Сплавы титана. 
Химическая технология. 
Керамические и стеклокристаллические материалы для медицины

Титан — химический элемент, с атомным номером — 22 и атомной массой — 47,867, и характеризуется гексагональной кристаллической структурой, электрическим сопротивлением — 0,420 МОм, температурой плавления — 1668 °C. Это светлый, бело-серебристый, блестящий, прочный (модуль Янга — 116 ГПа) металл. Титан и его сплавы обладают превосходным сопротивлением к коррозии, включая сопротивление к морской воде и хлору (почти столь же стойким, как у платины или золота), особенно устойчивы они к биологическим жидкостям, какими являются кровь и лимфа. Титан относится к так называемой группе капсульных материалов, при попадании в организм на поверхности в течение миллисекунд формируется инертная металлоксидная пленка (на основе ТЮ₂) толщиной 10… 100 А, которая служит барьером для дальнейшего взаимодействия с тканью. В свою очередь качество этой пленки определяет способность сопротивляться механической, химической, электрохимической деградации. Высокая коррозиционная стойкость этого металла придает ему высокие биоинертные свойства и биосовместимость, а также и устойчивость к действию телесных жидкостей, многих растворов щелочей и кислот, за исключением концентрированной серной, плавиковой, соляной и фосфорной кислот.

Титан обычно используется в медицине в виде сплавов (часто с железом, алюминием и ванадием). Он быстро окисляется на воздухе, формируя на своей поверхности диоксидовую пленку. Легкий, прочный и полностью биосовместимый, титан является одним из немногих материалов, которые по природе своей отвечают требованиям имплантации в человеческое тело. Соотношение прочности и веса титановых сплавов медицинского качества значительно выше по сравнению с нержавеющей сталью. Разнообразие существующих титановых сплавов позволяет специалистам и разработчикам в области медицины выбирать материалы и формы, которые приспособлены к нуждам данной области применения.

При температуре 882,5 °С титан переходит из одного кристаллического состояния в другое, из альфа-титана с гексагональной кристаллической решеткой в бетта-титан с кубической, что влечет за собой не только изменение его физических параметров, но и увеличение на 17% его объема. По этой причине в композиции с титаном необходимо использование специальных керамик, температура обжига которых должна находиться ниже 880 °C.

Наряду с биологической инертностью сплавы титана обладают высокими технологическими и физико-механическими свойствами. Титан листовой марки ВТ-100 используется для изготовления штампованных коронок (толщина 0,14…0,28 мм), штампованных базисов (0,35…0,4 мм) съемных протезов, имплантатов различных конструкций. Для имплантации применяется также титан ВТ-6.

Для изготовления литых коронок, мостовидных протезов, каркасов дуговых (бюгельных), шинирующих протезов, литых металлических базисов применяется литьевой титан ВТ-5Л. Температура плавления титанового сплава составляет 1640 °C.

Съемные зубные протезы с тонколистовыми титановыми базисами толщиной 0,3…0,7 мм имеют следующие основные преимущества перед протезами с базисами из других материалов:

• • абсолютную инертность к тканям полости рга. Это полностью исключает возможность аллергической реакции на никель и хром, которые входят в состав металлических базисов из других сплавов;
• • отсутствие токсического, термоизолирующего и аллергического воздействий, которые свойственны пластмассовым базисам;
• • малую толщину и массу при достаточной жесткости базиса — благодаря высокой прочности титана;
• • высокую точность воспроизведения мельчайших деталей рельефа протезного ложа, недостижимую для пластмассовых и литых базисов из других металлов;
• • существенное облегчение в привыкании пациента к протезу;
• • сохранение хорошей дикции и восприятия вкуса пищи.

Состав и механические свойства ряда марок титана, применяемых в медицине, представлены в табл. 3.4, 3.5, 3.6 и 3.7.

Таблица 3.4.

Состав, механические свойства и нормативы титана высокой чистоты.

Таблица 3.5.

Химический состав титановых сплавов по ГОСТ 19 807–91

Примечание. * - В титане марки ВТ 1−00 допускается массовая доля алюминия не более 0,3%, в титане марки ВТ 1 -0 — не более 0,7%.

Таблица 3.6.

Химический состав титана по ISO 5832/II и ASTM F 67−89

Таблица 3.7.

Механические свойства титановых сплавов по ГОСТ 19 807–91

Самым прочным из рассмотренных материалов является сплав Ti-6A1−4V (отечественный аналог ВТ-6). Увеличение прочности достигается за счет введения в его состав алюминия и ванадия. Однако данный сплав относится к биоматериалам первого поколения и содержащийся в нем ванадий должен вызывать опасения из-за токсического действия на биологические объекты. С этой же точки зрения отечественные сплавы ВТ 1−0 и ВТ 1−00 не могут считаться оптимальными, так как существующие стандарты допускают в них содержание алюминия, который хоть и не является токсичным элементом, как ванадий, но приводит к значительному загрязнению тканей.

Таким образом, с точки зрения лучшей биологической совместимости более перспективными представляются вещества, относящиеся к группе «чистого» титана. Необходимо отметить, что когда говорят о «чистом» титане, имеют в виду одну из четырех марок титана, допущенных для введения в ткани организма в соответствии с международными стандартами. Как видно из приведенных выше данных, они различны по химическому составу, который и определяет биологическую совместимость и механические свойства. Важен также вопрос о прочности этих материалов. Лучшими характеристиками в этом отношении обладает титан класса 4.

При рассмотрении его химического состава можно отметить, что в титане этой марки увеличено содержание кислорода и железа. При сопоставлении зарубежных и отечественных стандартов можно отметить, что разрешенные для клинического применения в нашей стране титановые сплавы ВТ 1−0 и ВТ 1−00 практически соответствуют маркам «чистого» титана Grade 1 и 2. Пониженное содержание кислорода и железа в этих марках приводит к снижению их прочностных свойств, что не может считаться благоприятным. Хотя у титана марки ВТ 1−00 верхняя граница предела прочности на растяжение соответствует аналогичному показателю Grade 4, предел текучести при этом у отечественного сплава почти в два раза ниже. Кроме того, в его состав может входить алюминий, что, как указывалось выше, нежелательно.

Таким образом, можно утверждать, что лучшим материалом для изготовления дентальных имплантатов на сегодняшний день является «чистый» титан класса 4 по стандарту ASTM, так как он:

• • не содержит токсичного ванадия, как, например, сплав Ti-6A1−4V;
• • содержит Fe (измеряемый в десятых долях %). Наличие в его составе Fe не может считаться отрицательным, так как даже в случае возможного выхода ионов железа в окружающие ткани воздействие их на ткани не является токсичным, как у ванадия;
• • обладает лучшими прочностными свойствами по сравнению с другими материалами группы «чистого» титана;

Использование отечественных сплавов ВТ 1−0 и ВТ 1−00 менее предпочтительно, чем титана класса 4 по стандарту ASTM, но лучше, чем сплава Ti-6A1−4V.

В стоматологии в качестве материалов для имплантатов применяется пористый гитан, а также никелид титана, который обладает памятью формы [3]. Титановые сплавы применяются для изготовления имплантатов, надкостных фиксаторов, зеркал, ранорасширителей, гвоздей для остеосинтеза, а также инструментов для различных областей хирургической медицины. По всему миру каждый год имплантируются более 1000 тонн титановых приспособлений различных наименований и назначения. Потребности в замене суставов продолжают расти, т. к. продолжительность жизни увеличивается, а люди все чаще получают повреждения в результате занятия тяжелыми видами спорта, получают серьезные травмы в автомобильных авариях и других происшествиях.

Согласно ISO ТК 150 в качестве имплантатов для хирургии разрешены следующие металлы и сплавы:

• • сталь нержавеющая деформируемая (МС 5832/1−87);
• • деформируемая нержавеющая сталь с высоким содержанием азота (ПМС 5832/9−90);
• • литейный кобальтовый сплав, легированный хромом и молибденом (ПМС 5832/3−95, МС 5832/3−90);
• • деформируемый кобальтовый сплав, легированный хромом, вольфрамом и никелем (МС 5832/5−78);
• • деформированный кобальтовый сплав, легированный никелем, хромом и молибденом (МС 5832/5−80);
• • холодноформованный кобальтовый сплав, легированный хромом, никелем, молибденом и железом (МС 5832/7−94);
• • деформируемый кобальтовый сплав, легированный никелем, хромом, молибденом, вольфрамом и железом (МС 5832/8−87);
• • деформируемый кобальтовый сплав, легированный хромом и молибденом (ПМС 5832−92);
• • нелегированный титан (МС 5832/2−78).
• • деформируемый титановый сплав, легированный алюминием и железом (ПМС 5832/1−95, МС 5832−10−93);
• • деформируемый титановый сплав, легированный алюминием и ниобием (МС 5832/11−93) и др.

В настоящее время разрабатываются наноструктурированные материалы для применения в медицине. Прогнозируется, что в частности титановые сплавы с покрытиями должны обеспечить повышение прочностных характеристик, уменьшение материалоемкости и веса конструкций, повысить интеграционный потенциал костных имплантатов в клеточно-тканевой среде, обеспечить заданный уровень резорбции анионозамещенной кальций-фосфатной керамики.