Сердце бьётся дольше: российские учёные создали покрытие, продлевающее жизнь искусственным сердцам

Учёные Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. разработали материал, который может значительно увеличить срок службы сердечных клапанов. Новое наноструктурированное покрытие повышает износостойкость и долговечность протезов, а также улучшает их взаимодействие с жидкостями организма.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Учёные в лаборатории

Почему клапаны сердца нуждаются в новых решениях

Искусственные клапаны сердца — одно из величайших достижений медицины XX века. Они спасают тысячи пациентов с пороками сердца, но даже самые надёжные протезы со временем изнашиваются. Средний срок службы современных клапанов — около 25-30 лет. После этого материал теряет прочность, поверхность шероховатеет, а гемодинамические характеристики ухудшаются.

Каждое открытие и закрытие клапана сопровождается ударной нагрузкой, трением и микровибрациями. Со временем эти циклы ослабляют структуру материала, особенно если поверхность плохо сопротивляется истиранию и воздействию крови.

"Наша цель — увеличить износостойкость и микротвёрдость материалов, чтобы продлить срок службы протезов без потери биосовместимости", — пояснил исследователь Роман Небогатиков.

Как работает новое покрытие

Команда из СГТУ предложила использовать наноструктурированное керамическое покрытие на основе диоксида кремния (SiO₂) и оксида хрома (Cr₂O₃). Эти вещества уже хорошо зарекомендовали себя в инженерных сплавах, а теперь нашли применение и в медицине.

Покрытие наносят на поверхность протеза в виде ультратонкого слоя — от 140 до 360 нанометров. Толщина подбирается таким образом, чтобы сохранить гибкость конструкции, но повысить прочность.

Микроскопический анализ показал, что структура покрытия состоит из частиц диаметром около 60 нанометров. Такая наношероховатость создаёт "скользящую" поверхность, способную отталкивать жидкость и препятствовать оседанию белков крови. Это уменьшает риск тромбообразования и повышает долговечность клапана.

Ключевые преимущества новой технологии

Как создавали инновационный материал

Работу возглавил доктор технических наук Александр Фомин, заведующий кафедрой "Материаловедение и биомедицинская инженерия". В исследовании участвовали профессор Сергей Пичхидзе и аспирант Роман Небогатиков.

Учёные исследовали несколько типов оксидных керамик и сравнили их с промышленными материалами УСБ-15 и Y-TZP. В ходе экспериментов они измеряли:

• коэффициент трения;
• твёрдость;
• устойчивость к циклическим нагрузкам;
• угол смачивания поверхности.

Лучшие результаты показало покрытие на основе диоксида кремния и оксида хрома. Оно сочетает механическую прочность, химическую стабильность и способность отталкивать жидкость, что особенно важно в контакте с кровью.

"Мы экспериментально доказали, что именно сочетание этих компонентов обеспечивает оптимальный баланс между твердостью и гладкостью поверхности", — подчеркнул профессор Сергей Пичхидзе.

Почему важна гидрофобность

Чем лучше поверхность отталкивает жидкость, тем меньше вероятность образования тромбов и отложений. На гидрофобных материалах кровь течёт равномернее, не образуя завихрений. Кроме того, гидрофобная плёнка препятствует прилипанию белков, что замедляет процесс старения импланта.

Краевой угол смачивания — показатель того, как жидкость взаимодействует с поверхностью. Для нового покрытия этот угол оказался на 25-30 % выше, чем у стандартных образцов, что подтверждает его повышенную биосовместимость.

Советы шаг за шагом: путь от лаборатории к клинике

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: применять металлические покрытия без учёта биохимии крови.
• Последствие: риск токсичности и воспаления.
• Альтернатива: использование инертных керамик (SiO₂, Cr₂O₃).
• Ошибка: увеличивать толщину слоя для прочности.
• Последствие: потеря эластичности клапана.
• Альтернатива: оптимальная толщина 140-360 нм.
• Ошибка: не учитывать угол смачивания при проектировании.
• Последствие: турбулентность потока крови и микротромбы.
• Альтернатива: создание гидрофобной наноструктуры.

А что если технология выйдет за рамки кардиохирургии?

Нанокерамические покрытия с высокой износостойкостью и биосовместимостью могут применяться и в других медицинских устройствах:

• в имплантах суставов;
• в стоматологических протезах;
• в катетерах и насосах для перекачки крови.

Такое универсальное покрытие может стать новым стандартом для биоматериалов, контактирующих с жидкими средами организма.

Плюсы и минусы наноструктурированных керамических покрытий

FAQ

Как долго прослужит клапан с новым покрытием?

По расчётам, срок службы может увеличиться с 25 до 40 лет, но это потребует клинических подтверждений.

Можно ли использовать покрытие для уже существующих моделей протезов?

Да, технология совместима с керамическими и композитными заготовками.

Когда начнутся испытания на людях?

После завершения серии биомеханических тестов и сертификации в Минздраве.

Мифы и правда

• Миф: керамические материалы хрупкие.
• Правда: наноструктурирование увеличивает их прочность и устойчивость к трещинам.
• Миф: оксид хрома токсичен.
• Правда: в стабилизированной форме он инертен и безопасен для организма.
• Миф: искусственные клапаны нельзя улучшить.
• Правда: современные технологии позволяют продлевать их ресурс без изменения конструкции.

Интересные факты

Исторический контекст

• 1950-е - первые механические клапаны из стали.
• 1970-е - переход к биологическим и композитным материалам.
• 2000-е - появление оксидных керамик (Y-TZP, Al₂O₃).
• 2020-е - внедрение наноструктурированных покрытий, продлевающих срок службы имплантов.

Созданное в СГТУ покрытие стало очередным шагом к "вечным" протезам клапанов сердца — надёжным, биосовместимым и устойчивым к миллиардам циклов работы.