Czym są biomedyczne stopy tytanu i jakie mają zastosowania?

Biomedyczne stopy tytanu znajdują zastosowanie w implantach i urządzeniach medycznych, ponieważ łączą w sobie biokompatybilność, odporność na korozję, odpowiednią wytrzymałość oraz stosunkowo niską gęstość. Tytan czysty handlowo i stop Ti-6Al-4V są materiałami o ugruntowanej pozycji, natomiast stopy β o niższym module sprężystości są obecnie badane pod kątem zmniejszenia niedopasowania sztywności względem kości. Poniżej porównano ich zastosowania i wybór materiałów.

Czym jest biomedyczny stop tytanu?

Materiały biomedyczne oddziałują z układami biologicznymi w celu diagnozowania, leczenia, naprawy lub zastępowania tkanek i narządów, a także poprawy ich funkcjonowania. Należą do nich metale medyczne, polimery i ceramika. Metale odgrywają szczególnie ważną rolę w produktach ortopedycznych i kardiologicznych. Tytan charakteryzuje się korzystną reakcją biologiczną, dobrą kompatybilnością z tkankami oraz brakiem naturalnych właściwości magnetycznych, co sprzyja jego szerokiemu zastosowaniu w medycynie.

Biomedyczne stopy tytanu łączą w sobie biokompatybilność, właściwości mechaniczne, odporność na korozję oraz niską gęstość. Wysoka wytrzymałość i stosunkowo niski moduł sprężystości mogą ograniczać zjawisko osłony naprężeń i wspomagać gojenie się kości. Tytan jest bioinercyjny i odporny na korozję w środowiskach fizjologicznych. Jego gęstość wynosi około 56% gęstości stali nierdzewnej, co pozwala zmniejszyć masę implantu. Rozwój w tej dziedzinie posunął się naprzód od tytanu czystego handlowo i stopu Ti-6Al-4V do stopów modyfikowanych oraz stopów tytanu β o niskim module sprężystości.

Klasyfikacja i właściwości mechaniczne

Stopy tytanu stosowane w medycynie dzieli się ze względu na mikrostrukturę na stopy typu α, α+β lub β. W praktyce klinicznej nadal powszechnie stosuje się tytan czysty handlowo oraz stop Ti-6Al-4V. Głównym przedmiotem badań są stopy β o niższym module sprężystości i lepszej biokompatybilności.

Stopy drugiej i trzeciej generacji charakteryzują się zazwyczaj niższym modułem sprężystości i zawierają coraz większe ilości niobu. Ti-35Nb-7Zr-5Ta oraz pokrewne układy Ti-Nb-Ta-Zr należą do materiałów o najniższym module sprężystości wymienionych w niniejszej tabeli. Podany moduł sprężystości dla Ti-35Nb-7Zr-5Ta wynosi 55 GPa, w porównaniu z około 30 GPa dla kości. Szczególnie dobrze zbadane są superelastyczne stopy β z grupy Ti-Nb.

Do nowych stopów β należą układy Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr i Ti-Ta. Potencjalnie szkodliwe pierwiastki, takie jak V, Al, Ni i Cr, są coraz częściej zastępowane przez biokompatybilne pierwiastki: Nb, Zr, Ta, Sn, Pt i Mo. Stopy Ti-Nb charakteryzują się niskim modułem sprężystości, nie zawierają aluminium ani wanadu i są szeroko badane jako metale medyczne.

Właściwości biomedyczne

Wysoka wytrzymałość właściwa

Stopy tytanu mają gęstość wynoszącą około 4,51 g/cm³, około 60% w stosunku do stali. Czysty tytan osiąga wytrzymałość zbliżoną do zwykłej stali, natomiast stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości przewyższają wiele stali konstrukcyjnych. Ich wysoki stosunek wytrzymałości do gęstości pozwala na wytwarzanie mocnych, sztywnych i lekkich elementów. Konwencjonalne stopy α stosowane w medycynie mogą powodować zjawisko osłony naprężeń ze względu na swój wyższy moduł sprężystości. Stopowanie, odkształcanie plastyczne i obróbka rozpuszczająca mogą modyfikować strukturę krystaliczną i zmniejszać moduł sprężystości implantu.

Odporność na korozję

Stopy tytanu przewyższają stal nierdzewną pod względem odporności na działanie wilgotnego powietrza i wody morskiej oraz są odporne na wżery, korozję kwasową i korozję naprężeniową. Są również odporne na działanie zasad, chlorków, chlorowanych związków organicznych, kwasu azotowego i kwasu siarkowego, choć ich właściwości są gorsze w niektórych środowiskach redukujących lub zawierających chromiany.

1. Ti-39Nb wykazuje w roztworze soli fizjologicznej zachowanie związane z korozją i degradacją porównywalne z czystym tytanem, a w środowiskach zawierających fluorki radzi sobie znacznie lepiej.
2. Ti-10Nb-10Zr wykazuje dobre właściwości w roztworze 3,5% NaCl oraz w sztucznej ślinie, przy czym w sztucznej ślinie odnotowuje się szczególnie niskie tempo degradacji.
3. Stopy Ti-26Nb-4Zr-3Mn i Ti-26Nb-4Zr-5Mn wykazują wysokie potencjały korozyjne i niskie gęstości prądu w roztworze Hanka, co wskazuje na dobrą odporność na korozję.