Мастера титановых скелетов
Профессор кафедры материаловедения Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского (МАТИ) Михаил Коллеров бодро идет по коридору, размахивая дорожным феном. В другой руке у него маленькая предварительно охлажденная проволочка. «Сейчас буду показывать фокус», — говорит он. Он гнет проволочку, превращая ее в бесформенную загогулину, после чего включает фен и направляет на проволочку теплый воздух. И загогулина в считаные минуты превращается в аккуратную пружину. Оказывается, проволочка «вспомнила» ту форму, в какой она пребывала до деформации. Этот эффект, открытый в середине прошлого века, называется эффектом памяти формы и особенно хорошо проявляется в сплавах титана и никеля. Один из примеров его использования — брекеты, которые ставят для исправления прикуса. Раньше делали стальные, которые приходилось раз в несколько дней прикручивать, подправлять, они травмировали ткани. Сейчас
Она вспомнила, какой была раньше
Но это была не единственная проблема. Даже если бы выбрали проволоку с необходимой температурой превращения, из нее еще надо было изготовить имплантаты нужной формы с заданными характеристиками памяти формы для партии в десятки тысяч штук. И в МАТИ придумали, что делать, чтобы задавать изделиям конкретную температуру превращения. Вначале из проволоки делают нужные по форме изделия, например похожие на фигурные скобочки фиксаторы грудины.
Потом эти изделия подвергают такой термической обработке, при которой меняется структура материала фиксаторов. Управляя концентрацией никеля в кристаллической решетке в ходе этой обработки, ученые задают определенную температуру мартенситного превращения. Как правило, для медицинских изделий это температура человеческого тела. Когда после операции хирург восстанавливает грудину, он достает охлажденные до 10 градусов фиксаторы, разводит их кончики так, чтобы они свободно вошли в специально проделанные в грудине маленькие дырочки, и поливает грудину теплым физраствором. При 35 градусах фиксатор «вспоминает» свою изначальную форму, кончики скобки загибаются внутрь, схватывая обе части грудины. Скобка становится прочной, но упругой (это свойство сплава никеля и титана и особой формы изделия).
Научившись управлять температурой превращения, специалисты МАТИ стали делать различные изделия с эффектом памяти формы: фиксаторы для динамической стабилизации позвоночника, ключицы, пальцев ног и даже черепа. Один из таких фиксаторов ― для коррекции деформации грудной клетки― ученые разработали совместно с Сергеем Рудаковым, ныне ведущим научным сотрудником Института хирургии им. Вишневского. «Эта деформация называется воронкообразной, в просторечии — “впалая грудь”, — рассказывает Сергей Рудаков. — Встречается примерно в одном случае на десять тысяч человек. Это и серьезный косметический дефект, и угроза внутренним органам — сердцу и легким, которые сжимаются деформированной грудной клеткой. Раньше для такой коррекции использовались различные изделия из нержавеющей стали или из титана. Их было довольно трудно ставить и удалять, сама операция травматична, фиксаторы были жесткими и не очень надежными:
Александр Ильин: «Наши имплантаты хорошо продаются за рубежом, в России они почти не востребованы».
Фото: Олег Сердечников
Первые же изделия с памятью формы — фиксаторы для грудины — итальянцам понравились, и они стали их продвигать в Европе, правда, под своим брендом
Титановые бедра — это жизнь
В 1999 году Александр Ильин создал группу компаний
В начале девяностых в России в нескольких институтах и небольших компаниях стали разрабатывать эндопротезы, а на рынке уже господствовали изделия известных западных производителей. В МАТИ решили создать нечто отличное от других с учетом недостатков протезов, имеющихся на рынке. Некоторые компании часто используют для протезов сплавы кобальта и титана. Но, по словам Карпова, эта пара достаточно разнородных материалов приводит к коррозии и дальнейшей нестабильности протеза.
Важный момент — поведение материала в так называемой паре трения: протез состоит, как правило, из двух частей — ножки с головкой, заменяющей часть бедра, и чашки, которая заменяет вертлужную впадину, и эти два элемента постоянно трутся друг о друга, находясь в биологической среде. Стендовые испытания многих импортных протезов показывают, как могут быть нестабильны и небезопасны детали из различных металлов и сплавов, полимеров и керамики. К примеру, частички полимера, из которого делают чашки, при трении могут попадать в ткани и вызывать как нестабильность протеза, так и другие неприятные побочные эффекты. Ионы кобальта и хрома, выделяемые при трении, весьма токсичны для организма. Титан, по словам разработчиков, — один из лучших материалов, но и он не без греха.
Фиксаторы грудины сделаны с применением технологий, аналогов которым в мире нет.
Фото: Олег Сердечников
На поверхности титана образуется окись титана в виде тонкой пленки. И когда ножку протеза фиксируют, к примеру, с помощью специального цемента в кости, при малейших перемещениях эта пленка начинает как бы сползать и открывает титан для коррозии. Ученые МАТИ разработали инновационную технологию, чтобы создать монолитный композит с требуемыми свойствами. С помощью термоводородной обработки титана и его бомбардировки атомами азота на поверхности титана образуется сначала азотированный титан, а с большим добавлением азота — нитрид титана, или керамика, превосходная поверхность для трения. «Если в протезе используются обычные керамические элементы, они не выдерживают нагрузки в силу хрупкости, — рассказывает Карпов, — у нас же получается тонкая керамическая поверхность как часть единого композитного материала. Она очень прочная».
Заведующий отделением эндопротезирования ЦИТО доктор медицинских наук Николай Загородний считает, что в МАТИ создали уникальные разработки. В ЦИТО используют протезы как тазобедренного сустава, так и коленного. А заведующий отделением костной патологии взрослых ЦИТО профессор Александр Балберкин отмечает, что эндопротезы МАТИ успешно применяются в клинической практике при поражениях суставов и костей в результате онкологических заболеваний. Василий Карпов приводил немало примеров, когда больным остеосаркомой буквально спасали жизнь: «Помню здорового мужика из Сибири, тот чуть не плакал, когда врач перечислил варианты: жить несколько месяцев, ампутировать ногу с дальнейшими непредсказуемыми последствиями, поехать на операцию за границу за 45 тысяч евро. И наконец, последнее: поставить отечественный протез из МАТИ. Больной с радостью согласился на последнее. Прошло несколько лет. С ним все в порядке, нога цела, нормально ходит».
К сожалению, и эти эндопротезы оказались
Откуда такое чудо
Александр Ильин любит повторять: чтобы научиться классно играть в футбол, нужно все время играть в футбол. То же и с инновациями. Если их не поддерживать или поддерживать только декларативно, инновационного прорыва не будет. «Пару лет назад сколько шуму подняли вокруг нанотехнологий, — говорит он, — а мы уже больше десяти лет применяем в производстве плазменные нанотехнологии и в своей стране практически никому не нужны». Сейчас только считаные клиники и медцентры пользуются уникальными разработками МАТИ. «А ведь они были первыми, к кому мы обращались: вот, посмотрите, какие мы замечательные имплантаты сделали. Брали, и они у них валялись без дела, — продолжает Ильин. — И только когда на одной из конференций травматологов и ортопедов в Европе был сделан доклад о многолетних результатах использования наших протезов в ЕС, российские врачи спросили у докладчиков: откуда такое чудо? Те удивились: да из России же! Только тогда к нам стали потихоньку приходить».
Ильин сетует на странный российский менталитет: мы в свое не верим, российское — значит плохое. К тому же в начале девяностых западные компании прочно заняли рынок и приручили врачей к себе. «Я буду говорить прямо: у нас все еще социалистическое, плановое здравоохранение в худшем виде, — говорит Сергей Рудаков. — Плановые закупки осуществляются федеральным учреждением, где сидят чиновники, закупающие то, что им нравится. Я вспоминаю случай, когда больнице нужны были хорошие дешевые отечественные катетеры, стоившие копейки, а вместо них бюджетное учреждение поставило французские приборы по 12 долларов за штуку. Они хорошие, но зачем? То же происходит и с имплантатами».
По словам Рудакова, операций, для которых нужны имплантации и протезирование, в России делается в десятки раз меньше, чем требуется. Самое досадное, что многие вообще не знают о таких операциях: «Помню, делал операцию девушке по поводу деформации груди. Она пережила
Такие операции в России делаются по квотам за бюджетные деньги. Но их, естественно, не хватает. Рудаков говорит, что в прошлом году сделал примерно 35 операций по квотам и еще столько же платных. Но не каждый готов выложить несколько сотен тысяч рублей. Нет устойчивого спроса — нет возможности для наших инновационных компаний развиваться. Александр Ильин считает, что сейчас, в пору кризиса, самое время начинать перестройку: «Давайте же наконец реально займемся высокотехнологичными сферами. Дайте шанс своим. Если правительство не помогает инноваторам, то пусть хотя бы бюджетные деньги тратит на закупку отечественного конкурентного и зачастую уникального продукта. Так делали в Японии. Так делают в Китае».
Галина Костина, специальный корреспондент журнала «Эксперт».
http://expert.ru