Университет Тохоку (Tohoku University), Токийский технологический институт (Tokyo Institute of Technology) и Университет Осаки (Osaka University) совместно разработали титановое металлическое стекло для применения в живых организмах и создали опытный образец искусственного сустава кисти с этим новым материалом.

Институт материаловедения Университета Тохоку оптимизировал состав титанового металлического стекла для его использования в качестве биомедицинского материала. Для нового металлического стекла Лаборатория материалов и структур Токийского технологического института разработала технологию обработки поверхности для получения биоактивной мембраны, которая может быть использована для создания прочной соединительной оболочки, используемой между костями. А в НИИ Университета Осаки разработали методику поверхностной обработки, содействующую созданию прочной соединительной ткани.

Основываясь на результатах этих исследований, университеты построили прототип искусственного сустава для пальцев рук и подтвердили, что металлическое стекло может надежно связывать костный апатит. Институт материаловедения оптимизировал состав титанового металлического стекла (Ti — 40%, Zr — 10%, Cu — 36%, Pd — 14%), которое более чем в 3 раза прочнее титана и имеет модуль упругости, близкий к значению кости. В соответствии с данными исследований, новое металлическое стекло, как полагают ученые, неканцерогенно, поскольку не содержит никеля, в отличие от нержавеющей стали, используемой для искусственных суставов до сих пор.

В сравнении со сплавом титана, который широко используется для искусственных суставов, новое металлическое стекло имеет преимущество в том, что оно не приводит к появлению абразивной пыли от скользящих перемещений благодаря высокой износостойкости и имеет более высокое сопротивление деформации и излому из-за близкого к кости значения модуля упругости. Более того, металлическое стекло обладает высокой заполняемостью и практически не дает усадки при отливке.

В сочетании с существующим методом гидротермального синтеза, по которому электрохимический процесс осуществляется при приложении напряжения в условиях высокой температуры и давления, лаборатория значительно повысила реакционную способность и добилась успеха в получении слоя аморфного оксида титана на поверхности титанового стекла.

"В частности, удалось увеличить силу связи между металлом и керамическим материалом путем добавления промежуточного слоя с несколько иным составом оксидного слоя", — говорит Нобуиро Матсусита (Nobuhiro Matsushita), доцент Токийского технологического института. "Когда слой оксида титана покрывает апатит, который является основным компонентом костей, искусственный сустав и кость могут надежно скрепиться".

Эта разработка стала одним из достижений Совместного научно-исследовательского проекта по разработке металлического стекла и технологии сустава неорганической природы (Collaborative Research Project for the Development of Metallic Glass/Inorganic Material Joint Technology), который осуществлялся при поддержке трех лабораторий в течение последних пяти лет.