Группа инженеров и врачей из США и Германии сделала удивительное открытие, которое может подсказать, как увеличить срок службы протезов тазобедренных суставов. Ученые установили, что ключевым элементом смазочного слоя, образующегося в металло-металлических протезах тазобедренного сустава, является углерод в форме графита. По своему составу это вещество больше похоже на смазку двигателя внутреннего сгорания, чем на смазку обычного здорового сустава. Результаты исследования не только помогут в разработке новых, более износоустойчивых, имплантатов, но и поднимают важные вопросы о физиологическом воздействии наночастиц графита на организм пациента.

Только в Великобритании ежегодно проводится более 50 тысяч операций по замене тазобедренного сустава, а в США эта цифра превышает 200 тысяч. Но, хотя хирурги все чаще используют наиболее износоустойчивые металло-металлические конструкции, никто точно не знает, почему эти две металлические поверхности так хорошо скользят друг по другу. Несмотря на то, что ученым известно о существовании слоя, влияющего на трение, смазку и их износ – так называемого трибологического слоя, – до сих пор никто не исследовал его состав. (Наука «трибология» изучает процессы, связанные с трением, смазкой и износом. Термин происходит от греческого «tribos», что означает трение, скольжение).

Металлические протезы тазобедренных суставов сделаны из кобальт-хром-молибденового сплава (около 60% Со, 26% хрома и 5–7% Mo), и до сих пор считалось, что слой между их движущимися частями состоит из денатурированных белках синовиальной жидкости, находящейся между суставными поверхностями обычных здоровых суставов. Однако, взяв пробы из удаленных по разным причинам имплантатов и проанализировав химический состав этого слоя с помощью спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (electron energy loss spectroscopy, EELS), профессор материаловедения и инженерии Лоренс Маркс (Laurence Marks) из Школы инженерных и прикладных наук Маккормика (McCormick School of Engineering and Applied Science) Северо-западного университета (Northwestern University) установил, что он состоит из нечто совершенно другого, а именно, графита – аллотропной формы углерода.

Так как же попал туда графит? Профессор Маркс и его коллеги предполагают, что металл протеза восстанавливает до углерода один из белков синовиальной жидкости – альбумин, а затем трение суставных поверхностей преобразует углерод в графит. Во всяком случае, объясняет Маркс, так происходит в лаборатории. (Правда, с таким объяснением не согласен Дуглас Хансен (Douglas Hansen) из Исследовательского института Университета Дейтона (University of Dayton Research Institute), задающий резонный вопрос, куда же в таком случае делся азот? Если графитовый слой является результатом адсорбирования сывороточных белков на металлической поверхности Co-Cr-Mo, должен быть сигнал азота, считает Хансен).

Трибологический слой.
Размер зерен графита – несколько
нанометров. (Фото: sciencemag.org)

Открытие графита между частями имплантатов предполагает, что для улучшения смазки и защиты протезов тазобедренных суставов имплантат может быть модифицирован таким образом, чтобы способствовать росту графитового слоя. Например, профессор Маркс считает, что они могли бы сделать имплантат из монокристалла.

На следующем этапе работы ученые планируют исследовать поверхность удаленных имплантатов и установить корреляцию между присутствием графитового слоя и причинами их удаления, а также изучить, какое воздействие графитовые продукты из имплантата могут оказывать на окружающие клетки.

Исследование опубликовано в журнале Science.

На фото сверху: рентгеновский снимок области тазобедренного сустава с металло-металлическим протезом, совмещенный со схематическим изображением графита на поверхности имплантата. Красные сферы показывают расположение атомов углерода в отдельном слое графита. (Northwestern University).

Аннотация к статье

Graphitic Tribological Layers in Metal-on-Metal Hip Replacements