CZ2008149A3 - Slitina na bázi titanu, zpusob její výroby a tepelného zpracování a její použití - Google Patents
Slitina na bázi titanu, zpusob její výroby a tepelného zpracování a její použití Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2008149A3 CZ2008149A3 CZ20080149A CZ2008149A CZ2008149A3 CZ 2008149 A3 CZ2008149 A3 CZ 2008149A3 CZ 20080149 A CZ20080149 A CZ 20080149A CZ 2008149 A CZ2008149 A CZ 2008149A CZ 2008149 A3 CZ2008149 A3 CZ 2008149A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- alloy
- less
- titanium
- alloys
- casting
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 134
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 134
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 52
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 48
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 21
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 5
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims abstract 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 30
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 claims description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 49
- 239000000463 material Substances 0.000 description 38
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 35
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 31
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 13
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 10
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 9
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 9
- 239000013641 positive control Substances 0.000 description 9
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000010273 cold forging Methods 0.000 description 8
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 208000031404 Chromosome Aberrations Diseases 0.000 description 7
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 7
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 7
- 231100000005 chromosome aberration Toxicity 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 7
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 239000013642 negative control Substances 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000006285 cell suspension Substances 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 4
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000031864 metaphase Effects 0.000 description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 4
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 4
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 210000000349 chromosome Anatomy 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 3
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 231100000025 genetic toxicology Toxicity 0.000 description 3
- 230000001738 genotoxic effect Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 3
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 238000010314 arc-melting process Methods 0.000 description 2
- 239000013553 cell monolayer Substances 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 210000004698 lymphocyte Anatomy 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000000394 mitotic effect Effects 0.000 description 2
- 210000005088 multinucleated cell Anatomy 0.000 description 2
- 230000003505 mutagenic effect Effects 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- NNJPGOLRFBJNIW-HNNXBMFYSA-N (-)-demecolcine Chemical compound C1=C(OC)C(=O)C=C2[C@@H](NC)CCC3=CC(OC)=C(OC)C(OC)=C3C2=C1 NNJPGOLRFBJNIW-HNNXBMFYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- NNJPGOLRFBJNIW-UHFFFAOYSA-N Demecolcine Natural products C1=C(OC)C(=O)C=C2C(NC)CCC3=CC(OC)=C(OC)C(OC)=C3C2=C1 NNJPGOLRFBJNIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 230000021164 cell adhesion Effects 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003541 clastogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 1
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000011278 mitosis Effects 0.000 description 1
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 1
- 231100000219 mutagenic Toxicity 0.000 description 1
- 231100000243 mutagenic effect Toxicity 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 229940006297 other ophthalmologic surgical aid in atc Drugs 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000352 supercritical drying Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- -1 titanium hydride Chemical compound 0.000 description 1
- 229910000048 titanium hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Slitina na bázi titanu s beta kubickou krystalografií vykazující vysokou korozní odolnost a biokompatibilitu, která je tvaritelná za studena a jejíž pevnost a další mechanické vlastnosti jsou nastavitelné v širokém rozmezí zpusobem tepelného zpracování, obsahuje 45 až 70 % titanu, 25 až 45 % niobu, 0,005 až 0,2 % bóru, méne než 0,2 % uhlíku, méne než 0,03 % vodíku, méne než 0,1 % dusíku, méne než 0,4 % kyslíku, méne než 0,2 % železa, méne než 0,3 % medi, méne než 0,2 % kremíku a 0 až 15 % tantalu, vztaženo na hmotnost slitiny. Slitina je pro svou vysokou biokompatibilitu a nízký modul pružnosti urcena predevším pro stomatologické a ortopedické implantáty a další chirurgické prostredky a pomucky. Zpusob tepelného zpracování spocívá v tom, že se slitina po odlití tvárí za studena a vytvrzuje pri teplotách 250 až 450 .degree.C po dobu 1 až 32 hodiny.
Description
Slitina na bázi titanu, způsob její výroby a tepelného zpracování a použiti pro TTTTTrqwhťkéŤmpfantátv-a^WQ ypiniťgipfcť prntfčodky,
Oblast techniky
Tento vynález se týká způsobu výroby a tepelného zpracování slitiny na bázi titanu, tvařitelné za studená a vytvrditelné tepelným zpracováním, korozně odolné a vysoce biokompatibilni, a rovněž jejího užití zvláště pro výrobu stomatologických a ortopedických implantátů a dalších chirurgických prostředků a pomůcek.
Dosavadní stav techniky
Titan vytváří slitiny, které se pevností a tažností vyrovnají nerezavějícím ocelím, jsou však korozně odolnější a mají o 40 % nižší specifickou hmotnost. Jsou užívány především v leteckém a automobilovém průmyslu, ale i při stavbě lodí a v chemickém průmyslu. Žárupevnost některých slitin je srovnatelná se žárupevností ocelí. Perspektivní je aplikace na rotory leteckých plynových turbin, kde úspěšně nahrazují dříve užívané niklové slitiny a je oceňována vysoká žárupevnost, nebo na lopatky parních turbin, kde nahrazuje vysocelegované chromové oceli. Předností titanových slitin je zejména korozivzdornost. V obou aplikacích je současně hlavním přínosem nižší hmotnost dílů, která snižuje namáhání rotačních částí snížením odstředivých sil. Výborná biokompatibilita předurčuje i široké využití těchto slitin v humánní medicíně.
Titan existuje ve dvou alotropických modifikacích, vysokoteplotní fázi β s prostorově středěnou kubickou krystalovou mřížkou a nízkoteplotní fázi a s těsně uspořádanou hexagonální krystalovou mřížkou. Současně vytváří s řadou kovů, lišících se rozpustností v a a β fázi, širokou škálu technických slitin vyznačujících se rozsáhlým spektrem vlastností a tím i použití. Řada kovů má, jako přísada v titanových slitinách, podobné účinky a je zaměnitelná. Obdobných vlastností je proto možno dosáhnout rozličnými typy a kombinacemi legur.
V poslední době bylo prokázáno, že pro užití pro výrobu implantátů a dalších chirurgických pomůcek jsou zvláště vhodné titanové beta slitiny, kde je vhodnými přísadami potlačena tvorba křehké fáze alfa.
V průmyslové praxi se používá titanových slitin častěji ve tvářeném stavu. Součásti se vyrábějí třískovým obráběním, buď přímo z hutních polotovarů, nebo obráběním výkovků. Slévárenské využívání je ztíženo vysokou reaktivitou titanu a tím vysokými technologickými nároky. V poslední době stoupá použití tvarových odlitků. Při lití jsou užívány v podstatě shodné slitiny jako ve tvářeném stavu.
Titanové slitiny jsou v současnosti považované za velmi perspektivní materiál v řadě průmyslových odvětví a zejména v humánní medicíně. K širšímu použití dochází však pouze u čistého titanu a nejznámější slitiny titanu se 6 % hliníku a 4 % vanadu (TÍA16V4), kde je na trhu dostatečně široký sortiment hutních polotovarů. Další typy již vyvinutých slitin, se známými vlastnostmi, jsou však pro malé a střední výrobce nedostupné, neboť jsou vyráběny pouze ve velkých tavbách a dodávány odběratelům pouze smluvně v množstvích daných hmotností tavícího zařízení. Z tohoto důvodu u běžných dodavatelů hutního materiálu, jak v ČR, tak i v EU tyto materiály nejsou nabízeny. Podobná situace je i mimo EU.
v ·
Na jedné straně tedy existuje řada dalších slitin se vhodnějšími vlastnostmi pro humánní medicínu, než čistý titan nebo výše uvedená slitina TÍA16V4. Oproti ocelím a kobaltovým slitinám mají titanové slitiny vyšší korozní odolnost, lepší biokompatibilitu a nižší specifickou hmotnost, přičemž pevnostní vlastnosti jsou podobné, modul pružnosti je nižší. Titanové slitiny mají uplatnění jako implantáty a pomůcky v chirurgii, ortopedii a stomatologii. Mimořádně významné jsou jako dentální implantáty. Nejvhodnějším typem slitin pro výrobu implantátů a dalších chirurgických pomůcek jsou beta slitiny. Jejich vhodnost je dána velmi dobrou tvařitelnosti za studená při zachování vysoké biokompatibility, srovnatelné s biokompatibilitou čistého titanu. V posledních letech byla vývoji těchto slitin věnována zvýšená pozornost a bylo podáno i několik patentových přihlášek.
Tak například zveřejněná mezinárodní patentová přihláška WO 0068448 se zabývá medicinálními prostředky a implantáty, vyrobenými ze slitiny 29 až 70 % hmotn. niobu, 10 až 46 % hmotn. zirkonia a 3 až 15 % hmotn. molybdenu, přičemž zbytek tvoří titan. Tato slitina zajišťuje přítomnost beta krystalografie, která je odolná proti korozi, a umožňuje vytvrzení povrchu výrobků oxidací nebo nitridací.
Patentová přihláška US 5 545 227 uvádí kovové implantáty zhotovené z biokompatibilní titanové slitiny s relativně nízkým modulem pružnosti, která obsahuje titan a dohromady 10 až 20 % hmotn. niobu a tantalu a jako stabilizátor beta modifikace slitiny zirkonium.
Patentová přihláška US 6200685 uvádí slitiny titanu, molybdenu a hafnia vhodné pro vložky do cév, kolenní hlavy a další ortopedické implantáty, i pro moderní sportovní náčiní, které se vyznačují vysokou pevností a nízkým modulem pružnosti. Jsou uvedeny slitiny s obsahem molybdenu 5,7 a 9 % a niobu 7 a 9 %, slitina se 7 % molybdenu, 7 % niobu s přísadou železa do 2 %, slitina s 5 % Mo, 4 % Nb a 7 % Hf a konečně slitina titanu se 7 % Mo, 7 % Nb a 7% Hf. Jde o slitu beta, vytvrditelnou fází alfa, vyznačující se velmi dobrou korozní odolností.
Patentová přihláška US 5573401 uvádí za studená tvařitelné beta slitiny titanu, niobu a zirkonia pro dentální implantáty s nízkým modulem pružnosti s obsahem niobu 35 až 50 % a zirkonia až 50 %, přičemž u slitin s přísadou niobu je obsah zirkonia omezen do 20 %. Slitiny mají velmi dobrou korozní odolnost.
Patentová přihláška US 6767418 zabývající se slitinami titanu se zirkoniem a niobem a slitinami titanu se zirkoniem a tantalem s obsahem 25 až 50 % Ti, 25 až 60 % Zr a 5 až 30 % Nb nebo 5 až 40 % Ta. Slitina se vyznačuje pevností 800 až 1000 MPa a modulem pružnosti v rozmezí 60 až 100 GPa. Slitina je určena pro medicínské aplikace.
Patentová přihláška US 5954724 uvádí slitiny titanu s přísadami 2 až 30 % molybdenu a 0 až 30 % hafnia. Ve slitině lze přísadu molybdenu zčásti nahradit niobem. Slitina se vyznačuje nízkým modulem pružnosti.
Patentová přihláška US 4857269 uvádí slitinu titanu s nízkým modulem pružnosti a vysokou biokompatibilitou o složení 10 až 13 % Mo, 5 až 7 % Zr a max. 3 % Fe. Jde o tvařitelnou beta slitinu.
Patentová přihláška US 5169597 uvádí slitinu titanu, kde jsou možné přísady Mo, Ta, Nb a Zr. Slitina je vhodná pro přípravu protetik. Je doporučeno složení s minimálním obsahem molybdenu 10 %, při přísadě 5 až 7 % Zr se doporučuje obsah molybdenu 10 až 13 % a další • ··· • t přísady stabilizující fázi beta (Nb nebo Ta) v koncentraci do 3 %. Jako další příklad je uváděna slitina titanu s 10 % Nb, 1 až 4 % Zr a 2 % Fe.
Současný výzkum nových kovových materiálů pro užití v humánní medicíně vedl k vývoji několika nových titanových slitin, u nichž byla prokázána výborná biokompatibilita a potvrzena perspektivnost tohoto výzkumu. Pro využití ve zdravotnictví jsou však nové slitiny nedostupné. Současný sortiment je omezen pouze na čistý titan a slitinu TÍ6A14V a neexistuje výrobce, který by byl schopen dodat tyto slitiny v malých množstvích, využitelných při výrobě ortopedických a stomatologických implantátů. Druhým, závažnějším důvodem je, že nové slitiny jsou známy především v USA a Japonsku. V Evropě chybí úplné a potvrzené informace o jejich biokompatibilitě a tím i potřebné certifikace, potvrzené klinickými zkouškami. Jejích zavedení je v Evropě spíše náhodné, vždy omezené na některou zemi a některou slitinu. Tento stav brání zejména uplatnění beta-slitin titanu, které mají oproti současnému sortimentu řadu výhod. Je to především jejich tvařitelnost za studená, široké pásmo dosažitelných mechanických vlastností a možnost využití moderních slévárenských technologií. Vývoj titanových slitin pro humánní medicínu není systematický a nové materiály vznikají spíše náhodně, na základě příznivých výsledků zkoušek biokompatibility. V mnohých případech chybí další návaznost materiálového výzkumu na medicínský preklínický výzkum, nezbytný pro klinické využití těchto materiálů.
Základní výroba stomatologických implantátů je z titanu, u něhož přicházejí v úvahu čtyři kvalitativní typy, lišící se čistotou a základními mechanickými vlastnostmi. Prokazuje se velký vliv nečistot na mechanické vlastnosti v širokém rozsahu i jejich rozdílné údaje, u TiGrade4 mohou dosáhnout hodnoty meze kluzu a pevnosti již hodnot titanových slitin. U tvářených druhů čistého titanu jsou hodnoty v horním rozsahu. Pokud by pevnost používaného titanu nevyhovovala, je třeba nejprve porovnat jeho čistotu a v krajním případě volit použití slitiny titanu. Jejich zpracovatelnost za studená je obtížnější, než u čistého titanu a teoreticky lze se rozhodnout mezi slitinami α, a + β nebo β, z nichž první dva typy jsou za studená velmi obtížně zpracovatelné. Z dvoufázových slitin je běžně používaná pouze slitina TÍA16V4 s mechanickými vlastnostmi v žíhaném stavu v rozsahu 870 až 950 MPa (po vytvrzování s hodnotami vyššími). Jiné slitiny jsou pro výrobce dentálních implantátů velmi obtížně dostupné. Z hlediska dalšího rozvoje představuje zavedeni dalších slitin nutnost.
Postupně prošly stádiem preklinických a klinických ověření další slitiny: TiA15Fe2,5; TiA15Nb2 a TiA16Nb7. Velmi perspektivní je užiti β slitin. Z jcdnofázových slitin β jsou známé slitiny TiZrNb, TiZrTa neboTiMoNb s přednostmi pro zubní techniku, nebo vyvinuté komplexní slitiny připravované cestou práškové metalurgie. Tyto slitiny jsou však při současném sortimentu výrobcům zdravotnických prostředků nedostupné.
Podstata vynálezu
Cíle odstranit velmi špatnou tvařitelnost za studená u dosud používaného titanu nebo běžně dostupné slitiny TÍA16V4, zjednodušit technologie zpracování tvářením a tepelným zpracováním, zlepšit užitné vlastnosti zvýšením pevnosti, snížením modulu pružnosti při zachování dobrých plastických vlastností a při zachování vynikající korozní odolnosti a biokompatibility čistého titanu, bylo dosaženo pomocí slitiny obsahující následující prvky, jejichž podíl je uveden v hmotnostních procentech, vztažených na celkovou hmotnost slitiny až 70 % titanu, až 45 % niobu, až 15 % tantalu,
0,005 až 0,2 % bóru, méně jak 0,2 % uhlíku, méně jak 0,03 % vodíku, méně jak 0,1 % dusíku, méně jak 0,4 % kyslíku, méně jak 0,2 % železa, méně jak 0,2 % křemíku, a méně jak 0,3 %mědi.
Tento vynález dovoluje v důsledku stabilizujícího účinku niobu na vysokoteplotní alotropickou modifikaci titanu vytvořit slitinu se stabilní kubickou krystalografií při teplotě okolí dobře tvařitelnou a nahradit tak obtížně tvařitelnou hexagonální krystalografii čistého titanu a běžně užívané slitiny TÍA16V4 i dalších konstrukčních slitin při dosažení stejně dobrých mechanických vlastností. Slitina je vytvrditelná při teplotách 250 až 450 °C částicemi hexagonálně krystalizující fáze alfa, jejichž objemový podíl lze koncentrací niobu a podmínkami tepelného zpracování, regulovat v rozmezí 6 až 15 % objemu a tím regulovat pevnost slitiny v rozmezí 500 až 1300 MPa. Další obměnu vlastností, snížení modulu pružnosti a zvýšení tvařitelnosti za studená, lze docílit snížením objemu fáze alfa až na 3 % přísadou tantalu až 15 % hmotn. V tomto případě by měl být obsah niobu 34 až 38 % hmotn.
V popisu, který bude následovat, jsou uvedeny další detaily, týkající se důležitosti přítomnosti jednotlivých přísad tvořících složky této slitiny a jejich vzájemných poměrů.
Titan tvoří základ slitiny, je podstatou vysoké korozní odolnosti a biokompatibility slitin, základem vytvrditelnosti beta slitin a tím dosažení vysokých hodnot pevnosti. Titan je vysoce reaktivní kov a vyžaduje specielní postupy tavení odlévání a tepelného zpracování. Pro tavení je možno užít obloukové tavení ve vysokém vakuu nebo indukční tavení v děleném studeném kelímku „(scull melting)“, v inertní atmosféře argonu nebo helia, odlévání do ingotů v měděném krystalizátoru, nebo při slévárenském způsobu, za použití technologie tavení v děleném studeném kelímku, k přesnému lití odlitků technologií na vytavitelný model.
Niob je základní přísadou ve slitině. Jeho význam spočívá ve stabilizaci dobře tvařitelné vysokoteplotní modifikace titanu. Mírně zpevňuje tuhý roztok titanu a snižuje modul pružnosti. Je rovněž vysoce biokompatibilní kov a nemění příznivé korozní vlastnosti a biokompatibilitu titanu. Potřebná koncentrace v procentech hmotnosti pro vytvoření beta slitiny vytvrditelné částicemi fáze alfa je 25 až 45 %. Pod touto koncentrací transformuje fáze alfa v metastabilní martenzítické modifikaci a nad touto koncentrací je již rovnovážný objemový podíl fáze malý a tím vytvrditelnost slitiny jen omezená.
Tantal má podobné vlastnosti jako niob a může niob jako přísadu zčásti nahradit. Vzhledem k vysoké tavící teplotě je metalurgická příprava binárních slitin obtížná a proto se přidává do slitiny TiNb jako přísada dále snižující modul pružnosti a zvyšující tvařitelnost za studená. Je vysoce biokompatibilní kov a nemění příznivé korozní vlastnosti a biokompatibilitu titanu. Koncentrace v procentech hmotnosti pro snížení modulu pružnosti při zachování vytvrditelnosti částicemi fáze alfa je 0 až 15 % hmotn. Ta při koncentraci niobu do 38 %.
Bór je nezbytnou přísadou zejména pro slévárenské aplikace slitiny. Zlepšuje slévatelnost slitiny, snižuje množství slévárenských vad. Zjemňuje zrno a tím příznivě ovlivňuje mechanické vlastnosti a to i při hutní výrobě u kovaných a válcovaných polotovarů. Při koncentracích nad 0,05 % hmotn, vytváří boridy, které mají vytvrzující účinek, Minimální přísada je 0,005 %.
Uhlík se rozpouští v titanu alfa i beta omezeně. Za normální teploty pod 0,25 % hmotn. Do tohoto obsahu zlepšuje mechanické vlastnosti. Nad 0,25 % hmotn. vzniká karbid TiC. V beta slitinách je považován za nečistotu a jeho množství se udržuje pod hodnotou 0,1 % hmotn.
Kyslík se dobře rozpouští v obou krystalových modifikacích. Stabilizuje výrazně fázi alfa. Již při malých množstvích (desetiny %) výrazně zvyšuje pevnost a snižuje plasticitu. Jeho obsah ve slitině se udržuje do 0,25 % hmotn. V beta slitině, která je předmětem vynálezu je považován za nečistotu.
Dusík se dobře rozpouští v obou krystalových modifikacích. Stabilizuje výrazně fázi alfa. Již při malých množstvích (desetiny %) výrazně zvyšují pevnost a snižují plasticitu. Jeho obsah ve slitině se udržuje do 0,05 % hmotn. V beta slitině, která je předmětem vynálezu je považován za nečistotu.
Vodík způsobuje precipitaci hydridu titanu což vede k poklesu houževnatosti. Obsah se udržuje pod 0,01 % hmotn. Je považován za nečistotu.
Železo je obvyklou nečistotou v titanových slitinách. Přichází do titanu pří jeho výrobě redukcí. Při obsahu pod 0,2 % je jeho vliv zanedbatelný.
Křemík působí negativně na houževnatost. Obsah se udržuje pod 0,2 %.
Měď je obvyklou nečistotou v titanových slitinách. Přichází do titanu při jeho výrobě redukcí. Při obsahu pod 0,3 % hmotn. je její vliv zanedbatelný.
Zvláště výhodné příklady slitiny:
Zvláště výhodný příklad slitiny podle vynálezu má složení s následujícím složením prvků v hmotnostních procentech, vztažených na celkovou hmotnost slitiny
61.5 % titanu, % niobu,
0,005 % bóru, max. 0,1 % uhlíku, max. 0,01 % vodíku, max. 0,05 % dusíku, max. 0,2 % kyslíku, max. 0,05 % železa, max. 0,05 % křemíku, max. 0,25 % mědi.
Jiný výhodný příklad slitiny podle vynálezu má složení s následujícím složením prvků v hmotnostních procentech, vztažených na celkovou hmotnost slitiny
58.5 % titanu,
35.5 % niobu,
5,7 % tantalu • ·
0,005 % bóru, max. 0,1 % uhlíku, max. 0,01 % vodíku, max. 0,05 % dusíku, max. 0,2 % kyslíku, max. 0,05 % železa, max. 0,05 % křemíku, max. 0,25 % mědi.
Cílem vynálezu je rovněž postup výroby předmětu z této slitiny tak, jak byl popsán ve výše uvedeném textu
Po odlití slévárensky, cestou přesného lití na vytavitelný model, může být slitina žíhána při teplotách 800 až 850 °C s následným rychlým ochlazením. Ochlazení může být do vody, volně na vzduchu, nebo v proudu vzduchu. Žíhání je vedeno s cílem homogenizace chemického složení, odstranění vnitřních pnutí a zlepšení obrobitelnosti odlitku.
Dále může být odlitek vytvrzován při teplotách 250 až 450 °C, přičemž technologicky vhodná doba výdrže na teplotě je 8 až 32 h. Vytvrzení je vedeno s cílem dosažení vysokých pevnostních vlastností slitiny.
Mikrostruktura po odliti je tvořena rovnoosými zrny fáze beta s vyloučenými globulámími Částicemi fáze alfa, jejichž podíl v objemu slitiny nepřesahuje 3 %. Po žíhání při 800 °C a rychlém ochlazení je struktura slitiny podobná, rychlým ochlazením se snižuje podíl částic alfa. Vytvrzovací žíhání vede k precipitaci velkého množství velmi jemných částic fáze alfa. Odlitky, kde nejsou při výrobě podrobeny operaci třískového obrábění, nebo je třískové obrábění prováděno jen v omezeném rozsahu, je možno vytvrzovat i ve stavu po odlití, bez zařazení žíhání při 800 °C
Slitina může být odlévána do měděných krystalizátorů a ingoty pak tvářeny za studená kováním nebo válcováním až do 50 % redukce přičemž tažnost slitiny klesá na polovinu hodnoty po žíhání. Před tvářením za studená je nutné slitinu žíhat při teplotách 800 až 850 °C s následným rychlým ochlazením. Ochlazení může být do vody, volně na vzduchu, nebo v proudu vzduchu. Žíhání zajistí dobrou tvařitelnost za studená.
Tvářené výrobky nebo polotovary je možno používat v deformovaném stavu nebo přímo vytvrzovat. Podle typu výrobku a účelu použití výrobku lze před vytvrzením lze zařadit žíhání při teplotách 800 až 850 °C s následným rychlým ochlazením.
Tvářené výrobky nebo polotovary lze žíhat při 800 až 850 °C a pak vytvrzovat při teplotách 250 až 450 °C, přičemž technologicky vhodná doba výdrže na teplotě je 8 až 32 h. Vytvrzením za studená deformovaných výrobků nebo polotovarů je dosahováno nej vyšších pevností slitiny.
Mikrostruktura po odlití je tvořena rovnoosými zrny fáze beta s s vyloučenými globulámími částicemi fáze alfa, jejichž podíl v objemu slitiny nepřesahuje 3 %. Po žíhání při 800 °C a rychlém ochlazení je struktura slitiny podobná, rychlým ochlazením se snižuje podíl částic alfa. Deformací dochází k protažení zrn ve směru tváření. Vytvrzovací žíhání vede k precipitaci velkého množství velmi jemných částic fáze alfa.
to · • toto
Způsobem výroby a tepelným zpracování lze měnit mechanické vlastnosti slitiny měnit v širokém rozmezí. Příklad dosažitelných vlastností zjišťovaných zkouškami pevností v tahu u výše uvedených slitin s výhodným chemickým složením je ukázán v tabulce 1.
Tabulka 1. Příklad dosažitelných vlastností zjišťovaných zkouškami pevností v tahu u výše uvedených slitin s výhodným chemickým složením
| Slitina | Stav slitiny | Mez kluzu Rp02 [MPa] | Mez pevnosti Rm [MPa] | Tažnost A5 |%] | Modul pružnosti E |GPa] |
| Ti 38%Nb 0,01 %B | stav po odlití | 350-450 | 500 - 570 | 25-35 | |
| stav po odlití a žíhání 800 °C/vzduch | 300 - 400 | 500 - 550 | 30-40 | ||
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch + žíhání 400 °C/16h | 700-800 | 750 - 900 | 5-10 | ||
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch, deformace za studená 22,5 % | 500 - 600 | 700 - 800 | 5-10 | 55-65 | |
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch, deformace za studená 52,4 % | 750 - 850 | 800 - 900 | 3-8 | ||
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch deformace 45,1%+žíhání 400 °C/16 h | 1000 - 1100 | 1100- 1200 | 3-6 |
Tabulka 1. Příklad dosažitelných vlastností zjišťovaných zkouškami pevností v tahu u výše uvedených slitin s výhodným chemickým složením, pokračování
| Slitina | Stav slitiny | Mez kluzu Rp02 [MPa] | Mez pevnosti Rm [MPa] | Tažnost A5 |%] | Modul pružnosti E [GPa] |
| Ti 35,5 %Nb 5,7% Ta 0,005 %B | stav po odlití | 350-450 | 450 - 550 | 25-35 | |
| stav po odlití a žíhání 800 °C/vzduch | 300-400 | 400 - 500 | 28-38 | 50-60 | |
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch+ žíhání 400 °C/16 h | 750 - 850 | 850 - 950 | 5-10 | ||
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch, deformace za studená 22,5 % | 650 - 750 | 750 - 850 | 5-10 | ||
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch, deformace za studená 52,4 % | 700 - 800 | 800 - 900 | 4-8 | ||
| stav po odlití a žíhání 800 °C / vzduch deformace 45,1 %+žíhání 400 °C/16 h | 1050 - 1150 | 1100 - 1200 | 2-5 |
Pro medicínské aplikace zachovává slitina vysokou biokompatibiltu čistého titanu, tj. na úrovní pozitivních standardů, užívaných k hodnocení biokompatibility slitin.
Slitina podle vynálezu může být použita pro výrobu jakýchkoliv součástí mechanicky namáhaných pracujících při teplotách do 200 °C, zejména kde je vyžadováno nízká specifická hmotnost kovu, nebo určených pro práci v korozním prostředí, nebo pro užití v humánní medicíně. Do rozsahu vynálezu patří i předměty vyráběné z výše popsané slitiny přesným litím.
• ·
Pro lepší popis použití vynálezu může posloužit následující detailní popis jeho využití při výrobě zdravotnických prostředků v humánní medicíně.
Obr. 1. Ukazuje soupravu dentálního čepového implantátu a vyhojovacího válečku a pilíře vyrobenou ze slitiny Ti35,5Nb5,7Ta
Obr. 2. Ukazuje příklady dlah pro aplikaci ve stomatologii
Obr. 3. Ukazuje příklad kyčelního implantátu
Obr. 4. Ukazuje příklad kolenního implantátu
Obr, 5, Ukazuje příklad šroubu do spongiózní kosti,
Obr. 6. Ukazuje příklad dlahy pro stabilizaci kyčelního kloubu
Příklady provedení vynálezu
Vynález je ilustrován následujícími příklady
Přikladl.
Metodou obloukového tavení v inertní atmosféře byla odlita do měděného krystalizátoru tavba o následujícím složení v procentech hmotnosti.
| Ti | 59,28 % |
| Al | 0,82 % |
| P | 0,016% |
| s | 0,038 % |
| Cr | 0,008 % |
| Fe | 0,06 % |
| Ni | 0,012% |
| Cu | 0,21 % |
| Zr | 0,011% |
| Nb | 39,62 % |
| Mo | 0,046 % |
| Ta | 0,041 % |
| O | 0,119% |
| N | 0,02 % |
| B | 0,006% |
Po odlití následovalo rozpouštěcí žíhání slitků na vzduchu při 800 °C/1 h/voda a dělení íngotku rozřezáním na hranolky o základně 15 x 15 mm a soustružení na tyče 0 12 mm.
Dalším krokem bylo rotační kování za studená na tyče 0 8 mm (redukce průřezu cca 50 %). Posloupnost kovaných průměrů: 12 mm -> 10,5 mm —> 9,5 mm 8,5 mm -» 8,0 mm.
Po kování bylo zařazeno mezioperační žíhání na vzduchu - 800 °C/1 h/voda. a přesoustružení vyžíhaných tyčí na 0 7,8 mm (odstranění kyslíkem stabilizované α - vrstvy tloušťky 0,1 mm.
Další operací bylo druhé rotační kování na dráty 0 5,7 mm. Posloupnost kovaných průměrů:
7,8 mm -»6,8 mm —> 5,7 mm.
Dále byly dráty použity po výrobu stomatologických implantátů třískovým obráběním a leštěním. Byly vyráběny díly uvedené na obr. 1.
K výrobě byly použity dráty po různých režimech tepelného zpracování, tyto varianty jsou uvedeny v následujícím přehledu.
1. Bez dalšího tepelného zpracování byly dráty použity po výrobu stomatologických implantátů třískovým obráběním a leštěním.
2. Dráty byly žíhány v ochranné atmosféře za podmínek 800 °C/1 h/proud argonu.
3. Dráty byly v deformovaném stavu vytvrzovány za podmínek 400 °C/16 h/vzduch.
4. Dráty byly žíhány v ochranné atmosféře za podmínek 800 °C/1 h/proud argonu a pak vytvrzovány za podmínek 400 °C/16 h/vzduch.
Byly dosaženy mechanické vlastnosti, zjišťované zkouškou pevnosti v tahu a měřené tvrdostí podle Vickerse HV 10, uvedené v tabulce 2.
Tabulka 2. Mechanické vlastnosti slitiny dosažené po finálním zpracování
| Varianta zpracování | Stav slitiny | Mez kluzu Rp02 [MPa] | Mez pevnosti Rm [MPa] | Tažnost A5 [%] | Kontrakce Z [%] | Modul pružnosti E [GPa] | Tvrdost HV10 |
| 1 | rotační kování za studená | 553 | 736 | 4,1 | 24 | 56,1 | 225 |
| 2 | žíhání 800 °C/ voda | 316 | 520 | 38,0 | 76 | 167 | |
| 3 | rotační kování za studená + vytvrzení 400 °C/16 h/vzduch | 1058 | 1143 | 3,2 | 5 | 346 | |
| 4 | rotační kování za studená + žíhání 800 °C / voda + vytvrzení 400 °C/16 h/ vzduch | 881 | 945 | 8,7 | 18,9 | 325 |
U slitiny bylo provedeno 5 testů cytokompatibility a 3 testy genotoxicity. Testy prokázaly způsobilost slitiny pro užití v humánní medicíny. Postup testů je podrobně popsán pro tuto slitinu a pro slitinu popsanou v příkladu 2 v příkladu 3.
Příklad 2.
Metodou obloukového tavení v inertní atmosféře byla odlita do měděného krystalízátoru tavba o následujícím složení v procentech hmotnosti.
a « » · ·
| Ti | 56,5 % |
| AI | 0,71 % |
| P | 0,020 % |
| S | 0,057 % |
| Cr | 0,008 % |
| Fe | 0,14% |
| Ni | 0,008 % |
| Cu | 0,13 % |
| Zr | stopy |
| Nb | 37,38 % |
| Mo | 0,039 % |
| Ta | 4,98 % |
| O | 0,145 % |
| N | 0,023 % |
| B | 0,007 % |
Postup dalšího zpracování byl velmi podobný jako u příkladu 1.
Po odlití následovalo rozpouštěcí žíhání slitků na vzduchu při 800 °C/1 h/voda a dělení ingotku rozřezáním na hranolky o základně 15x15 mm a soustružení na tyče 0 12 mm.
Dalším krokem bylo rotační kování za studená na tyče 0 8 mm (redukce průřezu cca 50 %), Posloupnost kovaných průměrů: 12 mm 10,5 mm 9,5 mm -> 8,5 mm -»· 8,0 mm.
Po kování bylo zařazeno mezioperační žíhání na vzduchu při 800 °C/1 h/voda. a přesoustružení vyžíhaných tyčí na 0 7,8 mm (odstranění kyslíkem stabilizované a - vrstvy tloušťky 0,1 mm.
Další operací bylo druhé rotační kování na dráty 0 4,8 mm. Posloupnost kovaných průměrů:
7,8 mm ->6,8 mm 5,7 —► 4,8 mm.
Dále byly dráty použity po výrobu stomatologických implantátů třískovým obráběním a leštěním. Byly vyráběny díly uvedené na obr. 1.
K. výrobě byly použity dráty po různých režimech tepelného zpracování, tyto varianty jsou uvedeny v následujícím přehledu.
1. Bez dalšího tepelného zpracování byly dráty použity po výrobu stomatologických implantátů třískovým obráběním a leštěním.
2. Dráty byly žíhány v ochranné atmosféře za podmínek 800 °C/1 h/proud argonu.
3. Dráty byly v deformovaném stavu vytvrzovány za podmínek 450 °C/16 h/vzduch,
4. Dráty byly žíhány v ochranné atmosféře za podmínek 800 °C/1 h/proud argonu a pak vytvrzovány za podmínek 450 °C/16 h/vzduch.
Byly dosaženy mechanické vlastnosti, zjišťované zkouškou pevnosti v tahu a měřené tvrdostí podle Vickerse HV 10, uvedené v tabulce 3.
♦ · ·· » ♦ ’ ·”· ·”· • · * ♦ · · · ·· • ·♦·· ······ • ♦ · ·· « «··· ··· ··· ·· ·· *· *«
Tabulka 3. Mechanické vlastnosti slitiny dosažené po finálním zpracování
| Varianta zpracování | Stav slitiny | Mez kluzu Rp02 (MPaj | Mez pevnosti Rm [MPa] | Tažnost A5 [%] | Kontrakce Z [%1 | Modul pružnosti E [GPa] | Tvrdost HV10 |
| 1 | rotační kování za studená | 630 | 762 | 7,9 | 18 | 54,5 | 225 |
| 2 | žíhání 800 °C/ voda | 370 | 476 | 28,9 | 56 | 176 | |
| 3 | rotační kování za studená +žíhání 800 °C /voda + vytvrzení 400 °C /16 h/vzduch | 894 | 950 | 9,8 | 19,4 | 266 | |
| 4 | rotační kování za studená + vytvrzení 400 °C/16 h/ vzduch | 1076 | 1146 | 2,8 | 6 | 306 |
U slitiny bylo provedeno 5 testů cytokompatibility a 3 testy genotoxicity. Testy prokázaly způsobilost slitiny pro užití v humánní medicíny. Postup testů je podrobně popsán pro tuto slitinu a pro slitinu popsanou v příkladu 2 v příkladu 3,
Příklad 3
U slitin uvedených v příkladu 1 a 2 bylo provedeno 5 různých testů cytokompatibility (test č. 1 až 5) a 3 různé testy genotoxicity (test č. 6 až 8), tak aby byla prokázána vhodnost slitin pro výrobu implantátů a dalších zdravotnických prostředků s užitím v humánní medicíně.
Byly provedeny následující testy.
1. Test růstu buněčné suspenze ve výluhu testovaného materiálu
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: 6 variant včetně positivní a negativní kontroly, 4 varianty představují ředění výluhu.
v
c. Časový interval: buňky jsou počítány každých 24 hodin, pokus trvá 5 dní.
d. Výstup: počet buněk v 1 ml výluhu, zjištění závislosti růstové rychlosti na ředění výluhu.
e. Účelem testu bylo zjistit toxicitu výluhu testovaného materiálu. Je-li zjištěna toxicita, to znamená, byla prokázána závislost mezi koncentrací testovaného výluhu a rychlostí růstu buněk.
2. Test adherence buněk k testovanému materiálu
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: buněčná suspenze je navrstvena přímo na testovaný materiál.
c. Časový interval: 48 hodin.
• · φ • Φ φφ
d. Výstup: buňky jsou fixovány a po preparační metodě (critical point drying) je hodnocena morfologie adhese buněk na materiálu pomocí SEM.
e. Výsledek je porovnáván s hodnotami na skleněném standardu (positivní standard), vysazuje se 5000 buněk a v procentech je vyjádřen poměr počtu buněk na kovu k počtu buněk na skle.
3. Dynamický dilatační test
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: buněčná suspenze je smíchána s testovaným výluhem, kultivační láhev umístěna do kultivačního mikroskopu a buňky fotografovány v určených časových intervalech.
c. Časový interval: 6 hodin.
d. Výstup: obrazová dokumentace umožňuje stanovit počet rozprostřených (diktovaných) a nediktovaných buněk. Je určováno % buněk, které se přichytí k substrátu a rozprostřou své membrány.
e. Účelem testu bylo zjistit, zda a do jaké míry jsou buňky výluhem z testovaného materiálu ovlivněny ve své schopnosti adherovat, to znamená přichytit se skleněného substrátu a rozšířit svoje membrány. Test vypovídá o míře schopnosti buněk, tolerovat výluh testovaného materiálu.
4. Test tolerance buněk v monovrstvě k testovanému materiálu
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: k narostlé buněčné monovrstvě na dně kultivační nádoby se přiloží vzorek testovaného materiálu.
c. Časový interval: 48 hodin.
d. Výstup: je hodnocena velikost zóny odumřelých buněk kolem testovaného materiálu v pm.
e. Účelem testu bylo zjistit, zda se v narostlé buněčné kultuře do níž je přidán pevný vzorek materiálu, tvoří zóna odumírajících buněk a jak je tato zóna velká. Test vypovídá o toleranci rostoucích buněk k pevnému testovanému materiálu.
5. Test tolerance buněk v suspensi k testovanému materiálu
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: ke vzorku materiálu v kultivační nádobě je přidána buněčná suspenze.
c. Časový interval: 48 hodin.
d. Výstup: je hodnocena velikost zóny kolem materiálu, kde buňky neadherují v pm.
e. Účelem testu bylo zjistit, zda se při adherenci buněk vytvoří kolem testovaného materiálu inhíbiční zóna. Test vypovídá o míře tolerování testovaného materiálu v kritických buněčných fázích.
6. Test indukce atypických mitóz
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: buněčná suspenze je inokulována na krycí skla nebo jiný vhodný materiál. Je inokulováno 6 variant včetně positivní a negativní kontroly, 4 varianty představují ředění výluhu.
c. Časový interval: 72 hodin.
d. Výstup: je selektivně hodnocen počet metafází, počet vícejademých buněk, eventuelní mikrojádra, počet vícepolámích dělení a stanoven mitotický index. Za mutagenní je považován materiál, který indukuje více jak 5 mitóz ze 100 měření nebo 5 % mitóz z celkového počtu měření.
• φ • · φ · φ φ · • · φ « φ φφ • · · φ · · « φ φφφφ φ φ φ φ • ♦· φφ φφ φφ
e. Účelem testu bylo zjistit, zda výluh testovaného materiálu indukuje změny na chromosomech v dlouhodobé kultivaci. Test vypovídá o schopnosti materiálu indukovat chromosomové aberace a tedy o jeho mutagenních vlastnostech.
7. Test indukce chromosomálních aberací v buněčné linii (klastogenní efekt)
a. Buněčný materiál: heteroploidní buněčná linie.
b. Uspořádání: k buněčné monovrstvě kultivované ve výluhu materiálu je přidán kolcemid a preparovány metafázové chromozómy. Positivní a negativní kontrola.
c. Časový interval: 72 hodin.
d. Výstup: jsou počítány strukturální i numerické aberace, srovnáno s positivní a negativní kontrolou. Za nevhodný je považován materiál, který indukuje více jak 5 chromosomálních aberací ze 100 měření nebo 5 % chromosomálních aberací z celkového počtu měření.
8. Test indukce chromosomálních aberací v periferních lymfocytech člověka
a. Buněčný materiál: periferní lymfocyty člověka.
b. Uspořádání: plná heparinizovaná krev je kultivována v přítomností PHA. Preparace metafázových chromozómů. Positivní a negativní kontrola.
c. Časový interval: 72 hodin.
d. Výstup: jsou počítány numerické i strukturální aberace, srovnáno s positivní i negativní kontrolou, eventuelně s národním standardem. Za nevhodný je považován materiál, který indukuje více jak 3 chromosomální aberace ze 100 měření nebo 3 % chromosomální aberace z celkového počtu měření.
e. Buněčná suspenze je inokulována na krycí skla nebo jiný vhodný materiál. Je inokulováno 6 variant včetně positivní a negativní kontroly, 4 varianty představují ředění výluhu. Je selektivně hodnocen počet metafází, počet vícejademých buněk, eventuelní mikrojádra, počet vícepolámích dělení a stanoven mitotický index.
Výsledky testu na slitinách uvedených v příkladu 1 a 2 jsou porovnány s výsledky testů na čistém titanu a pozitivním standardu v tabulce 4. Podle těchto výsledků obě slitiny, které jsou předmětem vynálezu, vyhovují požadavkům biokompatibility podle kriterii testů a hodnot pozitivní kontroly. Užití pro aplikace uvedené v příkladech 1 a 2 je proto oprávněné. Obě slitiny mají stejné výsledky provedených testů jako dosud hojně používaný čistý titan grade 2. Naměřené hodnoty jsou na úrovni pozitivního standardu, který je u testů standardizován jako zcela inertní materiál.
φ
Φ · • 1«» •φ φφ > Φ ΦΦ
Φ Φ ΦΦ
ΦΦ ΦΦ
Tabulka 4. Vyhodnocení testů biokompatibility slitin, které jsou předmětem vynálezu
| Číslo testu | Pozitivní kontrola | Kriteria pro dosažení biokompatibility | Titan Grade 2 | Slitina Ti38Nb Příklad 1 | Slitina Ti35,5Nb5,7Ta Příklad 2 |
| 1 | 134000 | 110000-140000 | 133500 | 136300 | 135100 |
| 2 | 100 | 90-100 bez morfologických změn | 95 | 100 | 99 |
| 3 | 98 | 90-100 | 97,8 | 96,7 | 97,5 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 6 | 1-4 | 1-4 | 4 | 4 | 4 |
| 7 | 1-4 | 1-4 | 5 | 5 | 6 |
| 8 | 0-2 | 0-2 | 2 | 2 | 2 |
Φ *·«
Claims (6)
1. Slitina na bázi titanu vykazující beta krystalografii a vysokou korozní odolnost a biokompatibilitu, vyznačující se tím, že obsahuje 45 až 70 % titanu, 25 až 45 % niobu, 0,005 až 0,2 % bóru, méně než 0,2 % uhlíku, méně než 0,03 % vodíku, méně než 0,1 % dusíku, méně než 0,4 % kyslíku, méně než 0,2 % železa, méně než 0,3 % mědi, méně než 0,2 % křemíku a 0 až 15 % tantalu, vztaženo na hmotnost slitiny, která je dobře tvařitelná za studená a jejíž pevnost a další mechanické vlastnosti jsou nastavitelné v širokém rozmezí pomocí tepelného zpracování
2. Způsob tepelného zpracování slitiny na bázi titanu s vysokou korozní odolností a biokompatibilitou, vyznačující se tím, že obsahuje 45 až 70 % titanu, 25 až 45 % niobu, 0,005 až 0,2 % bóru, méně než 0,2 % uhlíku, méně než 0,03 % vodíku, méně než 0,1 % dusíku, méně než 0,4 % kyslíku, méně než 0,2 % železa, méně než 0,3 % mědi, méně než 0,2 % křemíku a 0 až 15 % tantalu, vztaženo na hmotnost slitiny, při kterém je slitina po odlití tvářena za studená a vytvrzována při teplotách 250 až 450 °C po dobu 1 až 32 hodiny,
3. Způsob tepelného zpracování slitiny na bázi titanu podle nároku 2 vyznačující se tím, že po tváření a před vytvrzováním je slitina podrobena žíhání při teplotách 800 až 850 °C po dobu 0,5 až 4 hodiny, ochlazována do vody nebo v plynném prostředí vzduchu nebo ochranné inertní atmosféry.
4. Slitina na bázi titanu podle nároku 1 vyznačující se tím, že po odlití odlitků na vytavitelný model je odlitek žíhán při 800 až 850 °C po dobu 0,5 až 4 hodiny, ochlazován do vody nebo v plynném prostředí vzduchu nebo ochranné inertní atmosféry a dále vytvrzován při teplotách 250 až 450 ŮC po dobu 1 až 32 hodin.
5. Použití slitiny na bázi titanu podle nároku 1 pro stomatologický implantát nebo zdravotnický stomatologický prostředek.
6. Použití slitiny na bázi titanu podle nároku 1 pro ortopedický implantát nebo zdravotnický ortopedický či chirurgický prostředek.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2008-149A CZ304776B6 (cs) | 2008-03-11 | 2008-03-11 | Slitina na bázi titanu, způsob její výroby a tepelného zpracování a použití pro stomatologické a ortopedické implantáty a pro chirurgické prostředky |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2008-149A CZ304776B6 (cs) | 2008-03-11 | 2008-03-11 | Slitina na bázi titanu, způsob její výroby a tepelného zpracování a použití pro stomatologické a ortopedické implantáty a pro chirurgické prostředky |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2008149A3 true CZ2008149A3 (cs) | 2009-09-23 |
| CZ304776B6 CZ304776B6 (cs) | 2014-10-15 |
Family
ID=41078374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2008-149A CZ304776B6 (cs) | 2008-03-11 | 2008-03-11 | Slitina na bázi titanu, způsob její výroby a tepelného zpracování a použití pro stomatologické a ortopedické implantáty a pro chirurgické prostředky |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ304776B6 (cs) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ2014929A3 (cs) * | 2014-12-17 | 2016-05-11 | UJP PRAHA a.s. | Slitina na bázi titanu a způsob jejího tepelně-mechanického zpracování |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU644393B2 (en) * | 1989-12-21 | 1993-12-09 | Smith & Nephew, Inc. | Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implants |
| US7722805B2 (en) * | 2003-12-25 | 2010-05-25 | Institute Of Metal Research Chinese Academy Of Sciences | Titanium alloy with extra-low modulus and superelasticity and its producing method and processing thereof |
| JP4128975B2 (ja) * | 2004-04-02 | 2008-07-30 | 株式会社古河テクノマテリアル | 生体用超弾性チタン合金 |
| CN100362122C (zh) * | 2004-05-17 | 2008-01-16 | 北京有色金属研究总院 | β钛合金及其所制成的产品 |
| KR100887315B1 (ko) * | 2006-03-29 | 2009-03-06 | 이인환 | 근관치료용 합금 |
| DE102006025292A1 (de) * | 2006-05-31 | 2007-12-06 | Gfe Metalle Und Materialien Gmbh | Biokompatible Titanlegierung, Verfahren zu deren Herstellung sowie daraus bestehendes medizinisches Knochen-Implantat |
-
2008
- 2008-03-11 CZ CZ2008-149A patent/CZ304776B6/cs not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ304776B6 (cs) | 2014-10-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0359446B1 (en) | High strength, low modulus titanium alloy | |
| JP6469444B2 (ja) | 生物医学装置用のチタン合金を製造する方法 | |
| JP5192382B2 (ja) | 増大した酸素含有量を有していて改善された機械的特性を示すチタン合金 | |
| WO2018022261A1 (en) | Ultra-high strength maraging stainless steel with salt-water corrosion resistance | |
| JP2006052452A (ja) | 高窒素オーステナイト系ステンレス鋼 | |
| Zhan et al. | β-type Ti-10Mo-1.25 Si-xZr biomaterials for applications in hard tissue replacements | |
| US4952236A (en) | Method of making high strength, low modulus, ductile, biocompatible titanium alloy | |
| JP4624783B2 (ja) | 鋼及びこの鋼でつくられたプラスチック物質用の成型工具 | |
| WO2020119074A1 (zh) | 一种齿科用钛合金及其制备方法 | |
| Stráský et al. | Biocompatible beta-Ti alloys with enhanced strength due to increased oxygen content | |
| JP4081537B2 (ja) | 生体用Ｃｏ基合金及びその製造方法 | |
| JP6497689B2 (ja) | Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ基合金熱間加工材、焼鈍材、鋳造材、均質化熱処理材、及びＣｏ−Ｃｒ−Ｗ基合金熱間加工材の製造方法、焼鈍材の製造方法 | |
| CZ2008149A3 (cs) | Slitina na bázi titanu, zpusob její výroby a tepelného zpracování a její použití | |
| CN112063937A (zh) | 一种无镍无铍的锆基非晶合金及其制备方法与应用 | |
| AU2023201949A1 (en) | Titanium based ceramic reinforced alloy | |
| EP4435124A1 (en) | Cobalt-based alloy, wearable article and preparation method for metal product | |
| WO2005005676A1 (ja) | チタン合金 | |
| KR100959197B1 (ko) | 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체적합성이 우수한 타이타늄합금 | |
| CN106319289B (zh) | Co-Cr-W合金及其加工方法和应用 | |
| Hussein et al. | Effect of heat treatment on the microstructure of Ti–Nb–Ta base alloys for biomedical applications | |
| KR101832705B1 (ko) | TiNi계 의료용 합금 및 그 제조 방법 | |
| CZ2014929A3 (cs) | Slitina na bázi titanu a způsob jejího tepelně-mechanického zpracování | |
| CN110747382B (zh) | 一种超高压力作用下的Mg-Sc-X合金及其制备方法 | |
| TWI663261B (zh) | 具有低楊氏係數之鈦合金的組成 | |
| Nnamchi et al. | Characterization of Microstructure and Electrochemical Behaviour of a New Ti-8Mo-4Sn-2Mg alloy for Biomedical Applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20240311 |