CC BY
0УДК 538.9
ТИТАНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЕ БИОМЕДИЦИНЕ
УМАРОВА МАХМУДА АБДУГАФАРОВНА
и.о.доцент кафедры Биомедицинская техника, Ташкентский государственный технический университет им. И.Каримова, г. Ташкент, Республика Узбекистан
Аннотация. В статье предлагается общий обзор обработки медицинских изделий, устанавливаемых на тело человека, полученных путем перспективных технологий горячей и холодной штамповки. Изучено применение штамповки титана в биомедицине, предлагается технология изготовления сложных и высококачественных биомедицинских имплантатов методом штамповки. Определены принципы штамповки и преимущества штамповки титана и их сплавов.
Ключевые слова: биомедицина, титан, имплант, штамповка, металлоизделия, протез, структура.
Титан - один из самых перспективных материалов в области биомедицинских технологий благодаря своей высокой прочности, легкости и биосовместимости [1]. С начала его применения в медицинских целях, титан зарекомендовал себя как надёжный материал для имплантатов и протезов. Штамповка, как метод обработки титана, открывает новые возможности для создания сложных и высококачественных биомедицинских имплантатов и устройств, которые могут эффективно выполнять свои функции, минимизируя риск осложнений и улучшая качество жизни пациентов [1].
Преимущества титана в биомедицине:
а) Биосовместимость: титан хорошо воспринимается организмом, минимизируя риск отторжения. Это свойство особенно важно для длительно находящихся в организме имплантатов, таких как суставные замены и зубные протезы, где наличие инородного тела может вызвать воспалительную реакцию.
б) Прочность и легкость: высокая прочность на растяжение и низкая плотность делают титановую продукцию легкой и долговечной. Это позволяет создавать изделия, которые не только выдерживают значительные механические нагрузки, но и не утяжеляют тело пациента, что особенно важно в ортопедии и стоматологии.
в) Коррозионная стойкость: титан устойчив к коррозии, что критично для имплантатов, находящихся в организме. Этот фактор гарантирует долговечность и стабильность титановый изделий даже в агрессивной среде человеческого тела, где они могут подвергаться действию различных химических веществ [2].
А в последние десятилетия, благодаря открытию эффекта «памяти формы» и внедрению прочих инноваций металлы стали широко применяться также в сосудистой и нейрохирургии для изготовления шовного материала, сетчатых стентов для расширения вен и артерий, крупных эндопротезов, в офтальмологической и стоматологической имплантологии.
Марки титана и титановые сплавы: наиболее востребованными медициной марками титана являются технически чистые ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. В них почти не присутствуют примеси, количество которых столь незначительно, что колеблется в пределах нулевой погрешности. Так, в марке ВТ1-0 содержится около 99,35-99,75% чистого металла, а в марках ВТ1-00 и ВТ1-00св, соответственно, - 99,62-99,92% и 99,41-99,93%.
На сегодняшний день в медицине используется широкий спектр титановых сплавов, различных по своему химсоставу, и механотехнологическим параметрам. В качестве легирующих добавок в них чаще всего используются Та, А1, V, Мо, Mg, Сг, Si, Sn. К наиболее эффективным стабилизаторам можно причислить Zr, Аи и металлы платиновой группы. При введении в титан до 12% Zr его коррозиестойкость увеличивается на порядки. Достичь же наибольшего эффекта удается при добавлении в титан небольшого количества Pt и
платиноидов Pd, Rh, Ru. Введение в Ti лишь 0,25% данных элементов позволяет на десятки порядков уменьшить активность его взаимодействия с кипящими концентрированными H2SO4 и HCl [3].
Говоря о штамповке титана надо отметить следующие:
1. Принципы штамповки: штамповка титана включает применение давления для формирования деталей из листового материала. Этот процесс может быть как холодным, так и горячим, в зависимости от требований к конечному продукту.
Холодная штамповка: используется при комнатной температуре, что позволяет достигать высокой точности и улучшает механические свойства готовых изделий. Холодная обработка помогает избежать изменения структуры материала, что особенно важно для поддержания его прочностных характеристик.
Горячая штамповка: проводится при повышенных температурах, облегчая обработку и позволяя создавать более сложные формы. Этот метод особенно эффективен при производстве деталей с высокой сложностью геометрии, требующих повышенной пластичности материала.
2. Преимущества штамповки титана:
Индивидуализация: штамповка позволяет создавать имплантаты, точно соответствующие анатомии пациента. Это становится возможным благодаря современным методам проектирования, которые позволяют учитывать индивидуальные особенности каждого пациента и создавать изделия, которые идеально подходят для них.
Сложные геометрии: возможность формировать детали с высокой точностью и сложными формами, что критично для медицинских приложений. Сложные элементы конструкции, такие как криволинейные формы и пористые структуры, могут быть достигнуты благодаря современным технологиям штамповки.
Снижение отходов: эффективное использование материала, минимизируя отходы и сокращая затраты. Это особенно важно в условиях современных производств, где каждая деталь имеет высокую стоимость, и каждая возможность снизить отходы приводит к значительной экономии.
Повышенная прочность: процесс штамповки может улучшать механические свойства титана за счет работы с его структурой, что позволяет получать детали с улучшенными характеристиками, которые обеспечивают долговечность и надежность изделий.
В последнее время все более востребованными для медицинских нужд становятся биомеханически совместимые имплантаты, материалом для изготовления которых служит никелид титана TiNi (Рис.1). Причиной роста популярности данного сплава является присущий ему т. наз. эффект запоминания формы (ЭЗФ). Его сущность состоит в том, что контрольный образец, будучи деформированным при пониженных температурах, способен постоянно сохранять вновь обретенные очертания, а при последующем нагревании -восстанавливать изначальную конфигурацию, демонстрируя при этом сверхупругость. Никелид-титановые конструкции незаменимы, в частности, при лечении позвоночных травм и дистрофии опорно-двигательного аппарата [4].
Применение штамповки титана в биомедицине
- ортопедические имплантаты: создание деталей для замены суставов, винтов и пластин, которые требуют высокой точности. Такие имплантаты должны быть максимально точными, чтобы минимизировать риск осложнений и обеспечить надёжную фиксацию.
- стоматологические имплантаты: Изготовление коронок и других протезов, которые должны идеально соответствовать анатомии зубов и челюсти. Высокая точность и индивидуализация этих изделий играют ключевую роль в успешной реабилитации пациентов.
- челюстно-лицевая хирургия: производство индивидуализированных имплантатов для восстановления лицевых структур. Использование штамповки позволяет создавать детали, которые точно воспроизводят анатомические особенности пациента.
- медицинские устройства: создание компонентов для кардиостимуляторов, хирургических инструментов и других медицинских устройств. Точные детали, изготовленные
с помощью штамповки, могут существенно повысить надёжность и эффективность работы медицинских устройств.
Таким образом, получение медицинских изделий методом горячей и холодной штамповки снижает металлоемкость в 1.3-1,4 раза, повышает механические свойства металла на 25-30 % и можно получать медицинские изделия сложной формы.
'6 « 9 а о « 9 i *
Рисунок 1. Титановые изделия применяемые в медицине.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цыдыпов Б. С., Лыгденов Б. Д. Разработка технологии производства титановых эндопротезов. Успехи современного естествознания, 2015. С. 1351-1354.
2. Савин Р. В. Использование стали в медицине. Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. ВГ Шухова, 2015. С. 1493-1497.
3. Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей, - М.: Техносфера, 2007. - 304 с.
4. Житко А. К., Хафизов Р. Г., Житко Р. К. Использование метода штамповки для изготовления индивидуальной сетчатой никелид титановой мембраны в стоматологии. Качество оказания медицинской стоматологической помощи: способы достижения, критерии и методы оценки. 2016. С. 30-35.
5. Hallab NJ, Jacobs JJ, Katz JL. Orthopedic applications. In: Ratner BD, Hoffman AS, Schoen FJ, Lemons JE (eds) Biomaterials science: an introduction to materials in medicine. Elsevier Academic Press, San Diego, 2004. pp 526-555
