Сучасні підходи в розробці біосумісних титанових сплавів з підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей
DOI:
https://doi.org/10.15407/steelcast2022.02.088Ключові слова:
біомедичні титанові сплави, ендопротезування, біосумісність, сплави з низьким модулем пружності, Ti-Zr-Nb, Ti-Zr-Nb-SnАнотація
Представлено аналіз головних аспектів створення титанових сплавів для ендопротезування, які б володіли найбільш оптимальним комплексом експлуатаційних характеристик – біосумісності та механічних властивостей. Відомі біомедичні сплави, які досі широко використовуються, мають у своєму складі токсичні компоненти – Al, V, Fe, Cr та Со. Очевидно, що максимальна біосумісність досягається завдяки легуванню титану нетоксичними елементами, перелік яких серед неблагородних металів дуже обмежений: Zr, Nb, Ta, Sn, Mo.
Поєднання задачі забезпечення максимальної біосумісності та високих механічних властивостей вимагає знаходження оптимальних хімічних складів сплавів. При цьому важливо слідувати важливій сучасній умові забезпечення мінімального модуля пружності металу ендопротезу, що суттєво підвищує безпечність і довговічність його експлуатації. В ході аналізу літературних джерел було визначено, що даним вимогам найбільшою мірою відповідають сплави Ti-13Nb-13Zr, Ti-24Nb-12Zr та Ti-(24-26)Nb-(4-8)Zr-(7-8Sn). Їх межа міцності знаходиться на рівні 800–1000 МПа, а модуль пружності – на рівні 45–65 ГПа.
Розглянуто підходи і методи додаткового зниження модуля пружності з одночасним підвищенням міцності. Встановлено, що найбільш ефективними є підходи, які базуються на інтенсивній пластичній деформації, зерноподрібненні після рекристалізації та термічній обробці, яка включає в себе гартування та короткотривале старіння.
Завантажити
Посилання
Vadiradj, A., Kamaradj, M. (2010). Fretting fatigue behavior of surface modified biomedical titanium alloys. Transactions of the Indian Institute of Metals, vol. 63, iss. 2–3, april-june, pp. 217–223.
Muller, K., Valentine-Thon, E. (2006). Hypersensitivity to titanium: Clinical and laboratory evidence. Neuro Endocrinology Letters, vol. 27, pp. 31–35.
Shunxing, L. (2020). Review of the design of titanium alloys with low elastic modulus as implant materials. Advanced Engineering Materials, vol. 22 (11), doi: https://doi.org/10.1002/adem.202000555
Doniy, A.N., Voron, M.M., Voron, K.S. (2011). Criteria for the selection of alloying elements for titanium alloys for medical purposes. Bulletin of NTUU "KPI". Mechanical Engineering Series, no. 61, pp. 204–207 [in Russian].
Niinomi, M. (2011). Low Modulus Titanium Alloys for Inhibiting Bone Atrophy. Biomaterials Science and Engineering (Book). Edited by Prof. Rosario Pignatello, pp. 249–268, doi: https://doi.org/10.5772/24549
Silva, H.M., Schnedek, S.G., Neto, C.M. (2004). Study of nontoxic aluminum and vanadium-free titanium alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering C, no. 24 (5), pp. 679–682, doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2004.08.051
Xu, L., Xiao, S., Tian, J., Chen, Y., Huang, Y. (2009). Microstructure and dry wear properties of Ti-Nb alloys for dental prostheses. Transactions of nonferrous metals Society of China, no. 19, pp. 639–644, doi: https://doi.org/10.1016/S1003-6326(10)60124-0
Wang, K. (1996). The use of titanium for medical applications in USA. Material Science and Engineering, vol. 213, pp. 134–137, doi: https://doi.org/10.1016/0921-5093(96)10243-4
Kikuchi, M. et al. (2003). Mechanical properties and microstructures of cast Ti–Cu alloys. Dental materials, no. 19 (3), pp. 174–181, doi: https://doi.org/10.1016/S0109-5641(02)00027-1
Niinomi, M. (1999). Recent titanium R&D for biomedical applications in Japan. JOM, vol. 51, pp. 32–34, doi: https://doi.org/10.1007/s11837-999-0091-x
Ho, W.F., Ju, C.P., Lin, J.H. (1999). Structure and properties of cast binary Ti-Mo alloys. Biomaterials, no. 20 (22), pp. 2115–2122, doi: https://doi.org/10.1016/s0142-9612(99)00114-3
Yoshimitsu, O., Yoshimasa, I., Atsuo, I., Tetsuya, T. (1993). Effect of alloying elements on mechanical properties of titanium alloys for medical implants. Materials transactions JIM, vol. 34 (12), pp. 1217–1222, doi: https://doi.org/10.2320/matertrans1989.34.1217
Niinomi, M. (2008). Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, vol. 1, iss. 1, рp. 30–42, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2007.07.001
Hsueh, C.-H., His-Chen, L., Shih, C.-W., Yu-Sheng, H., Wen, F.H. (2010). Microstructure and grindability of as-cast Ti-Sn alloys. Journal of materials science, no. 45, pp. 1830–1836, doi: https://doi.org/10.1007/s10853-009-4166-4
Takahashi, M., Kikuchi, M., Okuno, O. (2009). Grindability of Dental Cast Ti-Zr Alloys. Materials Transactions, vol. 50 (4), pp. 859–863, doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2008403
Kong, Ji-Hyun et al. (2017). Hardness and corrosion resistance of dental Ti-Zr alloy by changes of zirconium contents. Korean Journal of Dental Materials, vol. 44 (4), pp. 387–393, doi: https://doi.org/10.14815/kjdm.2017.44.4.387
Gabriel, S.B., Dille, J., Nunes, C.A., Soares, G.A. (2010). The effect of niobium content on the hardness and elastic modulus of heat-treated Ti-10Mo-xNb alloys. Materials research, vol. 13 (3), pp. 333–337, doi: https://doi.org/10.1590/S1516-14392010000300009
Xiatong, B. et al. (2022). Exploring the limits of mechanical properties of Ti-Zr binary alloys. Materials Letters, vol. 318, 132091, doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132091
United States patent US 7722805 B2, Titanium alloy with extra-low modulus and superelasticity and its producing method and processing thereof. Published 25.05.2010
Shneider, S., Shneider, S.G., Silva, H.M., Moura Neto, C. (2005). Study of the Non-Linear Stress-Strain Behavior in Ti-Nb-Zr Alloys. Materials Research, vol. 8 (4), pp. 435–438, doi: https://doi.org/10.1590/S1516-14392005000400013
Moshin, T.M., Zahid, A.K., Arshad, N.S. (2014). Beta Titanium Alloys: The Lowest Elastic Modulus for Biomedical Applications: A Review. International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering, Vol.: 8 (8), pp. 726–731.
Zhang, L.C., Klemm, D., Eckert, J., Hao, Y.L., Sercombe, T.B. (2011). Manufacture by selective laser melting and mechanical behavior of a biomedical Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy. Scripta Materialia, vol. 65, iss. 1, pp. 21–24, doi: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.03.024
Niinomi, M. (2018). Recent progress in research and development of metallic structural biomaterials with mainly focusing on mechanical biocompatibility. Materials Transactions, vol. 59, pp. 1–13, doi: https://doi.org/10.2320/matertrans.M2017180
Meng, Q., Zhang, J., Huo, Y., Sui, Y., Guo, S., Zhao, X. (2018). Design of low modulus beta-type titanium alloys by tuning shear modulus C44. Journal of Alloys and Compounds, vol. 745, pp. 579–585, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.02.259
Yilmazer, H., Niinomi, M., Akahori, T., Nakai, M., Tsutsumi, H. (2009). Effects of Severe Plastic Deformation and Thermo-mechanical Treatments on Microstructures and Mechanical Properties of b-type Titanium Alloys for Biomedical Applications. Proc. PFAM XIII, pp. 1401–1410.
Guo, S. et al. (2015). Design and fabrication of a metastable β-type titanium alloy with ultralow elastic modulus and high strength. Scientific Reports, vol. 5, 14688, doi: https://doi.org/10.1038/srep14688
Yu, F. et al. (2021). A novel strategy for developing a + b dual-phase titanium alloys with low Young’s modulus and high yield strength. Journal of Materials Science & Technology, vol. 76, pp. 122–128, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.11.018
Strasky, J. et al. (2022). Achieving high strength and low elastic modulus in interstitial biomedical Ti–Nb–Zr–O alloys through compositional optimization. Materials Science and Engineering: A, vol. 839, 142833, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142833
Zhou, Y.L., Niinomi, M. (2009). Ti-25Ta alloy with the best mechanical compatibility in Ti-Ta alloys or biomedical applications. Materials Science and Engineering: C, vol. 29, pp. 1061–1065, doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.09.012
Bertrand, E. et al. (2010). Synthesis and characterisation of a new superelastic Ti–25Ta–25Nb biomedical alloy. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, vol. 3, pp. 559–564, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2010.06.007
Shun, G., Qingkun, M., Guangyue, L., Liang, H., Xinqing, Z. (2013). Microstructural evolution and mechanical behavior of metastable b-type Ti–25Nb–2Mo–4Sn alloy with high strength and low modulus. Progress in Natural Science: Materials International, vol. 23, pp. 174–182, doi: https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2013.03.008
Tane, M. et al. (2008). Peculiar elastic behavior of Ti–Nb–Ta–Zr single crystals. Acta Materialia, vol. 56, pp. 2856–2860, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2017.06.006
Alabort, E., Tang, Y.T., Barba, D., Reed, R.C. (2022). Alloys-by-design: A low-modulus titanium alloy for additively manufactured biomedical implants. Acta Materialia, vol. 229, 117749, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117749
Prilutsky, V.P., Akhonin, S.V., Schwab, S.L., Petrychenko, I.K. (2018). Effect of Heat Treatment on the Structure and Properties of Titanium Alloy VT22 Welded Joints Produced by TIG-Welding with Flux-Cored Wire. Materials Science Forum, vol. 927, рр. 119–125, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.927.119
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Михайло Ворон, Сергій Шваб, Роман Селін
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
