Что такое биомедицинские титановые сплавы и в чем заключается их применение?

Биомедицинские титановые сплавы используются в имплантатах и медицинских изделиях, поскольку они сочетают в себе биосовместимость, коррозионную стойкость, достаточную прочность и относительно низкую плотность. Коммерчески чистый титан и Ti-6Al-4V являются общепринятыми материалами, в то время как сплавы β-типа с более низким модулем упругости в настоящее время изучаются с целью уменьшения несоответствия жесткости с костью. Ниже приводится сравнение их применений и выбора материалов.

Что такое биомедицинский титановый сплав?

Биомедицинские материалы взаимодействуют с биологическими системами с целью диагностики, лечения, восстановления или замены тканей и органов, а также для улучшения их функционирования. К ним относятся медицинские металлы, полимеры и керамика. Металлы играют особенно важную роль в производстве ортопедических и сердечно-сосудистых изделий. Титан обладает благоприятной биологической реакцией, хорошей совместимостью с тканями и отсутствием собственных магнитных свойств, что способствует его широкому применению в медицине.

Биомедицинские титановые сплавы сочетают в себе биосовместимость, механические характеристики, коррозионную стойкость и низкую плотность. Высокая прочность и относительно низкий модуль упругости позволяют уменьшить эффект «защитного экрана» и способствуют заживлению кости. Титан является биоинертным и коррозионно-стойким в физиологических средах. Его плотность составляет примерно 56% от плотности нержавеющей стали, что позволяет снизить вес имплантата. Разработки продвинулись от коммерчески чистого титана и Ti-6Al-4V к модифицированным сплавам и β-титановым сплавам с низким модулем упругости.

Классификация и механические свойства

Биомедицинские титановые сплавы классифицируются по микроструктуре как α-, α+β- или β-сплавы. В клинической практике по-прежнему широко используются коммерчески чистый титан и Ti-6Al-4V. Основной предметом исследований являются β-сплавы с более низким модулем упругости и улучшенной биосовместимостью.

Сплавы второго и третьего поколений, как правило, обладают более низким модулем упругости и содержат всё большее количество ниобия. Ti-35Nb-7Zr-5Ta и родственные системы Ti-Nb-Ta-Zr относятся к материалам с наименьшим модулем упругости из представленных в данной таблице. Указанный модуль упругости для Ti-35Nb-7Zr-5Ta составляет 55 ГПа, тогда как для кости он составляет примерно 30 ГПа. Особо хорошо изучены сверхупругие β-сплавы Ti-Nb.

К новым β-сплавам относятся системы Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr и Ti-Ta. Потенциально вредные V, Al, Ni и Cr всё чаще заменяются биосовместимыми Nb, Zr, Ta, Sn, Pt и Mo. Сплавы Ti-Nb обладают низким модулем упругости, не содержат алюминия и ванадия и широко изучаются в качестве медицинских металлов.

Биомедицинские свойства

Высокая удельная прочность

Плотность титановых сплавов составляет около 4,51 г/см³, что составляет примерно 60% от прочности стали. Чистый титан по прочности приближается к обычной стали, тогда как высокопрочные титановые сплавы превосходят многие конструкционные стали. Их высокое соотношение прочности к плотности позволяет изготавливать прочные, жесткие и легкие детали. Обычные медицинские α-сплавы могут вызывать явление «защитного экрана» из-за более высокого модуля упругости. Легирование, пластическая деформация и термическая обработка могут изменить кристаллическую структуру и снизить модуль упругости имплантата.

Коррозионная стойкость

Титановые сплавы превосходят нержавеющую сталь по своим характеристикам в условиях влажного воздуха и морской воды, а также обладают стойкостью к точечной коррозии, воздействию кислот и коррозии под напряжением. Кроме того, они устойчивы к воздействию щелочей, хлоридов, хлорированных органических соединений, азотной и серной кислот, хотя в некоторых восстановительных средах или средах, содержащих хроматы, их эксплуатационные характеристики ухудшаются.

1. Ti-39Nb демонстрирует в физиологическом растворе поведение при коррозионном разрушении, сопоставимое с чистым титаном, и значительно лучше ведет себя в средах, содержащих фториды.
2. Сплав Ti-10Nb-10Zr демонстрирует хорошие характеристики в растворе NaCl 3,5% и искусственной слюне, причем в искусственной слюне скорость деградации у него особенно низкая.
3. Сплавы Ti-26Nb-4Zr-3Mn и Ti-26Nb-4Zr-5Mn демонстрируют высокие коррозионные потенциалы и низкие плотности тока в растворе Хэнка, что свидетельствует об их хорошей коррозионной стойкости.