Advances in Titanium Alloys For Hard Tissue Implants

Чистый титан и Ti-6Al-4V - самые ранние титан и титановые сплавы, использовавшиеся в клинической практике, и первое поколение биомедицинских титановых сплавов. В начале 1940-х годов чистый титан был введен в область биомедицины, особенно в 1960-х годах, чистый титан был использован в оральных имплантатах, как медицинский материал был быстро развит. Титановый сплав Ti-6Al-4V является наиболее широко производимым и применяемым титановым сплавом, с высокой прочностью, хорошей производительностью обработки и другими характеристиками, начал использоваться в 1970-х годах для тазобедренных суставов, коленных суставов и других требований к прочности, износостойкости более высокой части. частей.
По мере углубления исследований и применения большое количество экспериментов и данных подтвердило, что элемент V оказывает токсичное побочное воздействие на организм человека. Начиная с 1980-х годов, страны продолжают разрабатывать титановые сплавы второго поколения, не содержащие V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-2.5Fe и другие. Однако элемент Al в этих сплавах не был заменен, и многие исследования показали, что Al, как хроническая накопительная нейротоксичность, является важным фактором в возникновении болезни Альцгеймера. Между тем, хотя модуль упругости медицинского титанового сплава первого и второго поколения (около 100 ГПа) значительно ниже, чем у нержавеющей стали (190 ГПа), он все равно в 4-10 раз выше, чем у кости (10-30 ГПа), что по-прежнему вызывает «экранирование напряжения», приводящее к резорбции кости и расшатыванию вокруг имплантата, что серьезно влияет на долгосрочные результаты имплантации. Третье поколение имплантатов было впервые запущено в США и Японии.

США и Япония первыми начали разработку третьего поколения медицинских титановых сплавов β-типа, основное средство - добавление Nb, Mo, Ta, Sn и других β-стабильных, биосовместимых элементов, первый новый низкомодульный титановый сплав β-типа Ti-13Nb-13Zr был официально включен в международные медицинские стандарты, затем США разработали Ti-12Mo-6Zr-2Fe субстабильный титановый сплав β-типа, который был официально включен в мировые медицинские стандарты в 2000 году, и США является самым популярным в мире титановым сплавом β-типа. Титановый сплав Ti-12Mo-6Zr-2Fe субстабилизированного β-типа был разработан в США, и в 2000 году он был использован для производства бедренной ножки системы протезов тазобедренного сустава компанией Strker, которая является дочерней компанией крупнейшей в мире профессиональной группы ортопедов, и получил клиническое применение в Китае. Кроме того, в Японии разработаны нетоксичные низкомодульные титановые сплавы, такие как Ti-29Nb-13Ta-5Zr, а команда исследователя Хао Юлиня из Института металлов Китайской академии наук разработала новый тип низкомодульного титанового сплава β-типа для медицинского применения - Ti2448 и т.д.
Благодаря оптимальному подбору содержания β-стабилизирующих элементов, термомеханической обработке для контроля организации сплава и стабильности β-фазы, модуль упругости, прочность и другие ключевые характеристики титановых сплавов могут регулироваться в широком диапазоне. Ученые в стране и за рубежом разработали около ста низкомодульных титановых сплавов, с дизайном сплава от бинарной системы до шестичленной системы, с участием около 20 легирующих элементов, с помощью методов проектирования состава сплава и прогнозирования организационных свойств с помощью количества Mo, коэффициента стабильности Kβ, теории легирования d-электронов, средней концентрации электронов e/a, принципа первой природы и теории молекулярных орбиталей, и дизайна сплавов от бинарной до шестичленной системы, с участием около 20 легирующих элементов. В соответствии с различными основными добавочными элементами, они могут быть разделены на сплавы на основе Ti-Mo, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-Zr и т.д. Вышеперечисленные низкомодульные титановые сплавы, как правило, обладают хорошей коррозионной стойкостью и биологической безопасностью благодаря добавлению нетоксичных, легко пассивируемых коррозионно-стойких элементов. Что касается модуля упругости, то путем регулирования легирующих элементов и системы термообработки можно регулировать модуль упругости в пределах 35ГПа~110ГПа. Например, модуль упругости сплава Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr может быть снижен до 55GPa путем обработки твердым раствором при старении; введение элементов Mo и Mn в систему Ti-Zr стабилизирует β-фазу в сплаве Ti-Zr за счет синергетического эффекта, и модуль упругости может быть снижен до 35,1~39,1GPa, что в основном соответствует костной ткани человеческого тела; и субстабильный β-тип сплава Ti-33Nb-4Sn может быть снижен путем термомеханической обработки, что в основном соответствует костной ткани человеческого тела. Сплав 4Sn может достичь хорошего сочетания ультранизкого модуля упругости (36 ГПа) и высокой прочности (853 МПа) путем термомеханической обработки, что имеет большие перспективы применения в восстановлении твердых тканей.

Функциональность - еще одно важное направление развития новых медицинских титановых сплавов, среди которых антибактериальные титановые сплавы являются предметом более глубоких исследований. Являясь биологически инертным материалом, титановый сплав не обладает антибактериальными или противомикробными свойствами, и при имплантации в организм человека он может занести вредные бактерии и вызвать инфекции, которые в серьезных случаях могут даже привести к отказу имплантата. Добавление Cu, Ag и других легирующих элементов в титановые сплавы позволяет придать титановым сплавам определенные антибактериальные эффекты, обеспечивая при этом их основные механические свойства. Например, сплав TiNiAg при обработке твердым раствором со старением, Staphylococcus aureus, Escherichia coli показал очевидные бактериостатические свойства, сохраняя при этом хороший эффект памяти формы и биосовместимость. Кроме того, Ян Ке и др. из Института металлов Китайской академии наук разработали серию медьсодержащих медицинских титановых сплавов, ионы меди высвобождались, когда содержание меди достигало более 5% от процентного содержания сплава, чтобы получить достаточные и стабильные антимикробные свойства против золотистого стафилококка и кишечной палочки, а кумулятивная концентрация высвобожденных ионов меди была намного ниже суточного потребления меди для человеческого организма, рекомендованного ВОЗ, поэтому считается, что Ti-5Cu обладает хорошей биосовместимостью. Лю и другие [15] также пришли к выводу, что сплав Ti-5Cu может достичь оптимального сочетания комплексных свойств, таких как механические свойства, биосовместимость и антимикробные свойства, которые могут значительно подавлять толщину бактериальной биопленки, создаваемой бактериями высокой плотности, убивая бактерии и препятствуя бактериальной адгезии. Кроме того, наноструктуры с ячеистой морфологией могут быть получены в результате обработки большими деформациями, что еще больше повышает механические свойства сплавов на основе Ti-Cu.