Медичний аналіз титану

Як важливий функціональний матеріал металевий титан широко використовується в аерокосмічній промисловості, енергетичній промисловості, медичних товарах та інших галузях завдяки таким перевагам, як низька щільність, висока питома міцність і хороша стійкість до корозії. Процес розробки медичного титану та титанових сплавів можна умовно розділити на три періоди:

Перший період представлений чистим титаном і Ti-6AI-4V; другий період – сплави -типу, представлені Ti-5A1-2.5Fe і Ti-6Al-7Nb; третій період - кращі біологічні властивості та розвиток еластичності. Бета-титанові сплави з меншим модулем є основною лінією захисту. Застосування нових матеріалів із титанового сплаву стане напрямком розвитку сучасних основних медичних пристроїв.

Дослідження матеріалів із медичних титанових сплавів у моїй країні почалися в 1970-х роках. Північно-Західний науково-дослідний інститут кольорових металів розробив Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (ТАМЗ). У 1990-х роках було розроблено Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) з незалежними правами інтелектуальної власності. Матеріали -6Al-4V, Ti-Al-2.5Fe та Ti-6Al-7Nb. Китайська академія наук також розробила новий бета-титановий сплав Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn. Зараз розробка титанових сплавів у моїй країні в основному спрямована на відкриття нових матеріалів і активне застосування матеріалів із титанових сплавів.

Корозія титану

Титан є термодинамічно нестабільним металом із відносно негативним потенціалом пасивації зі стандартним електродним потенціалом -1,63 В. Таким чином, легко утворити оксидну плівку з властивостями пасивації в атмосфері та водному розчині та має хорошу стійкість до корозії.

Корозійна стійкість титану в різних середовищах

Дуже важливо вивчати корозійну стійкість медичних матеріалів. З одного боку, деякі іони металів або продукти корозії імплантованих матеріалів проникають у біологічні тканини, що може викликати фізіологічні реакції різного ступеня; з іншого боку, через наявність рідин організму, продуктивність деяких матеріалів може бути серйозно погіршена, викликаючи швидке пошкодження або навіть вихід з ладу. Середовище людського тіла є відносно складним, що, швидше за все, спричинить розчинення мікроелементів і зміни стабільності оксидного шару. Незначне тертя призведе до різного ступеня пошкодження пасиваційної плівки, утвореної на поверхні титану. Наприклад, у середовищі з дефіцитом кисню стабільність оксидного шару послаблюється. У разі пошкодження його неможливо негайно відремонтувати або може утворитися новий оксидний шар, що полегшує корозію. Ця ситуація майже неминуча під час повторних рухів людського тіла та використання обладнання. Пластична деформація змінює структурний стан матеріалу, тим самим впливаючи на корозійні властивості матеріалу. Різні ступені пластичної деформації мають дуже різний вплив на корозійні властивості матеріалів. Під час процесу пластичної деформації внутрішня напруга концентрується, викликаючи дефекти на межі розділу та зернах. Тому пластична деформація послаблює корозійну стійкість матеріалу.

Механізм корозії титану

Титан є перехідним елементом групи IVB. Хімічні властивості відносно активні і мають велику спорідненість з киснем. У будь-якому кисневмісному середовищі на поверхні титану легко утворюється щільна пасиваційна плівка. Ця пасивуюча плівка надзвичайно тонка, товщина якої зазвичай коливається від кількох нанометрів до десятків нанометрів. Наявність пасивуючої плівки з титанового сплаву зменшує площу поверхнево-активного розчинення та уповільнює швидкість розчинення, таким чином протистоячи пошкодженню, викликаному розчиненням. Крім того, пасивуюча плівка може бути автоматично відремонтована, а нова захисна плівка може бути швидко сформована при пошкодженні. Тому титан має хорошу стійкість до корозії. Форми корозії металевого титану, імплантованого в живі організми, можна розділити на точкову корозію, корозію під напругою, щілинну корозію, гальванічну корозію та корозію зносу.

Стрес-корозія відноситься до явища розтріскування металу, коли напруга розтягування та корозія діють одночасно. Загальний процес такий: дія розтягуючої напруги призводить до того, що захисна плівка, утворена на металевій поверхні, починає розриватися, утворюючи джерело тріщини точкової або щілинної корозії, яка розвивається глибше. У той же час дія розтягуючої напруги призведе до повторного розтріскування захисної плівки, утворюючи тріщини, перпендикулярні до напрямку розтягуючої напруги. Тріщини або навіть поломки.

Фактори, що впливають на корозію під напругою титанових сплавів

Виникнення SCC титанового сплаву є результатом взаємодії трьох факторів: середовища, напруги та матеріалу. SCC є високоселективним. Поки будь-який із трьох вищезазначених факторів змінено, SCC не відбудеться.

Титанові сплави можуть зазнавати корозійного розтріскування під дією різних середовищ, таких як водний розчин, дистильована вода, органічний розчин, гаряча сіль тощо. Механізми SCC у різних середовищах різні.

Існують великі відмінності у впливі значення pH на SCC титанового сплаву. Взагалі кажучи, зі збільшенням значення pH чутливість титанових сплавів до SCC знижується. Коли значення рН становить 13-14, SCC часто може пригнічуватися. Однак у передній частині локальних тріщин, де змінюється SCC, може навіть утворитися сильне корозійне середовище з рН 2-3.

Вплив електричного потенціалу на ступінь SCC є вирішальним. Корозійні системи, що складаються зі сплавів і середовищ, різні, і їхні потенціали чутливості до SCC також різні. Наприклад, у В-титанових сплавах у водних розчинах, що містять галогеніди, SCC збільшується, коли потенціал становить близько -600мВ; тріщини також будуть виникати при перепасивованих потенціалах; але при потенціалах, нижчих за -1000мВ, тріщин не буде. тріщина. У водних розчинах, що містять Cl- і Br-, потенціал чутливості SCC Ti8Al1Mo1V становить -500мВ{{10}}мВ. У водному розчині, що містить I-, площа чутливого потенціалу вище 0 мВ.

Температура є одним із важливих факторів, що впливають на виникнення SCC у титанових сплавах. Загалом із підвищенням температури сприйнятливість до SCC зростає. У середовищі гарячого солоного повітря {{0}} ступеня, корозія під напругою сплаву Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn більш чутлива до SCC вище 450 градусів. Чутливість SCC сплаву Ti6Al4V з певною кількістю Pd або Mo, доданого в розчин H2S CO2 NaCl S при 200 градусах, менша, ніж при 250 градусах. Однак матеріали, імплантовані в тіло людини, мають обмежену чутливість до температури.

When the medium is in the gap formed between the metal component and the metal or non-metal, it can accelerate the corrosion of the metal in the gap, which is called crevice corrosion. Crevice corrosion is a type of localized corrosion. When there are gaps in titanium and titanium alloys, due to the lack of oxidized substances in the gaps, they become anodes and corrode, destroying the passivation film. Generally, crevice corrosion goes through three stages: ① The consumption of oxygen in the crevice; ② The formation of macro cells and the reduction of pH value; ③ The passivation film is activated and dissolved until it is completely destroyed. The study found that in Hanks solution at 37°C, the crevice corrosion degree of the materials in descending order is: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti; Ti і Ti6AI4V мають сильну стійкість до щілинної корозії в розчині Хенкса. .

Корозія від зносу — це коли метал вступає в контакт із середовищем, відносна швидкість руху є великою, що спричиняє знос металевої поверхні, що, у свою чергу, спричиняє прискорену корозію металу. Коли титан імплантується як імплантат, він певною мірою зношується хірургічними інструментами, спричиняючи руйнування оксидної плівки, яка існує на поверхні. Якщо цю оксидну плівку не можна вчасно відремонтувати, імплантований метал буде ще більше кородувати або навіть вийти з ладу.

Біомедичні матеріали є важливою матеріальною основою для стрімкого розвитку сучасної клінічної медицини та є основною темою матеріалознавства у 21 столітті. Титан досяг значного прогресу як новий корозійностійкий матеріал і широко використовується в біомедичній галузі завдяки своїй добрій біосумісності та стійкості до корозії. Однак існує ще багато проблем, які необхідно вирішити для застосування титану в середовищі людини. Тому необхідно провести поглиблені дослідження різних аспектів властивостей титанових матеріалів для проектування та ініціювання швидшої розробки біомедичних матеріалів.

відноситься до:

[1] Цінь Ін, Ван Шаоань. Дослідження корозійних властивостей зубних імплантатів із титану та титанових сплавів [J]. Міжнародний журнал оральної медицини, 2008, 35(4): 255-258.

[2] Хуан Юнгуан. Матеріали з титанових сплавів для хірургічної імплантації та їх стандартизація [J]. Прогрес титанової промисловості, 2002, (1): 36-39