Kodėl titanas tapo etaloniniu implanto metalu?
Titano tankis yra apie 4,51 g/cm3, tamprumo modulis yra nuo 100 iki 114 GPa, savaime-atsitaisantis titano dioksido paviršiaus sluoksnis ir puikus atsparumas kūno skysčiams. Šios trys savybės paaiškina, kodėl komerciškai grynas titanas ir Ti-6Al-4V dominuoja implantų konstrukcijoje daugiau nei keturis dešimtmečius. Ore savaime susidaranti pasyvioji oksido plėvelė yra vos kelių nanometrų storio, tačiau iškart po pažeidimo susiformuoja iš naujo, todėl jonų išsiskyrimas yra labai mažas, o metalas tampa efektyviai inertišku fiziologiniuose chlorido tirpaluose.
Mechaniškai titanas yra naudingas vidurys. Žievės kaulo tamprumo modulis yra maždaug 10–30 GPa, o nerūdijančio plieno ir kobalto -chromo lydinių – 190–230 GPa. Titanas yra daug arčiau kaulo, todėl gerai-suprojektuotas titano implantas sumažina apsaugą nuo streso, kaulų tankio sumažėjimą, atsirandantį, kai standus implantas neša beveik visą apkrovą.
Pažymių pasirinkimas ir taikomosios specifikacijos
Titano implantai niekada neužsakomi kaip bendroji prekė. Kiekviena produkto forma perkama pagal specialią implanto-specifikaciją, kuri kartu valdo chemiją, intersticinį turinį, mikrostruktūrą ir mechanines savybes. Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinamos kaltinės medžiagos, dažniausiai nurodytos nuolatiniams ir pusiau{3}}nuolatiniams įrenginiams.
| Medžiaga | Specifikacija | Tempimo stipris, min | Takumo stiprumas, min | Tamprumo modulis |
|---|---|---|---|---|
| cp Ti 2 klasė | ASTM F67, ISO 5832-2 | 345 MPa | 275 MPa | apie 102 GPa |
| cp Ti 4 klasė | ASTM F67, ISO 5832-2 | 550 MPa | 483 MPa | apie 104 GPa |
| Ti-6Al-4V ELI | ASTM F136, ISO 5832-3 | 860 MPa | 795 MPa | apie 110 GPa |
| Ti-6Al-7Nb | ASTM F1295, ISO 5832-11 | 900 MPa | 800 MPa | apie 105 GPa |
| Ti-13Nb-13Zr | ASTM F1713 | 860 MPa | 690 MPa | apie 79 GPa |
ASTM F67 1–4 klasės apima nelegiruotojo diapazoną. Stiprumas didėja, o lankstumas mažėja, kai didėja deguonies ir geležies kiekis, todėl 2 laipsnis naudojamas ten, kur svarbus formavimas šaltuoju būdu, pvz., fiksavimo plokštelės ir kabės, o 4 klasė yra įprastas pasirinkimas šaknies dantų varžtams ir kitiems srieginiams įtaisams, kuriems reikalingas nuovargio stiprumas mažame skerspjūvyje. Ti-6Al-4V ELI yra ypač žemas intersticinis variantas: deguonies ribose yra 0,13 proc., azoto 0,03 proc., vandenilio 0,0125 proc. ir geležies 0,25 proc. Šios griežtesnės ribos padidina atsparumą lūžiams ir atsparumą nuovargiui, todėl ELI medžiaga yra privaloma šlaunikaulio kamienams ir stuburo strypams.
Kodėl buvo persvarstytas standartinis Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V užtikrina puikų stiprumo- ir-svorio santykį, tačiau nuolatinio implanto lydinys dešimtmečius yra veikiamas chloridų{7}} turtingoje aplinkoje. Laboratoriniuose korozijos ir ląstelių kultūros tyrimuose iš lydinio išsiskiriantys vanadžio jonai buvo siejami su citotoksiniais atsakais, o aliuminis buvo aptartas dėl ilgalaikių neurologinių problemų. Klinikinis vaizdas nėra nusistovėjęs, o Ti-6Al-4V išlieka plačiai implantuotas, tačiau diskusijų pakako, kad būtų sukurta lydinio kūrimo karta, kuria siekiama pašalinti abu elementus.
Lydiniai be vanadžio-ir aliuminio-
Pirmuoju praktiniu žingsniu vanadis buvo pakeistas niobiu. Ti-6Al-7Nb išlaiko dviejų-fazių alfa ir beta Ti-6Al-4V struktūrą, todėl jį galima apdoroti ir apdoroti ta pačia įranga, tačiau niobio priedas laikomas biologiškai saugesniu, o lydinys pasiekia šiek tiek didesnį atkaitinimo stiprumą. Beta tipo lydiniai eina toliau. Ti-13Nb-13Zr yra beveik beta lydinys, kurio modulis yra artimas 79 GPa, o Ti-12Mo-6Zr-2Fe yra nurodytas stuburo ir ortopediniams prietaisams pagal savo kaltinę specifikaciją. Mažesnio modulio beta lydiniai yra patrauklūs, nes jie dar labiau sumažina apsaugą nuo įtempių, tačiau yra jautresni apdorojimo istorijai ir kainuoja daugiau nei alfa beta klasės.
Paviršiaus būklė, oksido sluoksnis ir osteointegracija
Osteointegracija yra paviršinis{0}}įvykis. Titano dioksido sluoksnis suteikia stabilią sąsają, prie kurios adsorbuojasi baltymai ir prisitvirtina osteoblastai, o implanto paviršiaus tekstūra lemia, kaip greitai kaulas užauga ir tiesiogiai kontaktuoja su metalu. Mechaniškai apdoroti paviršiai yra tinkami daugeliui pritaikymų, tačiau ankstyvam fiksavimui paspartinti naudojami 1–2 mikrometrų šiurkštumo smėliu-šlifuoti ir rūgštimi{4}}išgraviruoti sriegiai, plazma-purkšti arba elektrochemiškai nusodinti kalcio fosfato sluoksniai ir anoduoti paviršiai. Paviršiaus apdorojimas neturi pažeisti pagrindo: per didelis valymas pūtimu gali įsiskverbti į teršalus, o bet koks terminis apdorojimas turi atitikti pagrindinės specifikacijos intersticines ribas.
Dantų implantai: tipai ir medžiagos pasirinkimas
Dantų implantai paprastai skirstomi į vidinius sraigtinius -formos implantus, siaurus mini{1}}implantus ir zigomatinius implantus. Sraigtiniai Mini-implantai, naudojami laikinam tvirtinimui ir siauroms briaunoms, dažniausiai gaminami iš Ti-6Al-4V ELI, nes mažesnis skersmuo reikalauja didesnio stiprumo, o ta pati medžiaga naudojama atramams ir vientisiems karkasams, kur svarbus atsparumas dilimui.
Patikra, kokybės kontrolė ir ateities kryptis
Implantų atsargos turi būti išleistos remiantis visa specifikacija, o ne vienu tempimo bandymu. Tipiški reikalavimai apima patikrintą chemiją, lygiagretę alfa mikrostruktūrą be kenksmingų fazių, gatavo produkto formos įtempimo bandymą, korozijos bandymą imituotame fiziologiniame tirpale ir biologinį įvertinimą pagal ISO 10993-1 – visa tai valdoma pagal ISO 13485 kokybės sistemą. Partijos atsekamumas iki lydalo šaltinio yra įprasta praktika. Žvelgiant į ateitį, pagrindinės tyrimų kryptys yra mažesnio-modulio beta lydiniai, priedinė pacientui būdingų porėtų struktūrų gamyba ir kompozitiniai arba padengti paviršiai, kuriuose plastiška titano šerdis sujungiama su bioaktyviu arba antibakteriniu išoriniu sluoksniu.
Dažnai užduodami klausimai
K: Kuo skiriasi cp titanium ir Ti-6Al-4V implantams?
Komerciniu požiūriu grynas titanas yra minkštesnis, labiau formuojamas ir šiek tiek atsparesnis korozijai, todėl jis tinkamas srieginiams dantų implantams ir fiksavimo įrangai. Ti-6Al-4V ir jo ELI variantas yra žymiai stipresni ir naudojami ten, kur dominuoja nuovargis ir apkrova, pavyzdžiui, stiebai ir stuburo strypai.
K: Kodėl ELI klasė nurodyta vietoj standartinio Ti-6Al-4V?
Itin žemos--intersticinės ribos kontroliuoja deguonies, azoto, vandenilio ir geležies kiekį, o tai padidina atsparumą lūžiams ir ilgaamžiškumą. Dėl nuolatinio apkrovą{3}}nešančio implanto šios savybės vertos papildomų išlaidų ir griežtesnės proceso kontrolės.
Kl.: ar mažo{0}}modulio beta lydiniai tikrai sumažina apsaugą nuo įtempių?
Jie padeda. Modulis, esantis netoli 79 GPa, yra daug arčiau žievės kaulo nei 110 GPa Ti-6Al-4V, todėl implantas dalijasi didesne apkrova su aplinkiniu kaulu. Dizainas, poringumas ir sąlytis su kaulais vis dar yra svarbūs kaip ir pats lydinys.
Kl.: Ar implanto titane kada nors yra kadmio ar švino?
Ne. Implantų specifikacijose liekamieji trampiniai elementai apribojami iki labai žemo lygio ir reikalaujama sertifikuotos cheminės medžiagos vienam karščiui. Kadmis, švinas ir gyvsidabris nėra tyčiniai jokiuose titano klasės implantuose.
K: Kuris paviršiaus apdorojimas užtikrina geriausią ankstyvą fiksaciją?
Vidutiniškai grubus, pūstas ir rūgštus{0}}išgraviruotas paviršius, kurio šiurkštumas yra apie 1–2 mikrometrus, yra nustatytas etalonas. Bioaktyvios dangos gali dar labiau pagerinti ankstyvą kaulų sukibimą, tačiau pasirinkimas turi būti patvirtintas konkrečiam prietaisui ir sterilizavimo būdui.
K: Kaip titano implantas turėtų būti laikomas ir tvarkomas?
Laikykite jį švarų ir sausą, venkite kontakto su angliniu plienu ir chloro{0}}guolius žyminčiais skysčiais ir niekada nemaišykite išsiskyrusių ir neišsiskiriančių medžiagų. Apdorojant susidariusį užteršimą daug sunkiau pašalinti nei užkirsti kelią.
