Низкомодульные титановые сплавы бета-типа для биомедицинских имплантатов

Описание

Низкомодульные титановые сплавы бета-типа важны для биомедицинских применений, поскольку они позволяют приблизить упругое поведение человеческой кости. Снижение модуля упругости полезно для уменьшения экранирования напряжений.

Важность низкого модуля Юнга в биомедицинских приложениях

Использование материалов с низким модулем Юнгаочень важно. Низкий модуль упругости уменьшает несоответствие между костью и имплантатом. Такое соответствие уменьшает экранирование напряжений. Экранирование напряжений происходит, когда жесткий имплантат поглощает большее напряжение, чем окружающая его кость. Снижение жесткости означает более равномерное распределение нагрузки. Пациенты теряют меньше кости и лучше заживают. Например, типичный титановый сплав имеет модуль упругости около 110 гигапаскалей, что намного выше, чем у кости. Превосходный титановый сплав бета-типа потенциально может снизить этот показатель до 55 гигапаскалей. Такое сочетание улучшает работу имплантата и повышает комфорт пациента.

Дополнительная информация: Типы титановых сплавов: Классификация и применение

Фазовая стабильность и принципы разработки сплавов

Стабильность бета-фазы в титане очень важна. Высокая стабильность фаз поддерживает прочность и пластичность материала. Контроль фаз улучшает упругие свойства сплава. При разработке сплавов такого типа ученые соблюдают баланс. Они сохраняют стабильную бета-фазу и добавляют элементы, снижающие модуль упругости. Принцип проектирования заключается в том, чтобы избежать нежелательных фаз, которые могут вызвать хрупкость. Тщательный баланс компонентов отвечает за долгосрочную стабильность человеческого тела.

Распространенные бета-стабилизирующие элементы (например, ниобий, тантал, молибден, цирконий)

Альфа- и бета-фазы в титановых сплавах находятся под влиянием вторичных элементов. Ниобий, тантал, молибден и цирконий являются распространенными бета-стабилизирующими элементами. Ниобий снижает модуль упругости и повышает пластичность. Танталобеспечивает превосходную коррозионную стойкость. Молибденстабилизирует бета-фазу в различных условиях. Цирконийповышает прочность и биосовместимость в целом. Использование этих элементов необходимо. Они помогают обеспечить мягкость при минимальном модуле упругости без ущерба для сплава.

Методы обработки и контроль микроструктуры

Контроль микроструктуры является важной особенностью подготовки сплава. Простая термическая обработка регулирует распределение фаз в материале. Термомеханическая обработка улучшает структуру зерен. Лучшая микроструктура обеспечивает более однородную структуру и более низкий модуль упругости. Кроме того, сплав улучшается в процессе ковки и прокатки. Мягкая обработка позволяет получить более прочные и пластичные материалы. Отжиг в большинстве случаев используется для снятия остаточных напряжений. Подобные методы позволяют получить высококачественный материал для имплантатов с требуемыми механическими свойствами.

Механические свойства и настройка модуля упругости

Низкомодульные титановые сплавы бета-типа обладают превосходными механическими характеристиками. Модуль упругости уменьшается без существенного снижения прочности. Это достигается за счет тонкого баланса между составом сплава и его обработкой. Например, изменение концентрации ниобия в сплаве может снизить модуль упругости, но при этом обеспечить достаточный предел текучести. В большинстве случаев этот процесс позволяет получить сплавы с пределом прочности более 700 мегапаскалей. В результате получается продукт с поведением, близким к поведению натуральной кости, но при этом сохраняющий упругость при нагрузках. Эти благоприятные результаты объясняются чувствительным дизайном сплава и равномерной обработкой.

Биосовместимость и устойчивость к коррозии

Биосовместимость также важна для биомедицинских имплантатов. Титановые сплавы бета-типа хорошо известны как совместимые с организмом. Добавление таких неядовитых элементов, как ниобий и цирконий, только усиливает это свойство. Кроме того, такие сплавы обладают высокой устойчивостью к коррозии. Такая коррозионная стойкость снижает вероятность выхода имплантатов из строя с течением времени. Свойства их поверхности могут быть улучшены с помощью дополнительных покрытий. Химическая и механическая стабильность в совокупности делают эти сплавы лучшим выбором для долгосрочного использования в имплантатах.

Применение в ортопедических и стоматологических имплантатах

Эти сплавы находят широкое применение в стоматологических и ортопедических имплантатах. Заживление костной ткани в окружающей области поддерживается благодаря низкому модулю Юнга. Для ортопедических имплантатов, таких как эндопротезы тазобедренного и коленного суставов, сниженный модуль упругости уменьшает концентрацию напряжения. Это приводит к усиленному разделению нагрузки с костью. Для зубных имплантатов более тесное сходство с челюстной костью уменьшает боль и улучшает интеграцию. Клинические данные свидетельствуют о более высокой скорости восстановления и меньшем количестве осложнений при использовании этих материалов. Принятые принципы дизайна еще больше улучшают результаты лечения пациентов.

Заключение

Низкомодульные титановые сплавы бета-типа представляют собой нишевое решение для биомедицинских имплантатов. Низкий модуль упругости помогает имитировать жесткость натуральной кости и снижает экранирование напряжений, способствуя заживлению. Стабильность бета-фазы, которой способствуют такие элементы, как ниобий, тантал, молибден и цирконий, является ключом к этому. Простые технологии обработки и тщательный контроль микроструктуры обеспечивают общие эксплуатационные характеристики материала. Благоприятные механические свойства, биосовместимость и коррозионная стойкость сделали их неотъемлемым выбором в ортопедии и стоматологии. Для получения дополнительной информации о титановых сплавах, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

F: Какую роль играет низкий модуль Юнга в имплантатах?

В: Он минимизирует несоответствие нагрузки на имплантат и кость, снижая защиту от напряжения.

F: Что вызывает снижение модуля упругости в титановых сплавах?

В: Ниобий, тантал, молибден и цирконий снижают модуль упругости и улучшают биосовместимость.

F: Как методы обработки влияют на характеристики сплава?

В: Они контролируют микроструктуру и оптимизируют стабильность фаз для улучшения механических свойств и срока службы.