Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения
Представлены механические характеристики разработанных в Украине безванадиевых титановых сплавов различных систем легирования, предназначенных для изготовления разнообразных изделий медицинского назначения. Показан высокий уровень биологической совместимости и коррозионной стойкости разработанных ти...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96525 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения / В.Ф. Топольский, С.В. Ахонин, Г.М. Григоренко, И.К. Петриченко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 22-25. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859488435601932288 |
|---|---|
| author | Топольский, В.Ф. Ахонин, С.В. Григоренко, Г.М. Петриченко, И.К. |
| author_facet | Топольский, В.Ф. Ахонин, С.В. Григоренко, Г.М. Петриченко, И.К. |
| citation_txt | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения / В.Ф. Топольский, С.В. Ахонин, Г.М. Григоренко, И.К. Петриченко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 22-25. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Представлены механические характеристики разработанных в Украине безванадиевых титановых сплавов различных систем легирования, предназначенных для изготовления разнообразных изделий медицинского назначения. Показан высокий уровень биологической совместимости и коррозионной стойкости разработанных титановых сплавов. Проанализированы структурно-фазовые составы новых титановых сплавов после термомеханической обработки, а также металла их сварных соединений. Подтверждена возможность производства таких сплавов способом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью. Физико-химические свойства разработанных титановых сплавов обусловливают их широкое применение в ортопедии и стоматологии.
Mechanical characteristics of vanadium-free titanium alloys of different systems of alloying developed in Ukraine and designed for manufacture of different products of medical purposes are presented. The high level of biological compatibility and corrosion resistance of developed titanium alloys is shown. Analyzed are the structural-phase composition of new titanium alloys after thermomechanical treatment, as metal of well as their welded joints. The capability of production of these alloys by the method of electron beam cold hearth melting was confirmed. Physical and chemical properties of developed titanium alloys stipulate their wide application in orthopedy and stomatology.
|
| first_indexed | 2025-11-24T16:25:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.295.5
РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТИТАНОВЫХ
БИОСОВМЕСТИМЫХ СПЛАВОВ
ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
В. Ф. Топольский, С. В. Ахонин,
Г. М. Григоренко, И. К. Петриченко
Представлены механические характеристики разработанных в Украине безванадиевых титановых сплавов различ-
ных систем легирования, предназначенных для изготовления разнообразных изделий медицинского назначения.
Показан высокий уровень биологической совместимости и коррозионной стойкости разработанных титановых спла-
вов. Проанализированы структурно-фазовые составы новых титановых сплавов после термомеханической обработки,
а также металла их сварных соединений. Подтверждена возможность производства таких сплавов способом элект-
ронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью. Физико-химические свойства разработанных титановых сплавов
обусловливают их широкое применение в ортопедии и стоматологии.
Mechanical characteristics of vanadium-free titanium alloys of different systems of alloying developed in Ukraine and
designed for manufacture of different products of medical purposes are presented. The high level of biological compatibility
and corrosion resistance of developed titanium alloys is shown. Analyzed are the structural-phase composition of new
titanium alloys after thermomechanical treatment, as metal of well as their welded joints. The capability of production
of these alloys by the method of electron beam cold hearth melting was confirmed. Physical and chemical properties of
developed titanium alloys stipulate their wide application in orthopedy and stomatology.
Ключ е вы е с л о в а : титановые сплавы; биологическая
совместимость; коррозионная стойкость; механические ха-
рактеристики
В последнее время титановые сплавы находят все
большее применение в различных отраслях меди-
цины, вытесняя широко распространенные ранее
нержавеющие стали и кобальто-хромовые сплавы.
Интерес к титану, характеризующемуся малым
удельным весом, высокой коррозионной стой-
костью и хорошей биологической совместимостью,
в значительной мере возрос и в связи с развитием
хирургии в части замены больных суставов эндо-
протезами, а также с увеличением объемов исполь-
зования имплантатов в стоматологии.
Материалы, применяемые в медицине (особенно
используемые для изготовления эндопротезов и им-
плантатов), должны обеспечивать длительный срок
службы изготовляемых из них деталей и потому их
следует легировать только биосовместимыми неток-
сичными элементами, тогда как легирующие эле-
менты (ванадий, кобальт и никель) могут образо-
вывать в организме человека токсичные соединения
[1]. В целом конструкционные материалы медицин-
ского назначения должны иметь следующие харак-
теристики:
высокую прочность и длительную работоспособ-
ность в условиях биологической среды (коррозион-
ная стойкость);
отсутствие нежелательных реакций живой ткани
на продукты их износа; способность имплантатов, эн-
допротезов обрастать костной тканью (биоадгезия);
отсутствие противопоказаний к автоклавной или
сухопаровой стерилизации;
высокую пластичность и технологичность;
низкий модуль упругости;
невысокую стоимость.
Однако этим требованиям соответствуют далеко
не все титановые сплавы. До настоящего времени
для изготовления эндопротезов и имплантатов ши-
роко использовали такие материалы, как нелегиро-
ванный титан и сплав Ti—6Al—4V. Нелегированный
титан при высокой коррозионной стойкости имеет
недостаточную прочность (400…500 МПа), что мо-
жет вызвать нежелательные осложнения не только
© В. Ф. ТОПОЛЬСКИЙ, С. В. АХОНИН, Г. М. ГРИГОРЕНКО, И. К. ПЕТРИЧЕНКО, 2012
22
при эксплуатации изделия, но и при его изготов-
лении, а сплав Ti—6Al—4V содержит токсичный ва-
надий, растворение которого в организме может яв-
ляться причиной воспалительных процессов с сим-
птомами токсичности.
Разработанные в странах ЕС титановые сплавы ме-
дицинского назначения Ti—6Аl—7Nb, Ti—5Al—2,5Fe—Ag
и др. отличаются хорошим сочетанием механичес-
ких характеристик и коррозионной стойкости [2, 3],
а также не содержат токсичных легирующих эле-
ментов. Однако в состав этих сплавов входит боль-
шое количество дорогостоящих легирующих ком-
понентов, что делает их довольно дорогими. Эти
недостатки присущи и разработанным в последние
годы титановым сплавам на основе β-фазы Ti—
15Mо—5Zr—3Al, Ti—30Ta, β-21S (Ti—3Al—15Mо—
2,6Nb—0,2Si), которые хотя и отличаются относи-
тельно низким модулем упругости, но все же не
являются изопластичными [1].
Таким образом, возникла необходимость в раз-
работке отечественных медицинских титановых
сплавов, не содержащих дорогостоящие легирую-
щие элементы в больших количествах и отвечающих
указанным требованиям. Важным параметром но-
вых сплавов должна быть хорошая свариваемость.
В ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины разра-
ботаны два сплава медицинского назначения (ТМ1
системы Ti—Al—Nb—Zr [4] и ТМ2 системы Ti—Al—
Nb—Fe—Zr [5]), рассчитанных на различный уро-
вень прочности.
Для изготовления данных сплавов использовали
технологию электронно-лучевой плавки с промежу-
точной емкостью (ЭЛПЕ). Суть процесса ЭЛПЕ зак-
лючалась в горизонтальной подаче расходуемой за-
готовки с заданной скоростью в зону плавки и ее
плавлении электронными лучами над промежуточ-
ной емкостью. При наполнении последней жидкий
металл сливался в кристаллизатор с поддоном, где
происходило формирование слитка. В процессе
плавки поверхность жидкого металла в промежу-
точной емкости и кристаллизаторе обогревали элек-
тронными лучами пушек. По мере наплавления
слитка его вытягивали из кристаллизатора механи-
чески. Процесс продолжали до полного расплавле-
ния исходной заготовки.
Расходуемую заготовку для переплава форми-
ровали из чистых шихтовых компонентов в виде
полос титана марки ВТ1-00 и алюминия марки А95,
а также стружки ниобия марки Нб-1, циркония мар-
ки Э100 и технически чистого железа (армко) марки
10895 (сплав ТМ2) таким образом, чтобы в любом
ее поперечном сечении сохранялось заданное про-
центное содержание легирующих элементов и осно-
вы сплава.
Поскольку процесс ЭЛПЕ осуществляется в вы-
соком вакууме (0,01…0,1Па), то легирующие эле-
менты с упругостью пара, превышающей таковую
титана, испаряются интенсивнее, чем основа, что
приводит к изменению состава сплава по сравнению
с исходной шихтовкой. В рассматриваемых сплавах
это касается алюминия. Поэтому для компенсации
его потерь на испарение при выплавке слитков в
исходную шихту вводили дополнительное количес-
тво алюминия, рассчитываемое согласно ранее уста-
новленным закономерностям процессов испарения
компонентов сплавов из титана при ЭЛПЕ [6].
Из выплавленных слитков путем термомехани-
ческой деформации на двухвалковом реверсивном
стане получали заготовки толщиной 6 мм, которые
затем подвергали релаксационному отжигу.
Механические свойства разработанных и приме-
няемых в медицине сплавов представлены в табл. 1.
При создании стоматологических, ортопедичес-
ких и кардиологических протезов важно, чтобы ма-
териал имел не только оптимальное соотношение
механических свойств, но и отличался высоким
уровнем сопротивления переменным нагрузкам и
усталостных характеристик.
Исследования усталостных характеристик спла-
ва ТМ1 для сравнения сплавов ВТ1-0 и Ti—6Al—4V,
проводили в ИПМ им. И. Н. Францевича НАНУ
по методике и на установке, описанным в работе
Т а б л и ц а 1 . Механические характеристики некоторых
титановых сплавов
Материал
σ0,2 σв σ—1 E⋅10
—4
δ ψ
МПа %
ВТ1-0 320 400 170 11,1 25 —
Ti—6Al—4V 795 860 400 11,5 10 25
Ti—6Al—7Nb
(Швейцария)
900 1000 — — 13 —
Ti—Al—Nb—Zr
(ТМ1)
780 800 360 9,6 22 60
Ti—Al—Nb—Zr—Fe
(ТМ2)
920 1000 — — 16 40
Кость 250 — 200 2,5 0,5 —
Рис. 1. Усталостные характеристики титановых сплавов
23
[7]. Усталостные кривые представлены на рис. 1.
Сопоставление усталостных свойств сплава ТМ1,
технического титана ВТ1 и сплава ВТ6 показало,
что сопротивление усталости у сплава ТМ1 несколь-
ко ниже, чем у сплава ВТ6, но приблизительно 2 в
раза выше, чем у технического титана.
Сплавы ТМ1 и ТМ2 характеризуются хорошей
свариваемостью, что позволяет выполнять сварные
конструкции при изготовлении аппаратов и инстру-
ментов медицинского назначения.
Сплавы ТМ1 и ТМ2 прошли испытания в Укр-
НИИхиммаше на общую коррозию в растворах сер-
ной и соляной кислот при комнатной температуре
(табл. 2).
Анализ полученных результатов (табл. 2) пока-
зал, что скорость коррозии сплавов ТМ1 и ТМ2 в
разбавленной соляной и серной кислотах на поря-
Таблица 2 . Скорость коррозии титановых сплавов, мм/год
Среда ТМ1 ТМ2 ВТ1-0
1 % HCl — 0,0001 0,0035
5 % HCl 0,0019 0,0002 0,0042
10 % HCl 0,029 0,027 0,079
5 % Н2S04 — 0,0002 0,0039
10 % Н2SО4 0,0005 0,0005 0,0063
20 % Н2SO4 0,0005 0,0007 0,055
Концентриро-
ванная Н2S04
0,14 — 1,425 Рис. 2. Морфологические характеристики некоторых металлов:
I – хромокобальтовый сплав; II – золото; III – титан; IV –
ТМ1; A – концентрация иммуноглобулина
Рис. 3. Микроструктуры сварных соединений сплавов ТМ1 (Ti—Al—Nb—Zr) I, 250 и ТМ2 (Ti—Al—Nb—Fe—Zr) II, 300; а –
основной металл; б – зона термического влияния; в – металл шва
24
док ниже, чем у нелегированного титана марки ВТ1-0
в тех же средах. В 10%-м растворе HCl скорость
коррозии ниже, чем у нелегированного титана, как
минимум, в 2 раза, а в 10- и 20%-м растворах Н2SO4
скорость коррозии в созданных титановых сплавах
ниже, чем у нелегированного титана соответственно
на один и два порядка.
Помимо механических и коррозионных свойств,
всесторонне изучали сплавы ТМ1 и ТМ2 с точки
зрения возможности их применения в медицинской
практике.
В Украинском НИИ травматологии и ортопедии
исследовали новые сплавы на коррозию, биостой-
кость и биосовместимость в организме животных и
реакции костной и параоссальной тканей при имп-
лантации в них образцов из этих сплавов. Экспе-
рименты проводили на 40 взрослых кролях, срок
наблюдения за подопытными животными достигал
180 сут. В результате исследований сделан вывод
о биологических инертности и совместимости ис-
следованных образцов новых титановых сплавов,
что позволяет их использовать в качестве материа-
лов для изготовления компонентов эндопротезов.
В Институте экогигиены и токсикологии им.
Л. И. Медведя НАНУ проведены санитарно-гиги-
енические исследования сплавов ТМ1 и ТМ2, сде-
ланы выводы об их допуске к производству меди-
цинских полуфабрикатов и изделий.
На кафедре ортопедической стоматологии На-
ционального медицинского университета проведе-
ны морфологические исследования титанового
сплава ТМ1; при этом изучали динамику образова-
ния иммуноглобулина (клетки иммунной защиты)
при введении инородного тела. Наилучшим обра-
зом, по сравнению с наиболее распространенными
в стоматологии хромо-кобальтовым сплавом, золо-
том и техническим титаном, иммунная система ор-
ганизма реагирует на сплав ТМ1 (рис. 2).
На основании исследований Государственной са-
нитарной эпидемиологической службой Министер-
ства здравоохранения Украины выдано разрешение
на применение сплавов ТМ1 и ТМ2.
Кроме определения механических, усталостных
и коррозионных характеристик, изучены структу-
ры разработанных титановых сплавов. Поскольку
изготовление изделий медицинского назначения не
исключает применения сварки, то исследовали
структуру как самих сплавов, так и их сварных
соединений.
Сплав ТМ1 (системы Ti—Al—Nb—Zr) относится
к титановым псевдо α-сплавам и является терми-
чески стабильным. В состоянии после прокатки он
состоит из сильно деформированных, вытянутых в
направлении прокатки первичных β-зерен. Внут-
ренняя структура представлена колониями пластич-
ной α-фазы с различной кристаллографической
ориентацией. В металле зоны термического влияния
(ЗТВ) и шва на границах первичных β-зерен выде-
ляется α′-фаза с более грубой морфологией, чем в
основном металле (рис. 3).
Сплав ТМ-2 (системы Ti—Al—Nb—Fe—Zr) можно
отнести к титановым (α+β)-сплавам мартенситного
класса. В прокатанном состоянии этот сплав также
имеет структуру, созданную пластинчатой α-фазой,
но в промежутках между α-пластинами имеется β-
фаза, количество которой зависит от режима тер-
мической обработки. Структура металла ЗТВ пред-
ставлена равноосными зернами, а шва – равноос-
ными и вытянутыми первичными β-зернами с мар-
тенситной внутренней α-фазой (рис. 3).
Сплавы ТМ1 и ТМ2, как и их сварные соедине-
ния, имеют структуру, характерную для сплавов
соответствующих классов. В ходе микроструктур-
ных исследований сварных швов этих сплавов не
обнаружены дефекты сварки.
Таким образом, разработанные в ИЭС им. Е. О. Па-
тона титановые сплавы ТМ1 и ТМ2 характеризу-
ются высоким уровнем механических свойств, а так-
же хорошей коррозионной стойкостью и биологи-
ческой совместимостью, что позволит им найти ши-
рокое применение в таких областях медицины, как
ортопедия и стоматология.
1. Mutsuo Niinomi Titanium alloys for Biomedical, Dental and
Healthcare Application // Proc. of the 11th World Conf.
on Тitanium (Kyoto, Japan 3—7 June 2007). – Kyoto: The
Japan Inst. of Metals, 2007. – P. 14117—1424.
2. Microstructural Evolution of b-TiNb(Sn) Orthopaedic Allo-
ys During High Energy Mechanical Milling and Consolida-
tion / P. Cao, D. Zhang, B. Gabbitas, K.-D. Woo //
Ibid. – Kyoto: The Japan Inst. of Metals, 2007. –
P. 1509—1512.
3. Иголкин А. И. Титан в медицине // Титан. – 1993. –
№ 1. – С. 7—10.
4. Пат. 7385 Україна, МПК С 22 С 14/00. Термически уп-
рочняемый коррозионностойкий титановый сплав / Б. Е. Па-
тон, В. Н. Замков, В. Ф. Топольский. – Опубл.
29.09.95, Бюл. № 3.
5. Пат. 7386 Україна, МПК С 22 С 14/00. Термически ста-
бильный высококоррозионностойкий титановый сплав /
Б. Е. Патон, В. Н. Замков, В. Ф. Топольский. – Опубл.
29.09.95, Бюл. № 3.
6. Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Ахонин С. В. Электронно-
лучевая плавка тугоплавких и высокореакционных метал-
лов. – Киев: Наук. думка, 2008. – 306 с.
7. Луговской Ю. Ф. Методика усталостных испытаний ком-
позиционных материалов при изгибе, полученных элект-
ронно-лучевым испарением // Пробл. спец. электроме-
таллургии. – 1987. – № 4. – С. 61—65.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 17.10.2011
25
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96525 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T16:25:11Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Топольский, В.Ф. Ахонин, С.В. Григоренко, Г.М. Петриченко, И.К. 2016-03-17T22:01:41Z 2016-03-17T22:01:41Z 2012 Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения / В.Ф. Топольский, С.В. Ахонин, Г.М. Григоренко, И.К. Петриченко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 22-25. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96525 669.295.5 Представлены механические характеристики разработанных в Украине безванадиевых титановых сплавов различных систем легирования, предназначенных для изготовления разнообразных изделий медицинского назначения. Показан высокий уровень биологической совместимости и коррозионной стойкости разработанных титановых сплавов. Проанализированы структурно-фазовые составы новых титановых сплавов после термомеханической обработки, а также металла их сварных соединений. Подтверждена возможность производства таких сплавов способом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью. Физико-химические свойства разработанных титановых сплавов обусловливают их широкое применение в ортопедии и стоматологии. Mechanical characteristics of vanadium-free titanium alloys of different systems of alloying developed in Ukraine and designed for manufacture of different products of medical purposes are presented. The high level of biological compatibility and corrosion resistance of developed titanium alloys is shown. Analyzed are the structural-phase composition of new titanium alloys after thermomechanical treatment, as metal of well as their welded joints. The capability of production of these alloys by the method of electron beam cold hearth melting was confirmed. Physical and chemical properties of developed titanium alloys stipulate their wide application in orthopedy and stomatology. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения Development of new titanium bio-compatible alloys for medical application Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения Топольский, В.Ф. Ахонин, С.В. Григоренко, Г.М. Петриченко, И.К. Электронно-лучевые процессы |
| title | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения |
| title_alt | Development of new titanium bio-compatible alloys for medical application |
| title_full | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения |
| title_fullStr | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения |
| title_full_unstemmed | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения |
| title_short | Разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения |
| title_sort | разработка новых титановых биосовместимых сплавов для медицинского применения |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96525 |
| work_keys_str_mv | AT topolʹskiivf razrabotkanovyhtitanovyhbiosovmestimyhsplavovdlâmedicinskogoprimeneniâ AT ahoninsv razrabotkanovyhtitanovyhbiosovmestimyhsplavovdlâmedicinskogoprimeneniâ AT grigorenkogm razrabotkanovyhtitanovyhbiosovmestimyhsplavovdlâmedicinskogoprimeneniâ AT petričenkoik razrabotkanovyhtitanovyhbiosovmestimyhsplavovdlâmedicinskogoprimeneniâ AT topolʹskiivf developmentofnewtitaniumbiocompatiblealloysformedicalapplication AT ahoninsv developmentofnewtitaniumbiocompatiblealloysformedicalapplication AT grigorenkogm developmentofnewtitaniumbiocompatiblealloysformedicalapplication AT petričenkoik developmentofnewtitaniumbiocompatiblealloysformedicalapplication |