Komercijalno čisti titan i alfa-beta legura Ti-6Al-4V, označeni TC4 u kineskim standardima, dominiraju tržištem ortopedskih i zubnih implantata zbog niske gustoće od oko 4,5 g/cm³, visoke specifične čvrstoće, spontane pasivizacije i, u slučaju nelegiranog titana, vrlo dobre tolerancije tkiva. Nekoliko desetljeća kliničkog iskustva ipak je razotkrilo tri ponavljajuće slabosti: zaštitu od naprezanja uzrokovanu neusklađenošću modula s kosti, neadekvatnu otpornost na trošenje i otpuštanje iona unutar tijela povezano s korozijom. Svaki način kvara ima drugačiji fizički uzrok i zahtijeva različite protumjere.
Prvi problem: Zaštita od naprezanja od neusklađenog modula elastičnosti
Modul elastičnosti Ti-6Al-4V je oko 110 GPa, dok modul koštanog tkiva leži između otprilike 10 i 30 GPa za kortikalnu kost i daleko niže za spužvastu kost. Implantat izrađen od Ti-6Al-4V stoga je oko četiri do deset puta čvršći od tkiva koje zamjenjuje. Nakon što je uređaj implantiran, on nosi najveći dio opterećenja, tako da je okolna kost zaštićena od mehaničkih podražaja koji su joj potrebni da bi se remodelirala i održala. Na sučelju se mehanička svojstva ne podudaraju, a budući da titan ne stvara kontinuiranu kemijsku vezu s kosti, fiksacija se oslanja na mehaničko međusobno spajanje, a ne na pravu kemijsku kombinaciju.
Praktične posljedice su progresivne: na sučelju se može formirati sloj fibroznog tkiva, mikrokretanje ostaje pod opterećenjem, ubrzava se resorpcija kosti oko implantata, a uređaj na kraju olabavi. Aseptičko popuštanje ove vrste još uvijek čini veliki udio revizijskih operacija u zamjeni kuka i koljena. Smanjenje modula elastičnosti legure ili povećanje kontaktne površine kosti kroz porozne strukture dva su prihvaćena inženjerska odgovora.
Drugi problem: Otpornost na habanje i upala-izazvana krhotinama
Legure titana imaju relativno visok koeficijent trenja i ograničenu otpornost na klizno trošenje. U zglobnom spoju metalna površina opetovano se trlja o polimernu ili keramičku protupovršinu, a pasivni oksidni film koji inače štiti metal pukne se neravnim kontaktom. Film se gotovo trenutno reformira, ali krhotine nastale tijekom puknuća, zajedno s metalnim česticama koje se oslobađaju s površine, proizvode biološku reakciju u okolnom tkivu: trajnu upalu, inhibiranu proliferaciju osteoblasta, poremećenu pregradnju kosti i, dugoročno gledano, resorpciju kosti oko komponente.
Osteoliza -izazvana česticama i povezano aseptičko labavljenje stoga su potaknuti performansama trošenja, a ne čvrstoćom. To je razlog zašto se površinsko otvrdnjavanje nitriranjem, anodnom oksidacijom ili tvrdim premazima procjenjuje prema volumenu i raspodjeli veličine krhotina koje stvara, a ne samo prema površinskoj tvrdoći, i zašto se zglobni parovi sve više dizajniraju tako da nijedna titanijska površina ne nailazi izravno na drugu metalnu površinu.
Treći problem: korozija i otpuštanje iona u tjelesnim tekućinama
U prirodnim atmosferskim uvjetima legura titana gotovo trenutačno reagira s kisikom stvarajući gusti oksidni film. Taj film ostaje dugo stabilan i sprječava daljnju reakciju između metala i zraka ili vode, pa titan i njegove legure pokazuju izvrsnu otpornost na koroziju u uobičajenoj uporabi. Fiziološko okruženje je puno agresivnije. Tjelesna tekućina je gazirana otopina klorida koja se održava na oko 37 stupnjeva, a oko upaljenog ili zaraženog mjesta lokalni pH može pasti u kiseli raspon, dok proteini i vodikov peroksid dodatno mijenjaju kemijski sastav površine.
Kada je legura duže vrijeme izložena ovom okruženju, površinski oksidni film ima tendenciju ljuštenja ili lokalnog otapanja, performanse komponente na zamor se pogoršavaju, a elementi legure kao što su aluminij i vanadij postupno se otpuštaju u tijelo. Oba su elementa povezana s problemima citotoksičnosti, a posebice aluminij može ometati stvaranje apatita na površini kosti. Za dugotrajne-implantate ovo je potaknulo razvoj prema kemiji bez-vanadija i-aluminija te prema zaštitnim premazima koji supstrat drže izvan izravnog kontakta s tjelesnom tekućinom.
Strategije ublažavanja: Dizajn legure i modifikacija površine
Dva komplementarna pristupa koriste se za poboljšanje ukupne učinkovitosti primjene medicinskih legura titana.
Projektiranje sastava legure i kontrola mikrostrukture.Metastabilne beta i skoro{0}}beta legure s nižim modulom elastičnosti, kao što su Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe i Ti-15Mo, smanjuju neusklađenost krutosti uz zadržavanje visoke čvrstoće. Termomehanička obrada i toplinska obrada koriste se za kontrolu veličine zrna, faznog udjela i teksture, jer ove varijable upravljaju čvrstoćom na zamor i osjetljivošću zareza kao i modulom.
Modifikacija površine.Anodna oksidacija i mikro{0}}lučna oksidacija, toplinska oksidacija, prevlake od hidroksiapatita ili kalcijevog fosfata, plazma{1}}naneseni keramički slojevi, prevlake od titanovog nitrida i dijamanta-ugljika te pjeskarenje u kombinaciji s kiselim jetkanjem primjenjuju se na površine od titana i legura titana. Površinska modifikacija zadržava povoljna mehanička i biološka svojstva supstrata dok značajno poboljšava kliničku izvedbu, zbog čega sada privlači sve veću pozornost u biomedicinskom polju.
Odabir materijala za implantate obično se izražava kroz priznate specifikacije: nelegirani titan prema ASTM F67 ili ISO 5832-2, kovani Ti-6Al-4V prema ASTM F1472 ili ISO 5832-3, ekstra-niski intersticijski Ti-6Al-4V ELI prema ASTM F136, Ti-13Nb-13Zr prema ASTM F1713, Ti-12Mo-6Zr-2Fe prema ASTM F1813 i Ti-15Mo prema ASTM F2066.
Usporedba modula i specifikacija
| Materijal | Približni modul elastičnosti | Ključna karakteristika | Tipična specifikacija |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V (TC4) | oko 110 GPa | Jaka alfa-beta radna snaga, niža cijena | ASTM F1472, ISO 5832-3 |
| Ti-6Al-4V ELI | oko 110 GPa | Ekstra-niski međuprostor, bolja otpornost na zamor i lom | ASTM F136 |
| Ti-13Nb-13Zr | oko 79 GPa | Blizu-beta, niskog modula, bez vanadija | ASTM F1713 |
| Ti-12Mo-6Zr-2Fe | oko 74 do 88 GPa | Beta legura koja kombinira nizak modul s visokom čvrstoćom | ASTM F1813 |
| Ti-15Mo | oko 102 GPa | Beta legura s dobrom otpornošću na koroziju | ASTM F2066 |
Vrijednosti modula tipične su literaturne brojke za žareno stanje ili stanje tretirano otopinom i variraju ovisno o sadržaju faze i povijesti obrade. Procjena materijala kandidata stoga bi trebala kombinirati kemijsku analizu, ispitivanje mikrostrukture, ispitivanje zamora u simuliranoj tjelesnoj tekućini i ispitivanje elektrokemijske korozije, jer -učinak tijela ovisi o kombinaciji kemije supstrata i stanja površine, a ne samo o modulu.
Često postavljana pitanja
P: Zašto Ti-6Al-4V uzrokuje zaštitu od naprezanja?
Njegov modul elastičnosti od oko 110 GPa je otprilike četiri do deset puta veći od modula kosti, tako da implantat nosi opterećenje, a okolna kost gubi mehanički podražaj koji joj je potreban, resorbira se i na kraju olabavi.
P: Koji su legirajući elementi u medicinskom titanu zabrinjavajući?
Aluminij i vanadij. Kada se oksidni film razbije, mogu se otpustiti u tkivo i uzrokovati zabrinutost zbog citotoksičnosti, pa su legure bez-vanadija i-aluminija poželjnije za dugotrajne-implantate.
P: Je li titan otporan na koroziju unutar ljudskog tijela?
Gusti oksidni film stabilan je u uobičajenim uvjetima, ali tjelesna tekućina -bogata kloridima na tjelesnoj temperaturi i lokalno sniženom pH može ga lokalno otopiti ili ukloniti, pogoršavajući učinak umora i oslobađajući ione.
P: Kako se titanski implantat fiksira na kost?
Uglavnom mehaničkim spajanjem i površinskom topografijom, jer se s kosti ne stvara kontinuirana kemijska veza; površinski tretmani se koriste za poboljšanje kontakta i apozicije kosti.
P: Koji površinski tretmani poboljšavaju kliničku učinkovitost?
Anodna oksidacija, mikro-lučna oksidacija, toplinska oksidacija, prevlake od hidroksiapatita i kalcijevog fosfata, titanijev nitrid ili dijamantni-karbonski slojevi i pjeskarenje s kiselim jetkanjem.
P: Može li se modul legure implantata smanjiti?
Da. Beta legure kao što su Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe i Ti-15Mo smanjuju modul na otprilike 74 do 102 GPa, u usporedbi s oko 110 GPa za Ti-6Al-4V.
