Наноструктурный титан. 
Химическая технология. 
Керамические и стеклокристаллические материалы для медицины

Для повышения прочностных свойств биологически совместимого чистого титана ВТ 1−0 и ВТ 1−00 используются методы интенсивной пластической деформации, что позволило сформировать по всему объему заготовки субмикрокристаллическое или наноструктурное состояние. Уникальные физико-механические свойства обусловлены большой протяженностью внутренних поверхностей раздела — границ зерен. Для сравнения в табл. 3.8 представлены характеристики титана ВТ 1−0 в крупнокристаллическом и наноструктурном состояниях.

Таблица 3.8.

Механические характеристики титана ВТ1−0 в крупнокристаллическом и наноструктурном состояниях и титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-16

Материал.	оо.2, МПа.	<�тв. МПа.	6,%	НдМПа.
Крупнокристаллический титан ВТ 1−0.
Наноструктурный титан ВТ1−0.
Сплав ВТ-6.			>6.
Сплав ВТ-16.			>10.
а, а — предел текучести, ав — предел прочности, 6- пластичность, 11/(. — микротвердость.

В настоящее время разработан ряд методов интенсивной пластической деформации:

• • равноканальное угловое прессование (размер зерна 200. .300 нм);
• • всестороннее прессование (со ступенчатым понижением температуры в диапазоне (0,45…0,15)Т_ПЛ, размер зсрно-субзсренной структуры 200…300 нм);
• • многоэтапное всестороннее изотермическое прессование (скорость прессования 10 ³… 10 ² С ¹ со ступенчатым понижением температуры, (размер зсрно-субзсрснной структуры до 100 нм и менее);
• • многократное одноосное прессование со сменой оси деформации;
• • ковка и их комбинации.

Технология получения наноструктурных объемных материалов позволяет достичь для титана механических свойств нс только сопоставимых, но и выше соответствующих свойств высоколегированных титановых сплавов.

Наносгруктурированный титановый, а + р-сплав ВТ 16 должен обеспечивать: предел текучести не менее 1250 МПа, предел прочности не менее 1350 МПа, относительное удлинение нс менее 12%, относительное сужение нс менее 50%, ударная вязкость не менее 30 Дж/см², предел выносливости не менее 700 МПа, сопротивление срезу не менее 850 МПа.

Многофункциональные покрытия на поверхности титановых имплантатов должны иметь следующие характеристики:

• • биорсзорбирусмые наноструктурированные покрытия из кальцийфосфатной керамики должны иметь адгезионную прочность не мснсс 25 МПа, оптимальную пористость, остеоиндуктивность и остеокондуктивность;
• • биоактивные наноструктурные покрытия на основе тугоплавких соединений с биологически активной неорганической матрицей должны обеспечить ускорение адаптации искусственных имплантатов к живым тканям в 1,2−1,5 раза и увеличение срока их службы в 1,3−1,5 раза за счет достижения комплекса физических, механических, трибологических и биологических свойств:
• — твердость 20…30 ГПа;
• — модуль упругости 150…300 ГПа;
• — адгезионная прочность > 30 Н;
• — коэффициент трения в различных биологических средах 0,1−0,25;
• — скорость износа (< 10~⁵ мм³/Нм);

стойкость к упругой деформации разрушения (Н/Е) >0,1;

• — стойкость к пластической деформации (Н³/Е²) > 0,2 ГПа;
• — отрицательный заряд поверхности при кислотности среды pH = 6−8;

наличие потенциала коррозии положительнее -0,2 В при проведении электрохимических испытаний согласно ГОСТ Р ИСО 10 993−15−2001;

• — скорость коррозии менее 0,05 мкм/год в различных биологических средах; контактный угол смачивания < 90°;
• — биоактивность; биосовместимость; отсутствие токсичности.

Разрабатываемые процессы получения нового поколения титановых имплантатов должны использовать современные технологии:

• • формирования объемного ультрамелкозернистого и наноструктурированного состояния в титане и его сплавах методами интенсивной пластической деформации в сочетании с механотермическими обработками;
• • модифицирования поверхности и нанесения биопокрытий методами микродугового оксидирования, ионно-плазменного осаждения при ассистировании потоком высокоэнергетических ионов металлов, золь-гель синтеза, высокодозовой ионной имплантации и электроннопучкового плавления;
• • получения анионозамещенных фосфатов кальция с заданным уровнем допирования.

В последние годы особый интерес вызывают работы по наноструктурированию титановых имплантатов путем вакуумного лазерного напыления на его поверхность, с помощью которого можно создавать сложные трехмерные (3D-технология) структуры, которые благодаря мезамеханическим воздействиям на окружающие ткани или стволовые клетки изменяют их фенотип с формированием, например, зубной, костной или хрящевой тканей.

Вопросы для самоконтроля

• 1. Что такое полимеры?
• 2. Какие добавки-модификаторы для изготовления полимеров вам известны?
• 3. По какому принципу классифицируют полимеры? Какие вам известны основные типы полимеров?
• 4. Какие стоматологические материалы называют композиционными?
• 5. По каким признакам классифицируют композиционные материалы?
• 6. Перечислите основные свойства композиционных материалов.
• 7. Дайте определение стоматологических цементов.
• 8. Классификация цементов.
• 9. Какие сплавы применяют в ортопедической стоматологии?
• 10. Дайте определение нержавеющей стали.
• 11. Сплавы на основе кобальта и никеля.
• 12. Сплавы титана.