Освіта оксидної плівки на поверхні титану

Відео: Операція по установці імпланта Bio3 на нижню щелепу

Як уже неодноразово зазначалося, титан і його сплави знайшли широке використання в медичних та стоматологічних імплантатах. Успіх титанових сплавів обумовлений відсутністю деградації сплаву при знаходженні в біологічному середовищі і мінімальним відгуком навколишніх тканин на його присутність (Thull et al., 1992 Thull, 1994- Ciada et al., 1997 Jacobs et al., 1998 Alcantara et al. , 1999) Цей рівень корозійної стійкості і біосумісності з людським тілом обумовлений перш за все наявністю надзвичайно інертною металооксидних плівки (Майже стехиометрический TiO₂), Спонтанно утворюється на поверхні титану. Титан є надзвичайно реакційно-здатним металом, який при впливі повітря або води швидко окислюється (протягом мілісекунд). Саме завдяки наявності цієї надзвичайно тонкої плівки (близько 10-100 А), яка служить бар`єром для безперервного окислення, титан зберігає свою металеву форму. Окислення титану (залишаючи осторонь на час ємнісне заряджання кордону розділу) може йти по таких реакцій з виходом електронів (створюючи перехідні струми) (Gilbert et al., 1996):

Ti + H₂O TiO₂ + 4H⁺ + 4e^-

і

Ti Ti³⁺ + 3e^-.

Є й інші можливі реакції, однак цілком можливо, що тут представлені основні реакції.

реакція:

Ti + O₂ TiO₂

не генерує будь-яких електронів, яких можна зареєструвати потенціостатичні методами. Таким чином, ця остання реакція, навіть якщо вона присутня, не вноситиме вклад в генеровані перехідні струми.

Внаслідок важливої ролі пасивної оксидної плівки титану для забезпечення биосовместимости (опору корозії), вирішальне значення має показник, що характеризує здатність діоксиду титану чинити опір механічної, хімічної і електрохімічної деградації (Healy et al., 1992 Gilbert et al., 1996).

Кристалічна решітка у титану може існувати в ряді фаз, які можна отримати за допомогою різних добавок. Титанові сплави підрозділяються на &alpha--, &alpha--&beta--, і &beta - сплави. Крім того, в будь-якому випадку в металі ще присутній &omega - фаза. Деякі інгредієнти ініціюють &alpha - фазу, в той час як інші - &beta - фазу. &alpha - Титан стабілізують такі елементи як Al, Sn, Zr, В, С, N і О (Hillmann, Donath, 1996), а &beta - фазу активують V, Mo, Nb, Cr, Fe, Mn (Thull, 1996).

У травматології і ортопедії останнім часом все частіше стали використовувати матеріали виготовлені на основі &beta - фази Ti. Слід ще раз відзначити, що в них завжди присутні домішки, зокрема &alpha - титан.

Практичне використання титану для виготовлення хірургічних імплантатів було предметом розгляду на численних конференціях, симпозіумах і конгресах (ASTM 1983 Thull, 1988, 1996 EMBEC, 1999). Найбільш широко застосовуються в стоматологічних і ортопедичних цілях титан (а) і сплав Ti-6Al-4V (&alpha-, &beta-). Чистий титан використовується рідше, переважно для стоматологічних імплантатів і як матеріал для нанесення пористих покриттів на імплантати, так як його міцність нижче, ніж у сплавів з легуючими добавками. Модуль пружності для Ti становить близько 110 ГПа, а для Co-Cr-сплавів - 210 ГПа (Imam, Fraker, 1996). Проте, його міцність приблизно в п`ять разів перевершує міцність кісткової тканини - 20 ГПа. Це робить даний метал дуже перспективним при створенні апаратів і пристроїв для остеосинтезу (Карлов і ін., 1996 Muller et al., 1990 Мюллер, 1996- Thull, 1994).

Інші титанові сплави, включаючи &beta - титан, використовуються в якості різних хірургічних імплантатів, ендопротезів, вимоги міцності для яких вище, ніж для чистого титану. Серед титанових сплавів &beta - титанові форми пропонують найбільшу можливість застосування в імплантатах завдяки легкості обробки, високим механічним властивостям, що дозволяє переносити багаторічні циклічні навантаження (Imam, 1996- Thull, 1994).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системи зовнішньої фіксації і регуляторні механізми оптимальної біомеханіки