Биохимическая совместимость титана и его сплавов
Эксперименты "in vitro" и "in vivo", а также электронно-микроскопические наблюдения свидетельствуют о прекрасной биологической совместимости титана и основных его сплавов с живой тканью.
Биомеханическая совместимость
Удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) и низкий модуль упругости титановых сплавов являются благоприятным сочетанием свойств с точки зрения эндопротезирования. Лучше сопротивляется циклическим нагрузкам ( по сравнению со сталями).
Выбор в качестве легирующих элементов -
стабилизаторов (Fe, B, Nb) обусловлен необходимостью обеспечения прочностных и
пластических свойств, технологичности, создания благоприятной микроструктуры. 18
Современные |
эндопротезы |
служат |
продолжительное |
время. Поэтому к |
материалу |
имплантата предъявляются высокие требования. Несмотря на отсутствие каких-либо клинических показаний против использования сплава Ti-6AL- 4V, его применение как биоматериала в мире все более сокращается. Вызывает опасение содержащийся в нем ванадий и - последнее время - алюминий (см. табл. 7.1).
19
Таблица 7.2
Механические свойства некоторых титановых сплавов для хирургических имплантатов
Сплав |
0,2, |
В, |
Е, ГПа |
, |
, % |
-1, |
|
МПа |
МПа |
% |
МПа |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ti-6Al-4V США |
795 |
860 |
110 |
10 |
25 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ti-5Al-2.5Fe |
830 |
920 |
111 |
14 |
- |
580 |
|
Германия |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ti-5Al-1.5B |
920 |
980 |
110 |
16 |
- |
420 |
|
Индия |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ti-6Al-7Nb |
900 |
1000 |
- |
13 |
- |
- |
|
Швейцария |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
Ti-15Mo-5Zr-3Al 1180 |
- |
80 |
- |
- |
620 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Кость |
250 |
- |
25 |
0,5 |
- |
200 |
|
20
Таблица 7.3
Механические свойства титановых сплавов в отожженном состоянии
Сплав |
В, МПа |
0,2, |
% |
% |
Е, |
-1 |
НВ, МПа |
|
|
МПа |
|
|
ГПа |
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВТ5 |
750-950 |
700-800 |
10-14 |
25-40 |
105 |
450 |
2290- |
|
|
|
|
|
|
|
3210 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВТ5-1 |
800- |
700-850 |
10-15 |
25-40 |
105 |
420 |
2410- |
|
1000 |
|
|
|
|
|
3210 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7.4
Химический состав (%) деформируемых титановых сплавов
(ГОСТ 19807-74)
Сплав |
Al |
Mo |
V |
Sn |
|
|
|
|
|
ВТ5 |
4,3-6,2 |
0,8 |
1,2 |
|
|
|
|
|
|
BT5-1 |
4,3-6,0 |
|
1 |
2,0-3,0 |
|
|
|
|
|
BT6 |
5,3-6,8 |
|
3,5-5,3 |
|
|
|
|
|
|
BT14 |
3,5-6,3 |
2,5-3,8 |
0,9-1,9 |
|
21
Таблица 7.5
Состав примесей титановых сплавов
Соста |
|
|
Примеси %, не более |
|
|
Сумма |
||||
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прочи |
C |
Fe |
|
Si |
Zr |
O |
|
N |
H |
||
|
|
|
х |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВТ5 |
0,10 |
0,30 |
|
0,15 |
0,30 |
0,20 |
|
0,05 |
0,30 |
0,30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BT5-1 |
0,10 |
0,30 |
|
0,15 |
0,30 |
0,15 |
|
0,05 |
0,30 |
0,30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BT6 |
0,10 |
0,30 |
|
0,15 |
0,30 |
0,20 |
|
0,05 |
0,30 |
0,30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BT14 |
0,10 |
0,30 |
|
0,15 |
0,30 |
0,15 |
|
0,05 |
0,30 |
0,30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Особенно ярко проявилась тенденция применения сплавов титана в качестве материалов для хирургической имплантации: Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-Mo-Zr-Fe, Ti-30Ta и др.
В настоящее время общепризнана концепция недопустимости токсичных элементов в материалах для имплантатов, даже если нет доказательств их отрицательного влияния. В соответствии с данной концепцией разрабатываются практически все
современные титановые сплавы для медицины. |
22 |
Основные области применения титана в медицине Таблица 7.6
|
Эндопротезы суставов |
|
|
|
|
|
Пластины, шурупы (при лечении |
|
|
переломов) |
|
Хирургические |
|
|
Кардиологические устройства |
|
|
имплантаты |
|
|
|
|
|
Стоматологические коронки, мосты и |
|
|
|
|
|
|
т.п. |
|
|
|
|
|
Офтальмологические имплантаты |
|
|
|
|
|
Скальпели |
|
|
|
|
Медицинские |
Пинцеты |
|
инструменты |
Иглы |
|
|
|
|
|
Крючки, ручки инструментов |
|
|
|
|
|
Наружные протезы |
|
Вспомогательные |
|
|
Инвалидные коляски |
|
|
средства |
|
|
|
|
|
Ортопедические стельки |
|
|
|
|
|
|
|
|
Медицинская |
Центрифуги сепарации крови |
|
аппаратура |
Сосуды хранения радиоизотопов |
23 |
|
|
|
закон запаздывания
Открытие закона запаздывания − явления гистерезисного поведения биологических тканей и систем живой природы позволило продвинуться в решении вопроса о критериях выбора искусственных материалов для использования в качестве длительно функционирующих в организме элементов и замещающих протезов тканей. Хотя закон запаздывания открыт уже более 20 лет назад, тем не менее, исследователи не в полной мере понимают его определяющее значение как закона естественного гистерезисного состояния живой природы. Закон запаздывания связывает многие представления о реакции живых и неживых систем на те или иные процессы, происходящие в природе. Основу закона запаздывания составляет гистерезисный характер изменения функций состояния системы, таких как σ, ε, Τ, S (где σ - напряжение, ε - деформация, Τ - температура, S – энтропия системы).
24
Рис. 7.4. Деформационная зависимость поведения тканей организма в условиях приложения нагрузки и снятия нагрузки
25
На рис. 7.4 представлена типичная зависимость σ(ε) тканей организма и живых систем. Для разных тканей и биологических систем отличие в поведении будет проявляться на величине гистерезиса ∆σ и на величине максимальной деформации ∆ε. Как правило, ∆σ составляет для различных тканей 100÷250 МПа, а ∆ε составляет 2,0÷20%. Дальнейшее деформирование ведет к разрушению биологических тканей
(рис. 7.5).
26
27