Hreint títan og alfa-beta málmblönduna Ti-6Al-4V, sem er nefnt TC4 í kínverskum stöðlum, ráða ríkjum á bæklunar- og tannígræðslumarkaði vegna lágs þéttleika þeirra, um 4,5 g/cm³, mikils sérstyrks, sjálfvirkrar óbeinar og, ef um er að ræða óblandað títanþol, mjög gott vefjaþol. Nokkrar áratuga klínísk reynsla hefur engu að síður afhjúpað þrjá endurtekna veikleika: streituvörn sem stafar af ósamræmi við bein, ófullnægjandi slitþol og tæringartengd jónalosun inni í líkamanum. Hver bilunarhamur hefur mismunandi líkamlega orsök og krefst mismunandi mótvægisaðgerða.
Vandamál eitt: Streituvörn gegn misjafnri teygjustuðul
Teygjustuðull Ti-6Al-4V er um það bil 110 GPa en beinvefsstuðull er í stórum dráttum á milli um það bil 10 og 30 GPa fyrir barkarbein og mun lægri fyrir spólubein. Ígræðsla úr Ti-6Al-4V er því um fjórum til tíu sinnum stífari en vefurinn sem hann kemur í staðinn fyrir. Þegar tækið hefur verið ígrædd, ber það megnið af álaginu, þannig að nærliggjandi bein er varið fyrir vélrænu áreiti sem það þarf til að endurskapa og viðhalda sjálfu sér. Við viðmótið passa vélrænir eiginleikar ekki saman og vegna þess að títan myndar ekki samfellt efnatengi við bein byggir festingin á vélrænni samlæsingu frekar en raunverulegri efnasamsetningu.
Hagnýtu afleiðingarnar eru stigvaxandi: trefjavefjalag getur myndast við viðmótið, örhreyfing er viðvarandi við álag, beinuppsog hraðar í kringum vefjalyfið og tækið losnar að lokum. Smitgátslosun af þessu tagi er enn stór hluti endurskoðunaraðgerða í mjaðma- og hnéskiptum. Að draga úr mýktarstuðul málmblöndunnar, eða auka snertiflöt beinsins í gegnum gljúpan mannvirki, eru tvö viðurkennd verkfræðiviðbrögð.
Vandamál tvö: slitþol og rusl-bólga af völdum
Títan málmblöndur hafa tiltölulega háan núningsstuðul og takmarkað viðnám gegn sliti. Í liðamótum nuddar málmflöturinn endurtekið við fjölliða eða keramik yfirborði og óvirka oxíðfilman sem venjulega verndar málminn rofnar við snertingu við rýrnun. Filman umbreytist nánast samstundis, en ruslið sem myndast við rof, ásamt málmögnum sem losna af yfirborðinu, framkallar líffræðileg viðbrögð í nærliggjandi vefjum: viðvarandi bólga, hindra útbreiðslu beinþynningar, truflun á endurgerð beina og, til lengri tíma litið, beinuppsog í kringum íhlutinn.
Agna-framkallað beingreining og tilheyrandi smitgátslosun er því knúin áfram af slitframmistöðu frekar en styrkleika. Þetta er ástæðan fyrir því að yfirborðsherðing með nítringu, anodic oxun eða harðri húðun er dæmd af rúmmáli og stærðardreifingu ruslsins sem það myndar, ekki af yfirborðshörku eingöngu, og hvers vegna liðskipt pör eru í auknum mæli hönnuð þannig að ekkert títan yfirborð rekist beint á móti öðru málmyfirborði.
Vandamál þrjú: Tæring og jónalosun í líkamsvökva
Við náttúrulegar aðstæður í andrúmsloftinu bregst títan álfelgur næstum samstundis við súrefni til að mynda þétta oxíðfilmu. Sú filma helst stöðug í langan tíma og kemur í veg fyrir frekari viðbrögð milli málms og lofts eða vatns, þannig að títan og málmblöndur þess sýna framúrskarandi tæringarþol í venjulegri notkun. Lífeðlisfræðilega umhverfið er miklu árásargjarnara. Líkamsvökvi er loftblandað klóríðlausn sem haldið er við um það bil 37 gráður og í kringum bólgu eða sýktan stað getur staðbundið pH lækkað í súrt svið, á meðan prótein og vetnisperoxíð breyta yfirborðsefnafræðinni frekar.
Þegar málmblendin verður fyrir þessu umhverfi í langan tíma hefur yfirborðsoxíðfilman tilhneigingu til að flagna af eða leysast upp á staðnum, þreytuvirkni íhlutans versnar og málmblöndur eins og ál og vanadín losna smám saman út í líkamann. Báðir þættirnir tengjast frumudrepandi áhrifum, og sérstaklega ál getur truflað myndun apatits á beinyfirborði. Fyrir langtímaígræðslu hefur þetta ýtt undir þróun í átt að vanadíum-frítt og ál-frítt efnafræði, og í átt að hindrunarhúð sem heldur undirlaginu í beinni snertingu við líkamsvökva.
Mótvægisaðferðir: álhönnun og yfirborðsbreyting
Tvær viðbótaraðferðir eru notaðar til að bæta heildarnotkunarframmistöðu lækninga títan málmblöndur.
Hönnun álblöndu og örbyggingarstýring.Metstable beta- og nær-beta málmblöndur með lægri teygjustuðul, eins og Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe og Ti-15Mo, draga úr stífleikamisræminu en viðhalda miklum styrk. Hitavélræn vinnsla og hitameðhöndlun er notuð til að stjórna kornastærð, fasahlutfalli og áferð, vegna þess að þessar breytur stjórna þreytustyrk og næmni fyrir hak sem og stuðul.
Yfirborðsbreyting.Rafskautsoxun og ör-bogaoxun, varmaoxun, hýdroxýapatít eða kalsíumfosfathúðun, plasma-úðuð keramiklög, títanítríð og demantur-líkt kolefnishúð, og sandblástur ásamt sýruætu er allt borið á títanál og títanálflöt. Yfirborðsbreyting viðheldur hagstæðum vélrænum og líffræðilegum eiginleikum undirlagsins en bætir verulega klíníska frammistöðu, sem er ástæðan fyrir því að það vekur nú aukna athygli á líflæknisfræðilegu sviði.
Efnisval fyrir ígræðslu er venjulega gefið upp með viðurkenndum forskriftum: óblandað títan samkvæmt ASTM F67 eða ISO 5832-2, unnu Ti-6Al-4V samkvæmt ASTM F1472 eða ISO 5832-3, sérstaklega lágt millivef Ti-6Al-4V ELI samkvæmt ASTM F13N3 undir ASTM-13N3, F13N3, F136 Ti-12Mo-6Zr-2Fe undir ASTM F1813 og Ti-15Mo undir ASTM F2066.
Samanburður á stuðuli og forskrift
| Efni | Áætlaður teygjustuðull | Lykil einkenni | Dæmigerð forskrift |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V (TC4) | um 110 GPa | Sterkur alfa-beta vinnuhestur, lægri kostnaður | ASTM F1472, ISO 5832-3 |
| Ti-6Al-4V ELI | um 110 GPa | Auka-lágar millivefsþættir, betri þreyta og brotseigja | ASTM F136 |
| Ti-13Nb-13Zr | um 79 GPa | Nálægt-beta, lítill stuðull, vanadíumfrítt | ASTM F1713 |
| Ti-12Mo-6Zr-2Fe | um 74 til 88 GPa | Beta álfelgur sem sameinar lágan stuðul með miklum styrk | ASTM F1813 |
| Ti-15Mo | um 102 GPa | Beta álfelgur með góða tæringarþol | ASTM F2066 |
Stuðningsgildi eru dæmigerðar tölur í bókmenntum fyrir glóðað eða lausnmeðhöndlað ástand og eru mismunandi eftir fasainnihaldi og vinnslusögu. Mat á umsækjandaefni ætti því að sameina efnagreiningu, örbyggingarskoðun, þreytuprófun í líkamsvökvahermi og rafefnafræðilegum tæringarprófum, vegna þess að frammistaða líkamans fer eftir samsetningu efnafræði hvarfefnis og yfirborðsástands frekar en stuðlinum einum saman.
Algengar spurningar
Sp.: Af hverju veldur Ti-6Al-4V streituvörn?
Teygjustuðull þess, sem er um það bil 110 GPa, er um það bil fjórum til tíu sinnum meiri en bein, þannig að vefjalyfið ber álagið og beinið í kring missir það vélræna áreiti sem það þarfnast, gleypist og losnar að lokum.
Sp.: Hvaða málmblöndur í læknisfræðilegu títan eru áhyggjuefni?
Ál og vanadíum. Þegar oxíðfilman brotnar niður geta þau losnað út í vef og haft áhyggjur af frumueiturhrifum, svo vanadíum-fríar og ál-lausar málmblöndur eru ákjósanlegar fyrir langtímaígræðslu.
Sp.: Er títan tæringarþolið inni í mannslíkamanum?
Þétt oxíðfilman er stöðug við venjulegar aðstæður, en klóríðríkur líkamsvökvi við líkamshita og staðbundið lækkað pH getur leyst upp eða fjarlægt hana á staðnum, dregið úr þreytuvirkni og losað jónir.
Sp.: Hvernig er títanígræðsla fest við bein?
Aðallega með vélrænni samlæsingu og yfirborðsmyndafræði, vegna þess að engin samfelld efnatengi myndast við bein; Yfirborðsmeðferðir eru notaðar til að bæta snertingu og beinbeitingu.
Sp.: Hvaða yfirborðsmeðferðir bæta klíníska frammistöðu?
Rafskautsoxun, ör-bogaoxun, varmaoxun, hýdroxýapatit og kalsíumfosfathúðun, títanítríð eða demantur-eins og kolefnislög og sandblástur með sýruætingu.
Sp.: Er hægt að lækka stuðulinn á ígræðslublöndu?
Já. Beta málmblöndur eins og Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe og Ti-15Mo minnka stuðulinn í um það bil 74 til 102 GPa, samanborið við um 110 GPa fyrir Ti-6Al-4V.
