Графит как смазка для искусственных суставов

Эта информация не только полезна для дизайна и создания новых типов имлантов, но и позволяет ответить на ряд вопросов, связанных с взаимодействием графита с организмом человека.

Ежегодно в Великобритании проводится более 50000 операций по замещению тазобедренного сустава, в США количество таких операций превышает 200000. Хотя современная хирургия применяет все более долговечные и хорошо скользящие сплавы металлов для создания искусственных суставов, в настоящее время недостаточно хорошо известно, чем обусловлен низкий коэффициент трения сочленения искусственного сустава. Известно, что слой, определяющий трение, смачиваемость и износоустойчивость двух контактирующих поверхностей представляет собой трибологический слой (tribological layer), до настоящего времени исследования по изучению состава такого слоя не проводились.

Графит находит применение в качестве сухой смазки в двигателях, недавно было обнаружено, что он образуется в имплантах тазобедренных суставов, обеспечивая низкую силу трения в импланте сустава.

Лоуренс Маркс (Laurence Marks) из Северо-Западного Университета (Иллинойс) и Альфонс Фишер (Alfons Fischer) из Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия) изучили состав трибологического слоя.

Искусственный тазобедренный сустав сделан из кобальтово-хромо-молибденового сплава, содержащего 60% Co, 26% Cr и 5-7% Mo. До настоящего времени предполагалось, что слой между движущимися частями протеза имеет белковую природу – он состоит из денатурированных белков, образовавшихся из синовиальной жидкости, находящейся между суставами. Однако Маркс и Фишер обнаружили нечто иное – графит, который, кстати, применяется как сухая смазка в двигателях машин и механизмов.

Маркс обнаружил в сочленениях сустава графит, изучая образцы из отслуживших свой срок имплантов с помощью спектроскопии потерь энергии электронов [electron energy loss spectroscopy (EELS)].

Тем не менее – как мог оказаться графит в местах сочленения суставов? Маркс и Фишер предполагают, что альбумин из синовиальной жидкости восстанавливается до углерода под действием металлических деталей искусственного сустава, а постоянное давление шарнирных сочленений приводит к тому, что углерод переходит в графит. По крайней мере, такой процесс протекает в лабораторных условиях. Тем не менее, Дуглас Хансен (Douglas Hansen) сомневается в предложенном механизме образования графита, поскольку, неясна судьба азота, входящего в состав белков, хотя и не отрицает, что доказательства наличия графита в межсуставных сочленениях вполне достоверны.

Маркс отмечает, что результаты его открытия могут оказаться полезными для улучшения способа введения смазки в протезы тазобедренных суставов, а также защиты таких имплантов, заявляя, что уже разработал ряд способов модификации материала протезов, позволяющих способствовать росту графитового слоя.