В медицине для изготовления имплантов, держателей ампул, зондов, колб и другого оборудования используют специальные материалы — полимеры PEEK (полиэфирэфиркетон) и PLA (полимолочная кислота). Во время процедур такие инструменты контактируют с различными веществами и жидкими средами, которые постепенно разрушают полимеры. Понимание процессов деградации PEEK и PLA важно для обеспечения безопасности и долговечности биомедицинских устройств. Ученые Пермского Политеха провели ряд экспериментов, которые показывают, при каких условиях изделия из полимеров PEEK и PLA разрушаются быстрее.
Статья опубликована в журнале «The International Journal of Advanced Manufacturing Technology», том 134, 2024. Исследование проведено в рамках госзадания Минобрнауки РФ на выполнение фундаментальных научных исследований.
Материалы полиэфирэфиркетон и полимолочная кислота широко применяют в производстве медицинских инструментов благодаря своей биосовместимости и высокой механической прочности. PEEK имеет высокую температуру плавления (300°C) и успешно заменяет металлические импланты, а PLA хорошо подходит для печати на 3D-принтерах, а еще его добывают из возобновляемых ресурсов — кукурузного крахмала и сахарного тростника, поэтому биоразлагаемый полимер отличается низкой стоимостью и экологичностью.
Ученые Пермского Политеха провели ряд экспериментов, чтобы изучить, как происходит деградация PEEK и PLA и какие вещества могут ее ускорить.
Исследователи напечатали на 3D-принтере серию из нескольких образцов из полиэфирэфиркетона и полимолочной кислоты, а затем погрузили их в разные жидкие среды — раствор хлорида натрия и дистиллированную воду. Для ускорения деградации использовались повышенные температуры — 45°C и 70°C. Наблюдение длилось от 1 до 7 дней, после чего проводилось испытание на растяжение образцов, чтобы оценить их механические свойства и прочность в зависимости от времени выдержки в жидкостях.
— Деградация образцов PLA в дистиллированной воде при 70°C происходила быстро. Прочность материала резко упала в первый же день эксперимента, а уже через 5 дней оказалось невозможным проводить испытание на растяжение — образцы стали слишком хрупкими. В то же время этого не наблюдалось в образцах, которые находились в растворе хлорида натрия при той же температуре, однако и там отмечалось постепенное разрушение материала, — рассказывает Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
— Образцы PEEK оказались намного более устойчивыми к разрушающим воздействиям обеих жидкостей. За неделю при температуре 70°C их свойства практически не изменились: отклонение от нормы не превышало 2%. Это объясняется тем, что полимер имеет более высокую температуру плавления, — поясняет Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
Исследование ученых Пермского Политеха показало, что полимеры PEEK и PLA имеют различную устойчивость к деградации в зависимости от температуры и воздействия жидкостей. Полученные результаты позволят разработать рекомендации по использованию и стерилизации медицинских инструментов так, чтобы обеспечить их долговечность и безопасность.