Prečo titán dominuje v materiáloch implantátov
Titán sedí v bode, kde sa stretáva mechanická pevnosť, odolnosť proti korózii a biologická odozva. Pasívna vrstva oxidu titaničitého sa vytvorí v priebehu milisekúnd vo vzduchu alebo telesnej tekutine a pri poškriabaní sa okamžite zreformuje, takže kov neuvoľňuje ióny rýchlosťou, ktorá vyvoláva reakciu tkaniva. Jeho hustota približne 4,5 g/cm³ udržuje nástroje a zariadenia ľahké a jeho modul pružnosti, okolo 110 GPa pre Ti-6Al-4V, je najnižší zo štruktúrnych implantátov, aj keď zostáva nad 10 až 30 GPa kortikálnej kosti.
Táto modulová medzera je ústredným inžinierskym problémom. Tuhší implantát nesie väčšiu záťaž ako okolitá kosť a kosť reaguje prestavbou a stratou hustoty. Zliatiny beta titánu s nižším modulom boli vyvinuté na uzavretie medzery a dizajn zariadenia kompenzuje prostredníctvom poréznych štruktúr a geometrie.
Rodiny ročníkov a riadiace štandardy
| Materiál | Štandardné | Zvýraznenie kompozície |
|---|---|---|
| Komerčne čistý Ti Stupeň 1 – 4 | ASTM F67, ISO 5832-2 | O od 0,18 % max pre stupeň 1 do 0,40 % max pre stupeň 4 |
| Ti-6Al-4V, trieda 5 | ASTM F1472, ISO 5832-3 | Al 5,5 – 6,75 %, V 3,5 – 4,5 %, O 0,20 % max. |
| Ti-6Al-4V ELI, trieda 23 | ASTM F136, ISO 5832-3 | rovnaká báza, O 0,13 % max., Fe 0,25 % max |
| Ti-6Al-7Nb | ASTM F1295, ISO 5832-11 | niób nahrádza vanád |
Extra{0}}nízky-stupeň intersticiálnych reklám nie je iná zliatina, ale prísnejšia analýza. Znížený obsah kyslíka a železa zvyšujú lomovú húževnatosť a odolnosť proti rastu únavových trhlín, čo je dôležité pre driek, platňu alebo skrutku, ktoré budú roky vystavené cyklickému zaťažovaniu. Typy ložísk bez vanádu-a nióbu{5}}sa používajú tam, kde špecifická politika biokompatibility vylučuje vanád.
Mechanický výkon z hľadiska dizajnu
Čistý titán triedy 2 je špecifikovaný na pevnosť v ťahu približne 345 MPa a používa sa pre komponenty, ktoré vyžadujú skôr tvárnosť ako pevnosť. Žíhaná trieda 5 dosahuje pevnosť v ťahu približne 895 MPa a výťažnosť 828 MPa s 10% predĺžením a trieda ELI je špecifikovaná blízko pevnosti v ťahu 860 MPa s výťažnosťou 795 MPa, pričom ponúka lepšiu húževnatosť. Únavová pevnosť lešteného Ti-6Al-4V je približne 40 až 50 % pevnosti v ťahu pri desiatich miliónoch cyklov, takže povrchová úprava, nie výber zliatiny, je obvyklým limitujúcim faktorom skutočného implantátu.
Tvárnené výrobky sú tepelne spracované na mlynské žíhanie alebo na rozpúšťacie ošetrenie a starnutie v závislosti od požadovanej rovnováhy vlastností a spracovanie je zaznamenané na certifikáte spolu s výsledkami ťahu a tvrdosti.
Formuláre a dodacia podmienka
Tyč a tyč na opracovanie skrutiek, dosiek, klincov a komponentov nástrojov.
Drôt pre Kirschnerove drôty, káble a chirurgické svorky.
List a pás na lebečné platničky, sieťové a kostené podnosy.
Kovanie pre bedrové predstavce, kolenné komponenty a chrbticový hardvér.
Hadička pre kanyly a minimálne invazívne nástroje.
Materiál implantátu sa dodáva v žíhanom stave alebo v stave ošetrenom roztokom s certifikátom, ktorý uvádza chemické zloženie podľa platných limitov ASTM alebo ISO, mechanické vlastnosti, stav mikroštruktúry, ak je to špecifikované, a číslo tepla, ktoré umožňuje plnú sledovateľnosť. Stav povrchu je kontrolovaný: tyč je normálne brúsená a leštená bez hrotu a plech sa dodáva zbavený okovín a plochý.
Požiadavky na spracovanie, ktoré chránia výkon
Obrábanie sa riadi bežnými pravidlami pre titán, s ostrými karbidovými nástrojmi, adekvátnym chladiacim médiom a kvapalinami -bez chloridov, pretože zvyšky chloridov vytvárajú riziko korózie pod napätím. Po tvarovaní alebo zváraní sú diely čistené, morené a pasivované postupmi, ako je ASTM B600 na odstraňovanie okovín a čistenie a ASTM F86 na prípravu povrchu implantátu. Zabráni sa kontaminácii železom z oceľových nástrojov alebo uhlíkom zo značkovacích pier, pretože obe vytvárajú miesta pre lokalizovanú koróziu. Zváranie sa vykonáva pod inertným plynom s úplným tienením horúceho kovu a odber kyslíka, dusíka a vodíka je riadený postupom.
Kontrola kvality a chybám, ktorým sa treba vyhnúť
Uvoľňujú sa šarže o chémii, skúške ťahom, tvrdosti a tam, kde je to potrebné, o hodnotení mikroštruktúry a inklúzie. Certifikáty identifikujú presnú materiálovú normu, stav a testovacie laboratórium, takže výrobca zariadenia môže uzavrieť reťazec sledovateľnosti v zázname pacienta.
Najškodlivejšou chybou je nákup na komerčnú kvalitu titánu a za predpokladu, že spĺňa štandard implantátov. Stupeň 5 podľa ASTM B348 a Stupeň 5 podľa ASTM F1472 vyzerajú na výkrese podobne, líšia sa však v limitoch analýzy a v overovaní, ktoré výrobca vykonáva. Nahradenie nižšej intersticiálnej kontrolovanej triedy na úsporu nákladov je rovnako riskantné, pretože zmena sa prejavuje skôr zníženou húževnatosťou než zníženou pevnosťou, čo je oveľa ťažšie zistiť pri rutinnej vstupnej kontrole.
Často kladené otázky
Otázka: Aký je rozdiel medzi titánom 5. a 23. stupňa?
Odpoveď: Ide o rovnakú základnú zliatinu Ti-6Al-4V, ale trieda 23 je mimoriadne nízka intersticiálna s obsahom kyslíka obmedzeným na 0,13 % a so železom na 0,25 %, čo zlepšuje húževnatosť a únavové správanie.
Otázka: Ktorý štandard pokrýva čistý titán pre implantáty?
Odpoveď: ASTM F67 v Spojených štátoch a medzinárodná norma ISO 5832-2 pokrývajúca stupne 1 až 4 so zvyšujúcim sa kyslíkom a pevnosťou.
Otázka: Prečo je modul pružnosti dôležitý pre implantát?
Odpoveď: Oveľa tuhší implantát chráni okolitú kosť pred zaťažením a kosť sa potom remodeluje a stenčuje. Cieľom výberu dizajnu a zliatiny je znížiť tento nesúlad.
Otázka: Je k dispozícii titán bez vanádu?
A: Áno. Ti-6Al-7Nb podľa ASTM F1295 / ISO 5832-11 nahrádza vanád nióbom a je široko používaný tam, kde sa uprednostňuje zliatina bez vanádu.
Otázka: Aký stav dodávania je normálny pre tyč implantátu?
Odpoveď: Žíhané alebo ošetrené roztokom, bezhroté brúsené a leštené, s certifikátom preukazujúcim chémiu, mechanické vlastnosti a úplnú sledovateľnosť podľa tepelného čísla.
