Научные сотрудники НИТУ МИСиС вместе с учеными Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ провели на станции рентгеновского рассеяния Xeuss 3.0 исследования биосовместимых полимерных материалов, использующихся в эндопротезах, а также передовых углекомпозитов. 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. По словам заведующего кафедрой физической химии НИТУ МИСиС, заместителя руководителя лаборатории «ЛУЧ» к. ф.-м. н. Алексея Салимона, для исследования полимерных материалов лучше всего подходит именно малоугловое рассеяние.

Слева направо: участники исследования материалов на Xeuss Алексей Салимон и Евгений Статник (Сколтех).

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 ученый.

«Xeuss – уникальный инструмент именно для структурных исследований», – отметил он, пояснив, что к работе на Xeuss его научную группу привлекло такое преимущество, как малое пятно засветки, т. е. исследуемой области интереса в объеме вещества. «Это очень острофокусный инструмент, где размер пятна засветки на образце – не больше 100–150 микрон. На большинстве лабораторных источников рентгеновского излучения вы не получите такую разрешающую способность», – добавил ученый.

Острый фокус важен, поскольку, например, позволяет исследовать тонкости распределения напряжений, в частности, при нагружении сложных слоистых структур углекомпозитов.

Как известно, наиболее острофокусное рентгеновское излучение дают синхротроны, однако это инструменты очень высокого класса и стоимости, и их в мире немного.

«Современные лабораторные инструменты класса Xeuss по ряду свойств в комплексе приближаются к синхротронам. Это хорошая возможность восполнить зазор между сверхдорогими инструментами класса мегасайенс и традиционными лабораторными», – сообщил Алексей Салимон.

Испытательное рамочное устройство в рабочей камере Xeuss 3.0.

Станция рентгеновского рассеяния Xeuss 3.0.

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.

Разрыв углекомпозитной балки в испытательном рамочном устройстве в камере Xeuss 3.0 (видео) →

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 эндопротезе тазобедренного сустава 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.

Анализ структурных исследований углекомпозитов.

Помимо малоуглового рентгеновского рассеяния на Xeuss, ученые МИСиС используют и другие методы структурного анализа: пустоты, несплошности, дефекты отслеживаются с помощью томографии в Институте порошковой металлургии имени академика О. В. Романа, химические состояния атомов в образце с высокой точностью уточняются методом EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure (тонкая структура края поглощения различных элементов).

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.

Старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ, к. ф.-м. н. Юлия Горшкова.

Справочно

Xeuss 3.0 реализует метод малоуглового (SAXS) и широкоугольного (WAXS) рентгеновского рассеяния и дает возможность осуществлять их за один проход, экономя время для исследований. Жидкости и аморфные тела, поликристаллические и пористые вещества, сплавы, порошки также могут быть изучены методом WAXS (Wide-Angle X-Ray Scattering). На приборе можно в режиме реального времени исследовать структуру материалов и наноматериалов от атомного до наноразмерного масштаба.

Среди других участников коллаборации «ЛУЧ» – Сколтех, Институт порошковой металлургии имени академика О. В. Романа (Беларусь), Отдел электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ им. Скобельцына, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) и Лаборатория рентгеновской оптики ФИАН им. А. Н. Лебедева.

Источник: ОИЯИ.