Титановый сплав Ti-6Al-4V
Титановые сплавы обладают превосходной биосовместимостью и, по сравнению с традиционными металлами для имплантатов, более низким модулем упругости. Они также обладают хорошей коррозионной стойкостью в биологических средах. Эти превосходные свойства делают титановые сплавы весьма востребованными материалами для медицинских имплантатов. Титан и титановые сплавы широко используются в клинической практике в качестве материалов для медицинских имплантатов. В различных клинических применениях к имплантатам часто предъявляются различные требования к эксплуатационным характеристикам из-за таких факторов, как деградация металла, срастание костной ткани и антибактериальные свойства. Поэтому получение титановых сплавов с превосходными комплексными свойствами, отвечающими клиническим потребностям, является важнейшей задачей, стоящей перед исследователями в настоящее время.
Титан, являясь двухфазным аллотропом, при комнатной температуре существует в гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структуре, известной как α-тип; при температуре 883 °C он переходит в объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру β-типа. Равновесные и метастабильные состояния титановых сплавов подразделяются на пять категорий: почти-α, α, α+β, почти-β и β. Начальную стадию представляют чистый титан и сплавы Ti-6Al-4V. Чистый титан имеет структуру α-типа. В 1940-х годах исследователи обнаружили, что имплантация чистого титана в бедренную кость мышей не вызывает побочных реакций, а дальнейшее подтверждение показало его хорошую биосовместимость. В 1960-х годах чистый титан использовался в клинике в качестве орального имплантата, и его применение в качестве материала для хирургических имплантатов продолжало развиваться. Однако из-за низкой прочности и плохой износостойкости применение чистого титана в областях с высокой несущей способностью ограничено. Сплав Ti-6Al-4V имеет структуру α+β-типа и первоначально использовался в аэрокосмической отрасли. В 1970-х годах он использовался для изготовления костных пластин, интрамедуллярных штифтов, материалов для эндопротезирования суставов и т. д. для хирургического восстановления ран или замены суставов. Сплав Ti-6Al-4V обладает более высокой прочностью, чем чистый титан, а также хорошей обрабатываемостью, что обеспечивает его широкое применение в биомедицинской сфере. Однако содержащиеся в сплаве Ti-6Al-4V элементы алюминий и ванадий считаются вредными для организмов. Исследования показали, что соединения ванадия могут влиять на активность различных ферментов аденозинтрифосфата, протеинкиназ, рибонуклеаз и фосфодиэфиров, а алюминий может вызывать остеомаляцию или такие симптомы, как анемия и неврологические расстройства, а также вызывать повреждение органов в виде солей алюминия. Второй этап развития имплантируемых титановых сплавов представлен Ti-6Al-7Nb и Ti-5Al-2.5Fe, которые являются новыми сплавами типа α+β. В этих новых сплавах токсичный ванадий заменен железом и ниобием, а их модуль упругости аналогичен модулю упругости чистого титана и Ti-6Al-4V, а их прочность также улучшена. Компания использовала сплав Ti-6Al-7Nb для изготовления бедренной ножки эндопротеза тазобедренного сустава, который применяется в клинической практике. Однако применение сплава Ti-5Al-2.5Fe ограничено из-за таких проблем, как низкое металлургическое качество и производительность обработки. Третий этап включает новые титановые сплавы β-типа с низким модулем упругости, не содержащие алюминия и ванадия, включая титановые сплавы β-типа или близкие к β-типу, представленные Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe и Ti-15Mo. Эти сплавы обладают такими преимуществами, как высокая прочность, хорошая биосовместимость и модуль упругости, близкий к модулю упругости человеческой кости.
Титановые сплавы, как широко используемые материалы для ортопедических имплантатов, имеют более низкий модуль упругости по сравнению с нержавеющей сталью и кобальтовыми сплавами, но он все еще относительно высокий по сравнению с костью. После имплантации сохраняется эффект «экранирования напряжений», что может привести к снижению плотности костной ткани и повышению риска отторжения имплантата. Чтобы удовлетворить потребность ортопедической отрасли в материалах для имплантатов с низким модулем упругости, исследователи провели обширные исследования и разработки, создав титановые сплавы с превосходным комплексом свойств. Легирование является основным методом улучшения механических свойств медицинских титановых сплавов. Принципы выбора добавок включают в себя: нетоксичность, гипоаллергенность и способность улучшать механические свойства сплава. В последние годы были разработаны новые β-титановые сплавы, в первую очередь, сплавы Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr и Ti-Ta. По сравнению с другими системами β-титановых сплавов, эти системы обладают более низким модулем упругости, более близким к модулю упругости человеческой кости. На поверхности титановых сплавов обычно образуется стабильная и прочно связанная оксидная пленка, что является основной причиной их коррозионной стойкости. Однако из-за сложной среды внутри имплантированного тела такие вещества, как хлорид-ионы и белки в биологических жидкостях, могут разъедать оксидную пленку, вызывая растворение и отслоение, тем самым влияя на коррозионную стойкость титанового сплава. Поэтому повышение коррозионной стойкости титановых сплавов путем модификации поверхности, избегая при этом изменения их механических свойств, стало актуальной темой исследований.
Методы модификации поверхности в основном используются для подавления скорости коррозии материала подложки в растворе, тем самым снижая быстрое развитие коррозии на начальных стадиях имплантации и предотвращая потерю механического напряжения материала подложки, что обеспечивает более эффективное применение в биологических средах. Эффективными показателями для измерения коррозионной стойкости являются плотность тока коррозии и коррозионный потенциал. Снижение плотности тока коррозии и повышение коррозионного потенциала на поверхности материала являются ключевыми для исследований и разработки коррозионно-стойких материалов.