Титан и его сплавы как биоматериалы

Материалы, которые применяют для протезирования – биоматериалы – должны обладать специфическими свойствами. Наиболее важными их свойствами являются биологическая совместимость и коррозионная стойкость. Основными биоматериалами являются нержавеющие стали и кобальтовые сплавы, а также титан и его сплавы.

Титан – конкурент нержавеющим сталям

Аустенитные нержавеющие стали были первыми металлическими биоматериалами, которые успешно применялись в качестве имплантатов. В тридцатые годы прошлого века специально для медицинских целей был разработан сплав на основе кобальта под названием Vitallium. Титан и его сплавы являются новейшими металлическими материалами, в том числе, в протезировании зубов.

Титан и его сплавы в медицине

В настоящее время титановые сплавы являются наиболее привлекательными материалами для биомедицинского применения. В медицине из них изготавливают имплантанты для замены поврежденных твердых тканей. Примерами могут быть искусственные суставы бедра и колена, костные пластины, элементы крепления и даже детали искусственного сердца.

Долгое время основным титановым медицинским сплавов был сплав Ti-6Al-4V. Однако затем стали считать, что постоянное присутствие этого сплава в теле может иметь на него токсичное влияние из-за выделения ванадия и алюминия. По этой причине были разработаны новые титановые сплавы для применения в имплантантах, которые не содержат ванадий и алюминий. Эти новые сплавы включают сплавы Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb-13Zr и Ti-12Mo-6Zr.

Титан: биологическая совместимость

Промышленно чистый титан считается лучшим биологически совместимым металлическим материалом, так как он спонтанно образует стабильный и инертный оксидный слой. Основными физическими свойствами титана, которые обеспечивают ему биологическую совместимость, являются:
— низкий уровень электронной проводимости;
— высокая коррозионная стойкость;
— термодинамическая устойчивость при физиологических величинах рН;
— низкая склонность к образованию ионов в водных средах и
— изоэлектрическая точка оксида 5-6.
Кроме того, поверхность титана, покрытая пассивной пленкой, является только слегка электрически заряженной при физиологических величинах рН. Также титан имеет диэлектрическую константу, сравнимую с той, что у воды, что обеспечивает ему кулоновское взаимодействие с заряженными объектами, которое аналогично воде.

Применение титана в зубном протезировании

Титан и его сплавы широко применяются в зубном протезировании при изготовлении имплантантов, коронок, мостов и различных крепежных элементов (рисунок). В настоящее время применяют четыре марки – от 1 до 4 – нелегированного промышленно чистого титана (cp Ti) и один титановый сплав, который был специально разработан для зубных имплантантов. Этот сплав, который содержит 6 % алюминия и 4 % ванадия, является самым прочным.

implantantymostimplantanty2metallo-keramicheskiy-mostРисунок — Примеры применения титановых сплавов в зубном протезировании

Титан марки 1 является самым чистым, обладает самой низкой прочностью и самой высокой пластичностью при комнатной температуре. Титан марки 2 является основным для промышленного изготовления зубных имплантанов. Гарантированный минимум предела текучести 275 МПа для титана марки 2 сравним с пределом текучести отожженной аустенитной нержавеющей стали.

Титан марки 3 имеет максимальное содержание железа 0,30 %, что ниже чем 0,40 % у марки 4. Титан марки 4 имеет самую высокую прочность среди марок нелегированного титана. Титановый сплав Ti-6Al-4V наиболее широко применяется для изготовления различных медицинских имплантантов, но реже в зубных имплантантах. Этот сплав обычно применяют в отожженном состоянии.

Титан в ортопедических протезах

Все марки нелегированного титана и титановый сплав Ti-6Al-4V обладают довольно низкой прочностью на сдвиг и низкой износостойкостью, чтобы их можно было широко применять в ортопедических протезах. Важно еще то, что величины модуля упругости титана (103-120 ГПа) и кости (10-30 ГПа) сильно отличаются. Это неблагоприятно сказывается на лечении и восстановлении кости. При разработке новых титановых сплавов возникает противоречие между модулем упругости и другим механическими характеристиками. При снижении модуля упругости прочность титанового сплава тоже снижается и наоборот.

В ортопедических протезах применяют титановые сплавы с легированием молибденом, ниобием, цирконием и другими элементами. Модуль упругости этих сплавов ближе к модулю упругости кости.

Источник: C.N. Elias et al, JOM, March 2008