Титан і його сплави

Відео: Відео обробки турбінної лопатки керамічним інструментом Kennametal США

З позиції хімічної та електрохімічної біосумісності титан є найкращим металом для виготовлення ортопедичних імплантатів.

Титан був відкритий в 1794 р і отримав назву від грецького Titanium. Це кольоровий метал сріблястого кольору, тугоплавкий, міцний, пластичний, є дев`ятим за поширеністю елементом земної кори. Основними формами його прояву в природі є рутил TiO2 і ільменіт FeO.TiO2. У хімічній таблиці Д.І. Менделєєва титан займає 22 місце, має м.м. 43,90 Д.

Отримання титану в кількостях, достатніх для промислового використання, почалося після розробки процесу Кролла в 1936 р Титан має високе відношення міцності до ваги, яке робить його привабливим при створенні легких в порівнянні зі сталлю конструкцій. Дуже стійкий, завдяки освіті оксидного шару. У природі оксид титану - кристалічна речовина з температурою плавлення від тисячі шістсот сімдесят вісім до 1850 ° С. Точка кипіння становить 3260 ° С. У порівнянні з іншими металами, використовуваними в якості імплантатів в медицині, титан має ряд переваг (Thull 1992 року, 1996- Gronowicz et al., 2000):

Відео: Російські технології - "мрія" в титані

висока біосумісність;
корозійна стійкість;
біоінертністю;

немагнитность;
низька теплопровідність;
малий коефіцієнт лінійного розширення;
практично відсутність токсичності;
відносно менший, у порівнянні зі сталлю, питома вага.

Багато в чому аналогічними властивостями володіють Та, Zr і Nb. Однак їх запаси в світі в багато разів поступаються Ti і, отже, собівартість виробів з них надзвичайно висока.

Титан має ряд изоформ: &beta - форма Ti має кубічну решітку розміром 32,8 нм- &alpha - фаза титану представлена гексагональної кристалічної структурою, яка при 883 ° С відчуває алотропна перехід до об`ємно-центрованої кубічної &beta - формі. Цікаво, що гексагональная &alpha - фаза титану має розміри, близькі до ГА (головною мінеральної складової кісткового матриксу). Так, якщо у Ti осі в кристалической решітці рівні: А = 29,5 нм, а З = 4,68 нм, то у ГА ці показники, відповідно, становлять 20 і 5 нм (Улумбекова і ін., 1997). Можливо, така структура дозволяє титановим імплантатів, що містить якусь частку &alpha - фази, досить швидко інтегруватися з кістковою тканиною, що спостерігається через один-два роки після введення титанових імплантатів в організм (Thull, 1990).

Титан при попаданні в організм під дією механічної деформації, іонів хлору і корозії частково Біодеградуючі і дифундує в навколишні тканини. Слід зазначити, що токсичних ефектів або алергізації при цьому, на відміну від цирконієвих і железохромових сплавів, навіть при досить високому рівні змісту даного металу в тканинах, як правило, не відбувається (Ikarashi et al., 1996 Mu et al., 2000) .

Однак при розробці імплантатів слід пам`ятати, що Ti має здатність накопичуватися в кістках.

Титанові імплантати здатні утворювати оксидний шар і відносяться до імплантатів другого покоління. Вони стали активно використовуватися в медицині близько 25-30 років тому.

При приміщенні титанового імплантату в біологічне середовище на його поверхні проходять складні процеси, серед яких можна виділити два основних - оксидування і гідратірованіем.

Теоретично гідратірованіем титану може йти шляхом проникнення в його атомну решітку атомарного водню з утворенням одно- або двовалентних гідридів. Однак такий шлях малоймовірний через конкуренцію з атомами кисню, які досить швидко утворюють оксидні шари. Можливо, що цей процес протікає більш складним способом з утворенням плівки з окису титану, двоокису титану (рутилу і анатазу) і TiH2. Така багатофазна структура, з урахуванням постійно триваючого процесу біодеградації, утворює складну динамічну систему, що узгоджується багато в чому з поглядами К.В. Шішокіной (1963) і Н.Д. Томашева (1985).

З одного боку, іони водню руйнують титан, з іншого - кисень утворює оксид титану, який захищає його від цього процесу. При розробці Ti імплантатів слід врахувати той факт, що товщина оксидної плівки буде багато в чому обмежувати стійкість даного металу до корозії. З позиції електрохімії і біомеханіки товщина оксиду титану близько 50 нм є оптимальною для його захисту.

Емпірично це підтверджується даними ASTM, при отриманні яких, однак, був використаний в більшій мірі механічний, ніж біологічний підхід. Проте, дані принципи в цілому справедливі і можуть бути використані в практичній медицині.

При використанні більш товстого оксидного шару він ставати крихким, легко пошкоджується при механічному впливі і не придатний для медичних імплантатів.

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