Wat zijn biomedische titaniumlegeringen en waarvoor worden ze gebruikt?

Biomedische titaniumlegeringen worden gebruikt in implantaten en medische hulpmiddelen omdat ze biocompatibiliteit, corrosiebestendigheid, bruikbare sterkte en een relatief lage dichtheid combineren. Commercieel zuiver titanium en Ti-6Al-4V zijn gevestigde materialen, terwijl β-legeringen met een lagere modulus worden onderzocht om de stijfheidsverschillen met bot te verminderen. Hieronder worden hun toepassingen en materiaalkeuzes vergeleken.

Wat is een biomedische titaniumlegering?

Biomedische materialen werken samen met biologische systemen om weefsels en organen te diagnosticeren, te behandelen, te herstellen of te vervangen, of om hun functie te verbeteren. Hiertoe behoren medische metalen, polymeren en keramiek. Metalen zijn met name van belang in orthopedische en cardiovasculaire producten. Titanium kent een gunstige biologische reactie, een goede compatibiliteit met weefsel en vertoont geen inherent magnetisch gedrag, waardoor het op grote schaal in de geneeskunde wordt toegepast.

Biomedische titaniumlegeringen combineren biocompatibiliteit, mechanische eigenschappen, corrosiebestendigheid en een lage dichtheid. Een hoge sterkte en een relatief lage elasticiteitsmodulus kunnen spanningsafscherming verminderen en de botgenezing bevorderen. Titanium is bio-inert en corrosiebestendig in fysiologische omgevingen. De dichtheid ervan bedraagt ongeveer 56% die van roestvrij staal, waardoor het gewicht van implantaten wordt verminderd. De ontwikkeling is geëvolueerd van commercieel zuiver titanium en Ti-6Al-4V naar gemodificeerde legeringen en β-titaniumlegeringen met een lage modulus.

Classificatie en mechanische eigenschappen

Biomedische titaniumlegeringen worden op basis van hun microstructuur ingedeeld in α-, α+β- of β-legeringen. Commercieel zuiver titanium en Ti-6Al-4V worden in de klinische praktijk nog steeds op grote schaal gebruikt. β-legeringen met een lagere modulus en verbeterde biocompatibiliteit vormen een belangrijk onderzoeksgebied.

Legeringen van de tweede en derde generatie hebben over het algemeen een lagere elasticiteitsmodulus en bevatten steeds grotere hoeveelheden niobium. Ti-35Nb-7Zr-5Ta en verwante Ti-Nb-Ta-Zr-systemen behoren tot de materialen met de laagste elasticiteitsmodulus die hier zijn opgenomen. De vermelde elasticiteitsmodulus bedraagt 55 GPa voor Ti-35Nb-7Zr-5Ta, vergeleken met ongeveer 30 GPa voor bot. Superelastische β-legeringen van Ti-Nb zijn bijzonder goed bestudeerd.

Tot de nieuwe β-legeringen behoren Ti-Nb-, Ti-Mo-, Ti-Zr- en Ti-Ta-systemen. Potentieel schadelijke elementen als V, Al, Ni en Cr worden in toenemende mate vervangen door biocompatibele elementen als Nb, Zr, Ta, Sn, Pt en Mo. Ti-Nb-legeringen hebben een lage elasticiteitsmodulus, bevatten geen aluminium en vanadium en worden op grote schaal onderzocht als medische metalen.

Biomedische eigenschappen

Hoge specifieke sterkte

Titaniumlegeringen hebben een dichtheid van ongeveer 4,51 g/cm³, ongeveer 60% van staal. Zuiver titanium benadert de sterkte van gewoon staal, terwijl hoogsterkte titaniumlegeringen die van veel constructiestaalsoorten overtreffen. Dankzij hun hoge verhouding tussen sterkte en dichtheid kunnen er sterke, stijve en lichtgewicht onderdelen worden vervaardigd. Conventionele medische α-legeringen kunnen spanningsafscherming veroorzaken vanwege hun hogere elasticiteitsmodulus. Door legering, plastische vervorming en oplossingsbehandeling kan de kristalstructuur worden aangepast en de modulus van het implantaat worden verlaagd.

Corrosiebestendigheid

Titaniumlegeringen presteren beter dan roestvrij staal in vochtige lucht en zeewater en zijn bestand tegen putcorrosie, zuuraanval en spanningscorrosie. Ze zijn ook bestand tegen alkaliën, chloriden, gechloreerde organische stoffen, salpeterzuur en zwavelzuur, hoewel de prestaties in sommige reducerende of chromaathoudende media minder goed zijn.

1. Ti-39Nb vertoont in fysiologische zoutoplossing een corrosie- en afbraakgedrag dat vergelijkbaar is met dat van zuiver titanium, en presteert aanzienlijk beter in fluoridehoudende omgevingen.
2. Ti-10Nb-10Zr presteert goed in 3.5% NaCl en kunstmatig speeksel, met een bijzonder lage afbraaksnelheid in kunstmatig speeksel.
3. Ti-26Nb-4Zr-3Mn en Ti-26Nb-4Zr-5Mn vertonen hoge corrosiepotentialen en lage stroomdichtheden in de Hank-oplossing, wat wijst op een goede corrosiebestendigheid.