2.2. Биомеханические свойства титана и его сплавов
По сравнению с другими металлами, используемыми в качестве имплантатов в медицине, титан имеет ряд преимуществ:
высокая биосовместимость;
хорошая коррозионная стойкость;
биоинертность;
немагнитность;
низкая теплопроводность;
малый коэффициент линейного расширения;
практически отсутствие токсичности.
Во многом аналогичными свойствами обладают Та, Zr и Nb, однако их запасы в мире во много раз уступают запасам Ti, поэтому себестоимость изделий из них является довольно высокой, что ограничивает области их применения.
Коммерчески чистый титан является материалом выбора для имплантата вследствие своей высокой биосовместимости. Cредняя предельная прочность коммерчески чистого титана составляет приблизительно 480 МПа. Если для имплантата необходима более высокая прочность, например, для протеза тазобедренного сустава, должны использоваться титановые сплавы. Наиболее широко используемый сплав Ti-6Al-4V достигает предела прочности, почти вдвое превышающего предел прочности коммерчески чистого титана. По сравнению с литыми кобальтовыми сплавами протезы, изготовленные из кованного Ti-6Al-4V, показывают почти удвоенную способность нести нагрузку.
Титан и его сплавы используются в ортопедической хирургии:
в качестве имплантатов в форме спиц, гвоздей, пластин и винтов для фиксирования и стабилизации переломов;
в форме искусственных суставов.
В последние 20 лет разработаны и активно применяются новые материалы для имплантологии – беспористые и пористые сплавы с памятью формы на основе никелида титана (TiNi), проявляющие в изотермических условиях, в том числе при температуре тела, эластичные свойства в пределах деформаций до 10 % (рис. 3).
Такая необходимость была вызвана тем, что в изотермических условиях при температуре 34–42 °С почти все ткани организма проявляют высокие эластичные свойства и характеризуются значительной обратимой деформацией (возврат прежней формы отмечается при деформации 2 % и более). При этом изменение формы тканей сопровождается широким гистерезисом ΔН – величина между накоплением и возвратом деформации на деформационной зависимости σ – ε (рис. 2). Такое поведение тканей принципиально меняет традиционный подход к выбору имплантационных материалов.
Рисунок 3 – Деформационная зависимость (ε – σ) сплава на основе никелида титана и различных биологических тканей: 1 – волос; 2 – живая костная ткань; 3 – мягкая ткань (сухожилие); 4 – сплав никелида титана
Никелид титана, несмотря на свои эластические свойства, по химической структуре и составу не соответствует костной ткани, которой входящие в ее состав фосфаты кальция придают свойства, близкие к керамике. Это мешает их взаимодействию по второму и особенно третьему способам фиксации имплантатов в организме (см. выше), что приводит к образованию тонкой прослойки соединительной ткани на границе раздела изделие-кость. Это ограничивает использование никелида титана в ортопедии, травматологии и стоматологии в связи с частым неуспехом имплантатов – расшатыванием конструкции, требующим ее удаления из-за угрозы развития инфекционного воспаления.