Напредък в титаниеви сплави за твърди тъканни импланти

Чистият титан и Ti-6Al-4V - най-ранните титанови и титанови сплави, използвани в клиничната практика, и първото поколение биомедицински титанови сплави. В началото на 1940- години чистият титан беше въведен в областта на биомедицината, особено в 1960- годините, чистият титан беше използван в оралните имплантати, тъй като медицинският материал беше бързо развит. Титановият сплав Ti-6Al-4V е най-широко произвежданият и използван титанов сплав, с висока здравина, добра производителност на обработка и други характеристики, първоначално използван в 1970-х годините за тазобедрени стави, колена ставите и други изисквания към прочности, износоустойчивости с повече висока част. частей.
По време на задълбочаване на прилагането на изследванията и голям брой експерименти и данни потвърди, че елемент V оказва токсичен болен ефект върху организма на човека. Начини с 1980-х години, страните продължават да обработват титанови сплави от второ поколение, несъдържащи V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-2.5Fe и други. Въпреки това елементът Al в тези сплави не е заменен и много показаха, че Al, като хронична накопителна невротоксичност, е важен фактор при възникване на изследванията на болестта на Алцгеймера. Междувременно, въпреки че модулът на устойчивост на медицинско титаново сплав от първо и второ поколение (около 100 GPa) е значително по-нисък, отколкото в нержавещата сталь (190 GPa), той е равен в 4-10 повече, отколкото в костите ({{9} } ГПа), което по-нататък предизвиква «екраниране на напрежението», предизвикващо резорбцията на костите и разрушаването около имплантата, което сериозно влияе върху дългосрочните резултати от имплантацията. Третото поколение имплантанти беше за първи път пуснато в САЩ и Япония.

САЩ и Япония първи започнаха разработката на трето поколение медицински титанови сплави -типа, основното средство - добавяне на Nb, Mo, Ta, Sn и други -стабилни, биосъвместими елементи, първият нов нискомодулен титанов сплав -типа Ti-13Nb{{5 }}Zr беше официално включен в международните медицински стандарти, след това САЩ разработиха Ti-12Mo-6Zr-2Fe субстабилен титанов сплав -тип, който беше официално включен в световните медицински стандарти през 2000 г., и САЩ е най-популярният в света титанов сплав -тип. Титановият сплав Ti-12Mo-6Zr-2Fe субстабилизиран -типа е разработен в САЩ и през 2000 г. той е използван за производство на бедрени ножки на системи за протезиране на тазобедрени стави от компанията Strker, която е дочерна компанията крупнейшей в света на професионалната група ортопеди, и получава клинично приложение в Китай. Освен това, в Япония са разработени нетоксични нискомодулни титанови сплави, като Ti-29Nb-13Ta-5Zr, екипът на изследователя Хао Юлиня от Института за метали на Китайската академия на науките разработи нов тип нискомодулно титаново сплав -типа за медицинско приложение - Ti2448 и т.д.
Благодарение на оптималното оборудване на съдържанието - стабилизиращите елементи, термомеханичната обработка за контрол на организацията на сплава и стабилността - фази, модулната устойчивост, прочността и други ключови характеристики на титановите сплави могат да се регулират в широк диапазон. Учените в страната и за рубежа са разработени около ста нискомодулни титанови сплави, с дизайн на сплав от бинарна система до шестчленна система, с участието на около 20 легиращи елемента, с помощта на методите на проектиране на състава на сплава и прогнозирането на организационните свойства с помощта на количеството Mo, коефициент на стабилност K , теория легиране на d-електрони, средна концентрация на електрони e/a, принцип на първата природа и теория на молекулярните орбитали, и дизайн на сплави от бинарна до шестчленна система, с участието на около 20 легиращи елемента. В съответствие с други различни добавки, те могат да бъдат разделени на сплави на базата на Ti-Mo, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-Zr и др. По-високо пречислените нискомодулни титанови сплави, като правило, притежават добра корозионна устойчивост и биологична безопасност благодарение на добавянето на нетоксични, лесно пасивирани корозионно-устойчиви елементи. Какво се отнася до модула за удължаване, чрез регулиране на легиращи елементи и системи за термообработка, можете да регулирате модула за удължаване в граници 35GPa~110GPa. Например, модулът на упругост на сплава Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr може да бъде понижен до 55GPa чрез обработка с твърд разтвор при стареене; въвеждането на елементи Mo и Mn в системата Ti-Zr стабилизира -фазата в сплава Ti-Zr за сметка на синергичния ефект, а модулната устойчивост може да бъде понижена до 35,1~39,1GPa, което основно съответства на костната тъкан на човешкото тяло; и субстабилният -върхът на сплава Ti-33Nb-4Sn може да бъде понижен чрез термомеханична обработка, което като цяло отговаря на костната тъкан на човешкото тяло. Сплав 4Sn може да постигне добро съчетание на ултранизък модул на устойчивост (36 GPa) и висока якост (853 MPa) чрез термомеханична обработка, което има по-големи перспективи за приложение при възстановяване на твърди тъкани.

Функционалност - още едно важно насочване на развитието на нови медицински титанови сплави, сред които антибактериалните титанови сплави са предмет на по-задълбочени изследвания. Явявайки се биологично инертен материал, титановият сплав не притежава антибактериални или противомикробни свойства, и при имплантиране в човешкия организъм той може да разпространи вредни бактерии и да предизвика инфекции, които в сериозни случаи могат дори да доведат до отказ на имплантацията. Добавянето на Cu, Ag и други легитимни елементи в титановите сплави позволява да се придадат титанови сплави определени антибактериални ефекти, осигуряващи при това техните основни механични свойства. Например, сплавът на TiNiAg при обработката на твърд разтвор със старение, Staphylococcus aureus, Escherichia coli показа очевидни бактериостатични свойства, запазвайки при това добър ефект на паметта на формата и биосъвместимостта. Освен това, Ян Ке и др. от Института на металите на Китайската академия на науките разработи серия от медсъдържащи медицински титанови сплави, йони меди се освобождават, когато съдържанието на меди достигне повече от 5% от процентното съдържание на сплав, за да се получат стабилни и стабилни антимикробни свойства срещу золотистия стафилокок и кишечна палочка, а кумулативната концентрация на свободните йони в меди е била много по-ниски сутъчни нужди от мед за човешкия организъм, препоръчани от ВОЗ, затова се счита, че Ti-5Cu притежава добра биосъвместимост. Лю и други [15] също са дошли до извода, че сплавът на Ti-5Cu може да постигне оптимално комбиниране на комплексни свойства, такива като механични свойства, биосъвместимост и антимикробни свойства, които могат значително да увеличат дебелината на бактериалната биопленка, създавана от бактерията с висока плътност, убивающая бактерия и препятствующая бактериална адгезия. Освен това, наноструктурите с ячеиста морфология могат да бъдат получени в резултат на обработка на големи деформации, което още повече повишава механичните свойства на сплава на основата на Ti-Cu.