26 Окт 2023

Применение титановых сплавов в медицине

Такой металл, как титан, сегодня широко известен благодаря тому, что он активно используется для создания облегчённых, но особо прочных конструкций и деталей для самолётов, военной техники, кораблей и многого другого, что связано с машиностроением.

Но всё больше и больше пестрит информация о том, что титановые сплавы стали одним из самых передовых материалов в медицине, так как с помощью него сейчас изготавливаются самые безопасные импланты, улучшающие качество жизни и продлевающие её.

Это стало возможно благодаря ряду уникальных свойств титана, и речь сейчас совсем не о его невероятность ударопрочности и тугоплавкости, а о менее очевидных преимуществах, по достоинству оцененные в сфере протезирования.

История внедрения в медицинскую сферу

Несмотря на то, что широкое применение марок для изготовления протезов и имплантатов началось после Второй Мировой Войны, впервые попытки изготовить и использовать имплантат из титана датируются концом тридцатых годов прошлого века.

Именно в те годы стало известно, что сплавы этого металла прекрасно подходят для протезирования бедренных костей у домашних кошек. Причем, этот способ показал результаты не хуже, чем у материалов, таких как нержавеющие специальные марки стали или сплав виталлий (в составе хрома, кобальт и молибден).

Сейчас самым применяемым сплавом является ВТ6, имеющий характеристики:

Химический элемент	Процентное содержание
Титан	90.9
Железо	> 0.6
Углерод	> 0.1
Кремний	> 0.1
Ванадий	3.5-5.3
Азот	>0.05
Алюминий	5.3-6.8
Цирконий	> 0.3
Кислород	> 0.2
Водород	> 0.015

Помимо того, что данная марка обладает довольно высоким процентным содержанием титана, в нём также присутствую конкретные легирующие добавки, влияющие на его свойства, которые и стали решающими при выборе самого оптимального варианта для использования в протезировании.

Интересный факт заключается в том, что изначально ВТ6 разрабатывался и применялся в авиастроении. Он отличается высокими показателями устойчивости к коррозионным процессам, что крайне важно для имплантата, так как он не одно десятилетие будет находиться внутри организма человека, подвергаемый всевозможным внутренним химическим и биологическим реакциям.

Довольно трудно не удивляться тому, насколько широка область применения марок на основе этого металла в медицине. На сегодняшний день из них изготавливают зубные имплантаты, лицевые хирургические эндопротезы, протезы тазобедренных суставов, коленных чашечек, плечевых, запястных и локтевых суставов и даже для позвоночника! Титан также важен при изготовлении элементов, используемых в остеосинтезе и фиксации костей – это всевозможные пластины, штифты и винты.

Даже современные хирургические инструменты и те изготавливаются из титановых сплавов в силу их биологической нейтральности: поверхности изделий неблагоприятная среда для развития всевозможных микроорганизмов, а также благодаря наличию нейтральной оксидной плёнки такой инструментарий не будет ржаветь.

Переход в индустрии от α- и α+β к β-титановым маркам

Но медицина не стоит на месте, так как изначально ВТ6 в отожженном α+β-состоянии имел свои недостатки, которые побудили специалистов улучшить его, повысив безопасность и увеличив коэффициент износа.

К сожалению, α+β-титан имеет высокий модуль упругости, что в итоге приводит к такой проблеме, как резорбция кости, находящейся в непосредственном контакте с имплантатом. Это запускает процесс дестабилизации и ослабления крепления протеза, а следовательно, и его фиксацию.

В результате множества исследований были созданы новые сплавы из β-титана, имеющие в сравнении с более старыми образцами пониженную упругость, и в составе которых присутствуют исключительно нетоксичные для организма легирующие элементы. Было доказано также, что добавление в состав неодима, циркония, тантала и молибдена понижается модуль упругости β-титана без потери прочности.

Металловеды в итоге создали целый ряд биомедицинских марок на основе β-титана с легирующими добавками в виде тантала, ниобия и циркония, известные как «Ti—29Nb—13Ta—4,6Zr» и «Ti—35Nb—7Zr—5Ta».

В настоящее время исследования β-сплавов не прекращается, так как только они помогут разобраться в том, как примеси других металлов и особенности обработки, и методик могут влиять на характеристики итоговых материалов. Оптимальный состав по химическим элементам определяется как экспериментально, так и благодаря теоретическим исследованиям.

Несмотря на то, что разработки всё ещё ведутся, они направлены на улучшение уже превосходного материала, который позволил медицине сделать огромный шаг вперёд в своем развитии. Но именно благодаря дальнейшему развитию в области изучения титана и его специальных медицинских сплавов дадут возможность сделать ещё больший прорыв в области того же протезирования.