, более прочный и в то же время биосовместимый материал.
Предыдущие эксперименты со сплавами титана с серебром и медью показывали неплохие результаты, однако исследователи предположили, если использовать в сплаве металл, по свойствам сходное с медью или серебром, но при этом с большей атомной массой, сплав окажется прочнее. Выбор остановили на золоте: оно давно применяется в протезировании.
Руководитель исследования, профессор Эмилия Моросан (Emilia Morosan), которая специализируется на разработке и синтезе соединений с экзотическими электронными и магнитными свойствами, сказал, На самом деле, атомная структура материала — это атомы плотно упакованные в «кубической» кристаллической структуре, которая часто ассоциируется с твердостью – и это не новость, это известно давно. Но пара титан-золото до сих пор небыли тщательно исследованы.
«Это началось с моего основного исследования,» сказала, Эмилия Моросан (Emilia Morosan), профессор физики и астрономии, химии и материаловедения и Наноинженерия в Райс. «Не так давно мы опубликовали исследование, на титан-золото в соотношение соединение 1-к-1, создавая новые магнитные сплавы, изготовленный из немагнитных элементов. Один из тестов, когда мы делаем новый сплав, попытаться растереть его в порошок для рентгеновского анализа. Это помогает при определении состава, чистоты, кристаллической структуры и другие структурные свойства.
«Когда мы пытались измельчить титан-золото, мы не могли», вспоминает она. «Я даже купила алмаз (с алмазным покрытием) ступку и пестик, и мы до сих пор не могли растереть его.»
Эмилия Моросан (Emilia Morosan) с соавторами решила сделать последующие тесты, чтобы точно определить, насколько прочным получилось соединение, также решили измерить твердость других количественных соотношений титана и золота, которые они использовали в качестве образца сравнения в оригинале 1-к-1.
На настоящий момент установлено, одним из наиболее прочных образцов, представляет собой высоко температурный сплав из трех частей титана и одной части золота.
Под воздействием высоких температур, ученые экспериментальным путем при пропорции 3-к-1 неожиданно получили практически чистую кристаллическую форму бета-версии сплава — кристаллической структуры, которая в четыре раза прочнее титана.
При более низких температурах, атомы, как правило, устраивают в другую кубическую структуру — альфа-формы титана-3-золота. Альфа-структура примерно так же устроена, как регулярная структура титана. Оказывается, что лаборатории, которые ранее измеряли образцы твердости Ti3Au, при сплаве применяли более низкие температуры, что не позволяло атомам выстраиваться в чистую кристаллическую форму бета-версии.
Команда измеряли твердость бета-формы кристалла совместно с коллегами в лаборатории Turbomachinery Texas A & M University и в магнитном поле Национальной лаборатории высокого в Университете штата Флорида.
Для биомедицинских имплантатов, важнейшими являются два основных фактора биосовместимость и износостойкость. Так как титан и золото сами по себе являются одними из наиболее биосовместимых металлов и часто используются в качестве медицинских имплантатов, ученые полагают, Ti3Au будет совместимы. На самом деле, тесты, проведенные коллегами из Университета Техаса MD Anderson Cancer Center в Хьюстоне установили, что новый сплав получился еще более биосовместимым, чем чистый титана. Износостойкость и твердость Ti3Au в 4 раза превзошла характеристики чистого титана.
Руководитель исследования, профессор Эмилия Моросан (Emilia Morosan) из университета Райса в Хьюстоне, Техас сообщила, что в результате получился металл вчетверо более прочный, чем те, что сейчас используются в производстве протезов. При этом появляется возможность в двое снизить количество металла имплантата при том-же весе, увеличив прочность в двое. Либо в четыре раза снизить количество металла и в двое вес, при прочности сопоставимой с обычным титаном. Сделать Ti3Au очень легким и дешевым не получится, так как удельный вес золота в четыре раза больше чем у титана. Но из-за прочности в целом на изготовление протезов потребуется в разы меньше металла Ti3Au, чем при чистом титане. Что позволит минимизировать размеры и негативное воздействие протезов-имплантов на организм человека.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
https://www.popmech.ru/
