RO128388B1 - Aliaj de titan biocompatibil tip ti-ta-zr, pentru aplicaţii ortopedice - Google Patents
Aliaj de titan biocompatibil tip ti-ta-zr, pentru aplicaţii ortopedice Download PDFInfo
- Publication number
- RO128388B1 RO128388B1 ROA201100918A RO201100918A RO128388B1 RO 128388 B1 RO128388 B1 RO 128388B1 RO A201100918 A ROA201100918 A RO A201100918A RO 201100918 A RO201100918 A RO 201100918A RO 128388 B1 RO128388 B1 RO 128388B1
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- alloy
- titanium
- melting
- alloys
- materials
- Prior art date
Links
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims description 20
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 43
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 73
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 73
- 239000000463 material Substances 0.000 description 36
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 36
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 35
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 28
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 27
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 18
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 15
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000005339 levitation Methods 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 12
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 10
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 10
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 10
- 238000011160 research Methods 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 8
- 238000004320 controlled atmosphere Methods 0.000 description 8
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 8
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 8
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000010883 osseointegration Methods 0.000 description 4
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 235000010210 aluminium Nutrition 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 3
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 3
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 231100000135 cytotoxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000003013 cytotoxicity Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001256 stainless steel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 2
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- 208000024827 Alzheimer disease Diseases 0.000 description 1
- 241001121515 Celes Species 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010064687 Device related infection Diseases 0.000 description 1
- 102000010834 Extracellular Matrix Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010037362 Extracellular Matrix Proteins Proteins 0.000 description 1
- 206010061218 Inflammation Diseases 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 206010029350 Neurotoxicity Diseases 0.000 description 1
- 208000003076 Osteolysis Diseases 0.000 description 1
- 206010039966 Senile dementia Diseases 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 206010044221 Toxic encephalopathy Diseases 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- PTXMVOUNAHFTFC-UHFFFAOYSA-N alumane;vanadium Chemical compound [AlH3].[V] PTXMVOUNAHFTFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- -1 aluminum ion Chemical class 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 238000001636 atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000002449 bone cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000010072 bone remodeling Effects 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 1
- 238000013130 cardiovascular surgery Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000005465 channeling Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- TXWRERCHRDBNLG-UHFFFAOYSA-N cubane Chemical compound C12C3C4C1C1C4C3C12 TXWRERCHRDBNLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002380 cytological effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 210000002744 extracellular matrix Anatomy 0.000 description 1
- 230000001815 facial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003925 fat Substances 0.000 description 1
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000002354 inductively-coupled plasma atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000029791 lytic metastatic bone lesion Diseases 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000007135 neurotoxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000228 neurotoxicity Toxicity 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 230000001582 osteoblastic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Prostheses (AREA)
Description
Invenția se referă la un aliaj pe bază de titan, având în compoziție elemente cu bio-compatibilitate ridicată. Aliajul rezultat, cu o compoziție chimică originală, este destinat apli-cațiilor în ortopedie, pentru execuția de implanturi spinale.
Materialele de implant sunt produse cu grad înalt de complexitate, cu caracteristicibiologice, mecanice și tehnologice specifice domeniului de aplicație, care trebuie să respectenorme de calitate stricte, pentru a nu afecta sănătatea pacienților. Biomaterialele trebuie săaibă caracteristici speciale, cum sunt o excelentă rezistență la oboseală, rezistență la întin-dere, rezistență mare la coroziune și uzură, modul de elasticitate cu valoare mică, duritatebună, densitate mică, biocompatibilitate ridicată.
Pe plan mondial, în implantologie se urmărește utilizarea unor materiale cu caracte-ristici biologice, biomecanice și de biosecuritate cât mai performante, cele din aliaje de titanprezentând avantaje atât în ceea ce privește reducerea riscurilor asupra pacienților în timpulși după intervențiile medicale, cât și ca eficacitate și biocompatibilitate cu țesutul uman.Cercetarea pentru obținerea de materiale noi sau de îmbunătățire a proprietăților materialelorexistente a fost și este abordată de institute, universități și firme producătoare din USA,Japonia, China și țări ale UE, care au dezvoltat studii teoretice și cu caracter aplicativ, încer-când să răspundă noilor cerințe din domeniu. în ultima perioadă, pentru execuția implantu-rilor medicale au fost dezvoltate aliaje de titan α+β fără conținut de vanadiu (Ti6AI7Nb,Ti5AI2,5Fe, Ti6AI6Nb1Ta, Ti5AI3Mo4Zr), aliaje de tip super β (Ti13Nb13Zr) și aliaje de tipβ (Ti15Mo5Zr3AI, Ti12Mo6Zr2Fe, Ti15Mo, Ti15Mo3Nb3AI0,2Si, Ti15Mo3Nb3AI0,3O).
Pasivarea naturală a biomaterialelor cu baza titan, pe suprafața cărora se formeazăun film dens și coerent cu substrat metalic, de grosime nanometrică, compus în principal dinTiO2, determină o aparentă bioactivitate a acestora. Totuși, răspunsul țesutului gazdă nu esteîntotdeauna cel așteptat, motiv pentru care depunerea pe suprafața implanturilor a unor peli-cule biocompatibile sau straturi subțiri din ceramici bioactive (materiale care sunt mai puținsusceptibile la degradare electrochimică), în vederea osteointegrării implanturilor, și pentrucrearea de interfețe stabile implant/țesut, constituie o direcție nouă în cercetarea mondială.Grosimea, compoziția chimică, structura, morfologia și topografia filmelor superficiale aleimplanturilor afectează viteza de creștere, orientarea și tipul proteinelor specifice celulelorosoase sau altor tipuri de celule. în acest sens, se cercetează mai multe căi de îmbunătățirea topografiei suprafeței implanturilor din biomateriale pe bază de titan, prin tratamente super-ficiale de tip anodizare, electropolizare, pasivare sau oxidare, și prin tehnica acoperirilor bio-active prin metode electrochimice, sol-gel, pulverizare urmată de depunere sau sinterizare.
De mare actualitate în prezent este Deformarea Plastică Severă (SPD), prin care seobțin metale și aliaje cu microstructură specială - cu structură microcristalină (MC), cu granu-lație ultrafină (UFC) sau chiar cu dimensiuni (de grăunte) sub 100 nm nanocristaline (NC).Interesul pentru acest domeniu a crescut semnificativ odată cu reușita obținerii unor proprie-tăți ale materialelor cu totul speciale, ca, de exemplu, creșterea rezistenței la tracțiune încondiții de exploatare severe, sau creșterea ductilității. Dacă în anii '80 ai secolului trecut seefectuau primele încercări de obținere a materialelor UFC sau NC prin metode de deformareplastică severă la nivel de laborator, rezultatele spectaculoase obținute au făcut posibilă otrecere relativ rapidă la producția pe scară mai largă, astfel încât putem vorbi astăzi de maimulte tehnici SPD, unele dintre ele disponibile la nivel industrial.
Titanul și aliajele de titan, datorită proprietăților pe care le au, tind să înlocuiască, înmajoritatea aplicațiilor, materialele clasice. Utilizarea noilor materiale a fost precedată de unvolum considerabil de experimente de cercetare și testare clinică pe animale. Titanul și alia-jele sale s-au impus pentru că posedă caracteristici optime care se cer materialelor pentruimplanturi, și anume: - rezistență foarte bună la coroziune; - biocompatibilitate; - proprietăți mecanice și rezistență la oboseală excelente; - tenacitate; - modul de elasticitate scăzut; - rezistență satisfăcătoare la uzură; - preț accesibil.
Titanul și aliajele pe bază de titan au multiple utilizări în tehnica implanturilor, fiindfolosite pentru lucrări în stomatologie, chirurgia facială a maxilarelor, ortopedie, chirurgia car-diovasculară, chirurgia coloanei vertebrale. în marea majoritate a acestor aplicații se utili-zează aliajul TÎAI6V4 și, mai nou, aliajul Ti6AI7Nb. S-a demonstrat că aliajul TÎ6AI4V se com-portă prost la fricțiune, întrucât particule rezultate din uzură au fost adesea detectate în țesu-turile și organele asociate implantului din titan. Studiile arată, de asemenea, că particule deTÎAI6V4 au fost cauza unor inflamații, fiind implicate în osteoliză. Ca urmare a semnalelorreferitoare la toxicitatea vanadiului și la efectul negativ asupra organismului uman al pre-zenței unei concentrații de ioni de aluminiu, au fost dezvoltate numeroase cercetări aprofun-date în UE, în USA, dar mai ales în China și Japonia, privind influența prezenței unora dintreelementele de aliere ale titanului asupra celulelor osteoblaste și fibroblaste din țesuturileînvecinate implanturilor, adică de la interfața implant/țesut. Aceste cercetări au demonstratcă elemente precum nichelul și vanadiul sunt toxice, având un caracter cancerigen, și că alu-miniul are o relație cauzală cu neurotoxicitatea și demența senilă de tip Alzheimer.
Din punct de vedere al proprietăților mecanice, cea mai importantă problemă esteaceea a diferenței semnificative dintre valorile modulelor de elasticitate ale țesutului osos șiale biomaterialului pe bază de titan. Aceste diferențe, prin așa-numitul fenomen de ecranarea solicitării mecanice, determină un proces de remodelare osoasă necorespunzător, care,în final, duce la distrugerea integrității ansamblului țesut osos-implant. Simulările cu elementfinit au sugerat că un material cu un modul de elasticitate mai mic poate determina o distri-buție mult mai apropiată de cea normală a tensiunilor mecanice în țesutul osos înconjurător.Aliajele cum ar fi TÎ6AI4V, care se caracterizează printr-o fracție volumică ridicată a fazei acu rețea cristalină hcp, distribuită într-o matrice de fază β cu rețea cristalină cvc, are unmodul de elasticitate de circa 110 GPa. Această valoare este mult mai mare decât cea ațesutului osos, care este cuprinsă între 10 și 40 GPa, în funcție de structura internă a țesu-tului osos. O diferență atât de mare între modulele de elasticitate provoacă o încărcaremecanică a țesutului osos diferită de cea fiziologic normală. O încărcare mecanică insufi-cientă determină în timp resorbția țesutului osos înconjurător (fenomenul de ecranaremecanică) și distrugerea stabilității ansamblului țesut osos-implant. în continuare se prezintă câteva date referitoare la unele documente din domeniu.
Documentul nr. 4857269, înregistrat în Statele Unite, se referă la oportunitatea de aobține un modul de elasticitate scăzut pentru aliaje utilizate la execuția dispozitivelor medi-cale. Acest document descrie un aliaj de titan constând dintr-o sumă de până la 24 de pro-cente în greutate de stabilizatori β Mo, Ta, Nb și Zr, cu următoarele condiții: - când molibdenul este cuprins în compoziția aliajului, să fie într-o proporție de celpuțin 10 procente din greutatea acestuia; - când este prezent zirconiul, să se regăsească într-un procent de 10-13 dingreutatea aliajului; - zirconiul conținut să aibă între 5 și 7% din greutatea aliajului. în plus, aliajele de titan ar trebui, de asemenea, să conțină până la 3 procente îngreutate stabilizatori β selectați dintre elementele Fe, Mn, Cr, Co și Ni.
Hoars și Mears (1966) și Pourbaix (1984), pe baza stabilității electrochimice aelementelor, au sugerat utilizarea Ti, Nb, Zr și Ta drept constituenți elementari pentruobținerea unor aliaje cu rezistență la coroziune îmbunătățită. într-un efort de a îmbunătățiproprietățile de rezistență la coroziune ale aliajului de titan, și de a reduce modulul de elasticitate, Davidson și Kovacs (document US 5169597) au dezvoltat o gamă de aliaje detitan, cu destinația pentru execuția de implanturi medicale, având 10-20% greutate Nb, sau30-50% greutate Nb și 13-20 % greutate Zr, sau suficient de mult Nb și/sau Zr care săacționeze ca un stabilizatorP (document US 5545227). Exemplul cel mai elocvent pentruaceastă gamă de aliaje este cel având compoziția Ti-13Nb-13Zr.
Tantalul, de asemenea, poate fi folosit ca un înlocuitor pentru niobiu în cazul în caresuma Nb și Ta este de 10-20% din greutatea aliajului.
Unii cercetători, cum arfi I. A. Okazaki, Tateishi T. și Y. Ito, au propus pentru execuțiade dispozitive medicale aliaje având compoziții similare, cum arfi Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0,2Pd,și variațiile de tip Ti-5Zr-8Nb-2Ta-10-15-Zr-4-8-Nb-2-4Ta, Ti-10-20Sn-4-8Nb-2Ta-0.2Pd,Ti-10-20Zr-4-8Nb-0.2Pd.
Aliajele de titan au duritate mai mică decât, de exemplu, aliajele Co-Cr sau aliajeledin oțel inoxidabil. Pentru eliminarea acestei deficiențe, s-au studiat mai multe metode dedurificare a aliajelor de titan, în primul rând prin tratamente de suprafață, dar și prin trata-mente termo-mecanice care să asigure transformări în toată masa aliajului. Un astfel de aliajeste dezvăluit și în documentul US 2005070990 A1, care prezintă un aliaj de titan biocom-patibil, cu proprietăți mecanice îmbunătățite, în particular - tip Ti-Ta-Zr cu 22%Ta și 13% Zr.
De asemenea, documentul KR 20020047981 (A) prezintă un aliaj de titan biocom-patibil, cu 1-30% Ta, 1-10% Nbși 0,1-5% Zrsau/și 0,1-5% Hf, iar documentul RO127102 B1prezintă un aliaj biocompatibil cu 80% Ti, 10% Zr, 5% Nb, 5% Ta, și un procedeu de obținerea acestuia, care, după o fază preliminară de dozare a materiilor prime în procentele presta-bilite, realizează topirea acestora în cuptor cu creuzet rece, în levitație, prin introducerea încreuzet a șarjei în ordinea descrescătoare a punctului de topire, și vidarea incintei cuptorului,urmată de introducerea de argon și topirea aliajului în levitație, la circa 2000°C, și apoi deturnarea gravitațională a aliajului în lingotieră, cu reducerea bruscă a puterii cuptorului, șirăcirea lingoului în atmosferă controlată timp de circa 15 min, lingoul fiind apoi scos dinlingotieră și retopit.
La suprafața aliajului de Ti se poate obține un strat de oxid sau de nitrură (prin difuziesau prin implantare ionică) cu o duritate foarte ridicată, așa cum se arată în documenteleUS 5372660, 5282852, 5370694 și 5496359, respectiv, 5498302 și 5334264.
Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea unui aliaj de titanbiocompatibil, tip Ti-Ta-Zr, cu proprietăți mecanice îmbunătățite, prelucrabil prin deformareplastică severă, în vederea obținerii unei structuri nanocristaline de îmbunătățire aproprietăților mecanice.
Aliajul de titan biocompatibil, tip Ti-Ta-Zr, pentru aplicații ortopedice, conform inven-ției, rezolvă această problemă tehnică prin aceea că este compus, în procente de greutate,din 70% Ti, 25% Ta și 5% Zr.
Noutatea în ceea ce privește compoziția propusă pentru aliajul pe bază de titan, careface obiectul brevetului, se referă la conținutul de metale din compoziția aliajului. Aliajul con-form invenției prezintă avantajul că este biocompatibil și poate fi prelucrat prin deformare plas-tică severă, astfel încât, prin modificarea structurii lui, să i se asigure proprietăți mecanicesuperioare. De asemenea, aliajul poate fi supus unor tratamente de manipulare a suprafețeisale, care să permită obținerea unei topografii controlate, în vederea creșterii osteointegrării.
Avantajele invenției sunt: - obținerea unui aliaj cu biocompatibilitate ridicată, peste cea a aliajelor utilizate înprezent, datorată elementelor netoxice care intră în compoziția sa; - obținerea unui aliaj cu proprietăți fizice și mecanice superioare (densitate scăzută,modul de elasticitate scăzut, rezistență ridicată la oboseală etc.); -procedeul de topire în cuptor cu creuzet rece asigură în cel mai ridicat grad neconta-minarea cu impurități gazoase a aliajului; - prin topire în cuptorul cu creuzet rece se obține un aliaj cu o structură compactă,fină, omogenă, atât din punct de vedere al compoziției chimice, cât și al dimensiunii și formeigrăunților, structură care avantajează prelucrarea termomecanică a acestuia; - prin topire în cuptorul cu creuzet rece nu este necesară realizarea de prealiaje, caîn cazul altor procedee; - aliajul obținut poate fi prelucrat prin deformare plastică severă, pentru obținereastructurii nanocristaline, situație în care proprietățile sale mecanice se îmbunătățesc; - suprafața implantului obținut din aliajul care face obiectul brevetului poate fimanipulată prin tratamente care să-i îmbunătățească osteointegrarea.
Invenția este prezentată pe larg în continuare, în legătură și cu figura ce reprezintăschema fluxului tehnologic de producere a aliajului conform invenției.
Aliajul are o compoziție chimică originală, cu 70% Ti, 25% Ta și 5% Zr, în procentede greutate, conținând elemente cu biocompatibilitate ridicată, eliminând orice posibilitatede apariție a produșilor toxici de coroziune în zona de contact a materialului cu țesuturileumane. O serie de cercetări citologice asupra unor culturi de celule vii au arătat că, din celecirca 70 de metale din sistemul periodic, doar 5 sunt tolerate de către celule (fără a avea loco încetinire a funcțiilor și dezvoltării acestora). în ordine, sunt astfel considerate ca netoxiceTi, Ta, Zr, Pt și limitat - Nb. Cercetările au arătat, de asemenea, că Ti, Nb, Zr. Pd și Ta suntelemente cu citotoxicitate scăzută, ce au demonstrat o excelentă biocompatibilitate, și carefavorizează dezvoltarea vascularizației vitale în țesut.
Aliajul care face obiectul brevetului a fost astfel proiectat încât să poată fi prelucratprin deformare plastică severă când, prin modificarea structurii sale, i se vor asigura proprie-tăți mecanice superioare. De asemenea, aliajul poate fi supus unor tratamente de manipularea suprafeței sale, care să permită obținerea unei topografii controlate, în vederea creșteriiosteointeg rării.
Referitor la procedeul de obținere a aliajului pe bază de titan, cu conținut de elementeavând biocompatibilitate ridicată, se recomandă ca sinteza acestuia să se realizeze în cuptorde topire cu creuzet rece (în levitație), în atmosferă controlată, ceea ce împiedică impurifica-rea sa și îi asigură o omogenitate foarte ridicată.
Cerințele legislației și standardelor europene și naționale din domeniul materialelorpentru dispozitive medicale implantabile reliefează faptul că un biomaterial ideal pentru înlo-cuirea oaselor și a elementelor de legătură, și execuția oricăror elemente de protezaretrebuie să aibă caracteristici speciale, cum sunt o excelentă rezistență la oboseală, rezis-tență la întindere, rezistență bună la coroziune și uzură, modul de elasticitate cu valoaremică, duritate bună și densitate mică. Mai mult decât atât, biocompatibilitatea ridicată repre-zintă o proprietate importantă pentru comportarea implantului în corpul uman.
Succesul pe termen lung al biomaterialelor cu baza titan utilizate în aplicații medicaleeste determinat de compoziția acestor biomateriale, respectiv, de tipul și gradul de toxicitateal metalelor care se aliază cu titanul, de caracteristicile fizico-mecanice și de capacitateaacestor materiale de a favoriza osteointegrarea implantului fabricat din ele. Când se ia în considerare longevitatea clinică a unui implant, rezistența sa la uzurăeste una dintre cele mai importante caracteristici care trebuie studiate. Sunt multe tipuri deprocese de uzură, incluzând uzura prin abraziune, frecare, coroziune, oboseală, adezivitateși posibil prin atac corosiv. Prin prezența în aliajul cu bază titan a tantalului și zirconiului s-aurmărit creșterea rezistenței la uzură, evitându-se pe această cale antrenarea de particulefine de biomaterial în fluidele biologice, așa cum se întâmplă în cazul materialelor cu rezis-tență mică la uzură (Ti 6AI 4V-ELI). în afară de rezistența la uzură, foarte importante sunt pentru aceste biomaterialerezistența la tracțiune și duritatea. De asemenea, pentru materialele implantabile pe termenlung, rezistența la oboseală este o caracteristică esențială - cea mai importantă proprietatea unui material de implant după compatibilitatea biochimică, materialul trebuind să prezintevalori ale rezistenței la oboseală de 700-800 Mpa la 108 cicluri. Aliajul propus prezintă valoriridicate pentru aceste caracteristici. O caracteristică fizică foarte importantă pentru materiale în general, și pentru bioma-teriale în special este modulul de elasticitate. El reflectă capacitatea de deformare elasticăa materialului când materialul este supus la o sarcină externă. Diferite metale sau aliaje potvaria ca modul de elasticitate de la valoarea scăzută de 40 GPa (de exemplu: la Mg, Sn, Znși aliajele lor) până la mai mult de 200 GPa (pentru oțel inoxidabil și superaliaje).
Cercetări dezvoltate recent asupra proprietăților elastice ale unor biomateriale cubază titan multicomponente, nanostructurate, evidențiază faptul că modulul lui Young pentruaceste materiale depinde în foarte mare măsură de detaliile obținerii lor și de tratamentultermic. Această comportare poate fi explicată prin microstructura de compozit a acestormateriale, și prin modificările în matricea nanostructurată ca urmare a tratamentului termic. în ceea ce privește compoziția elementală, cercetările au arătat că, deși titanul esteun material cu biocompatibilitate ridicată, alierea acestuia cu diferite elemente pentru crește-rea caracteristicilor mecanice nu este totdeauna benefică. Este cazul nichelului, vanadiuluisau al aluminiului (prezent aproape în toate aliajele de titan). Numeroase studii de coroziuneale implanturilor chirurgicale in vivo și in vitro au stabilit relația între rezistența la polarizareși tipul de reacție a țesutului pentru diferite metale pure și aliaje. Cobaltul, nichelul, cuprul șivanadiul au fost clasificate ca fiind grupul elementelor care produc infecții la implantare(toxice). Aluminiul, fierul, molibdenul, argintul, aurul, oțelul inoxidabil, aliajele de cobalt tur-nate sau prelucrate au fost clasificate ca grup de materiale cu efect de încapsulare a implan-turilor. Cercetările au arătat, de asemenea, că Ti, Nb, Zr, Pd și Ta sunt elemente cu citotoxi-citate scăzută, ce au demonstrat o excelentă biocompatibilitate, și care favorizează dezvol-tarea vascularizației vitale în țesut. Nb, Ta, Ti și Zr au fost calificate ca fiind metale cu înaltăpasivare. Ti, Zr, Sn, Nb, și Ta eliberează numai cantități mici de ioni în fluidele biologice și,prin urmare, nu au niciun efect asupra vitezei relative de creștere a celulelor.
Având în vedere cele prezentate mai sus, compoziția aliajului care face obiectulinvenției conține, pe lângă titan, numai elemente necitotoxice, care să nu afecteze biocompa-tibilitatea acestuia și, prin urmare, să asigure creșterea și proliferarea celulelor la interfațaimplant/țesut.
Compoziția aliajului, în procente de greutate, pentru care s-a aplicat procedeul deobținere cu creuzet rece în levitație, este:
Ti: 70%; Ta: 25%; Zr: 5%.
Cele mai recente cercetări în domeniul obținerii biomaterialelor avansate cu carac-teristici fizico-mecanice superioare sunt cele legate de biomaterialele nanocristaline, datorităproprietăților speciale pe care acestea le au, proprietăți care sunt dependente de structuramaterialului.
Inițial, cercetările în domeniul biomaterialelor au avut ca scop obținerea de noi mate-riale a căror cerință majoră era minimizarea respingerii lor de către organismul uman, bioma-teriale de generația întâi. Astăzi, acestea au intrat într-o nouă fază - generația a doua - încare se cere proiectarea unor biomateriale cu proprietăți bioactive, schimbând stimuli cuțesutul înconjurător, și inducând reacții specifice celulare. Biomaterialele de acest tip suntcunoscute sub denumirea de „bioinspirate", adică inspirate din procesele naturale, din struc-turile cele mai complex organizate natural chimic și biologic (de la domeniul nano al protei-nelor până la structura macroscopică a osului). Suprafața nanostructurată a implanturilor influențează proliferarea osteoblastelor, diferențierea și evidențierea matricei extracelulareale proteinei. Studii in vitro privind interacțiuni preliminare ale celulelor de tip osteoblastic cusuprafața implantului pot furniza date asupra eficienței integrării osoase in vivo a implantului.S-a observat faptul că pe titan, care a fost considerat mult timp ca fiind un materialne-bioactiv, poate avea loc inducția osoasă.
Aliajul Ti-Ta-Zr cu compoziția chimică precizată mai sus, obținut conform procedeuluide sinteză specific, cu creuzet rece în levitație, este proiectat astfel încât să poată fi prelucratprin deformare plastică severă, rezultând un biomaterial avansat, cu structura nanocristalină,având proprietăți mecanice și de biocompatibilitate ridicate. în continuare se fac unele precizări privind procedeul de obținere a aliajului care faceobiectul acestei documentații de brevetare.
Analiza efectuată asupra proprietăților fizice și chimice ale elementelor care compunaliajul TiTaZr, asupra interacțiunilor dintre aceste elemente, precum și a interacțiunii lor cugazele (oxigen, azot, hidrogen) evidențiază următoarele aspecte: - titanul, tantalul și zirconiul sunt metale foarte reactive față de gaze (oxigen, hidro-gen, azot), gaze care influențează caracteristicile lor mecanice atât ca metale pure, cât și încombinații sub formă de aliaje; - tantalul este un element cu temperatură de topire (3017°C) și densitate(16,69 kg/dm3) mari; - titanul și zirconiul au temperaturi de topire (Ti-1668°C, Zr-1852°C) și densități(Ti-4,51 kg/dm3, Zr-6,5 kg/dm3) apropiate; - diagrama binară de echilibru Ti-Ta scoate în evidență solubilitatea totală în starelichidă a tantalului, cu formarea de soluții solide.
Aceste observații au fundamentat alegerea instalației de elaborare a aliajului pe bazăde titan cu adaos de tantal și zirconiu, alegere care a luat în considerare și următoareleaspecte: - având în vedere faptul că toate elementele componente ale aliajului sunt reactiveși absorb ușor gaze din atmosfera agregatului de topire chiar la temperaturi mici(200-300°C), acesta nu se poate elabora decât în vid înalt (10'5-10-7 mmHg) sau atmosferăcontrolată (argon); - temperatura maximă care trebuie atinsă în cuptor trebuie să fie peste temperaturade topire a sistemului, rezultată din diagramele de echilibru, astfel încât aliajul obținut să nuconțină după solidificare incluziuni de metal netopit; - diferențele mari dintre temperaturile de topire și densitățile elementelor componenteîngreunează obținerea omogenității chimice și structurale a aliajului topit și solidificat; - pentru obținerea aliajului TiTaZr cu structura nanocristalină (după aplicareatratamentelortermomecanice ulterioare, de deformare „clasică" și deformare plastică severă)este necesar să se pornească de la o structură de turnare cu granulație cât mai fină.
Dintre procedee posibile de sinteză a aliajului TiTaZr a fost ales procedeul de topireîn levitație în cuptor cu creuzet rece.
Cuptorul de topire cu creuzet rece are numeroase avantaje față de celelalte cuptoarede topire: - temperaturi foarte ridicate sunt atinse în doar câteva secunde; - posibilitatea de a amesteca elemente cu temperaturi de topire foarte diferite; - încălzirea se face pe toată suprafața, se poate considera că temperatura constatatădin exterior este cea din centrul probei; - levitația reduce la maximum răcirea prin contact cu exteriorul, și limitează even-tualele contaminări; - brasajul (amestecul) electromagnetic asigură o omogenizare bună a compoziției.
Cererea de brevet de invenție conține o schemă cu etapele procedeului de obținereal aliajului pe bază de titan cu conținut de elemente cu biocompatibilitate ridicată, prezentatăîn fig. 1. în continuare se dă un exemplu de realizare a invenției.
Echipamentul de lucru
Elaborarea aliajului pe bază de metale nobile cu conținut de titan s-a realizat într-uncuptor de topire cu creuzet rece, în levitație (producător Fives Celes, Franța), având: - puterea utilă: 25 kW; - temperatura maximă: peste 2000°C; - volumul creuzetului de topire: 32 cc.
La topirea în cuptorul cu levitație magnetică, materialul supus topirii este încărcatîntr-un creuzet din cupru în formă de cupă, amplasat într-o incintă cu vid sau atmosferăcontrolată. Creuzetul are un rol dublu, de a susține proba și de a canaliza liniile de câmpmagnetic. Un inductor, care este amplasat în jurul acestei incinte, generează un câmp mag-netic variabil de intensitate mare. Variația câmpului magnetic induce curenți de tip Foucaultîn material, care se încălzește prin efect Joule. în plus, acest câmp magnetic intens menținealiajul topit în levitație până la turnare, și permite omogenizarea metalului lichid. Obținereaparametrilor necesari topirii se realizează prin variația parametrilor de putere ai cuptorului.
Fluxul tehnologic
Fluxul tehnologic de sinteză a aliajului TiTaZrîn cuptor de topire cu levitație, prezen-tat în figură, cuprinde următoarele operații: - pregătirea materiilor prime, Ti, Ta, Zr, prin debitare la dimensiuni corespunzătoare; - degresarea cu solvenți organici volatili (de exemplu: acetonă); - dozarea prin cântărire a materiilor prime conform calculului de șarjă; - încărcarea materiilor prime în creuzetul cuptorului; - vidarea instalației și realizarea atmosferei controlate (Ar) în incinta de topire; - topirea șarjei prin reglarea puterii electrice; - turnarea; - evacuarea lingoului din lingotieră; - încărcarea lingoului pentru retopire; - vidarea instalației și realizarea atmosferei controlate (Ar) în incinta de topire; - retopirea; - turnarea; - evacuarea lingoului retopit.
Materiile prime
Având în vedere destinația aliajului, pentru aplicațiile medicale, se impune respec-tarea riguroasă a calității materialelor metalice utilizate la sinteza acestui material. Gradul depuritate al materiilor prime influențează conținutul impurităților, inclusiv al celor gazoase(oxigen, azot, hidrogen) care sunt foarte strict limitate (0,2% O2; 0,05% N2, 0,0125% H2).
Pentru obținerea aliajului TiZrNbTa în cuptorul cu creuzet rece se utilizează: - titan metalic, cu compoziția conform ASTM F 67, având 0,20% Fe, 0,03% N2,0,18% O2, maximum 0,015% H2, 0,08% C, în rest Ti; - tantal metalic, 99,59%, cu compoziția: 0,01% Fe; 0,05% Si; 0,02% Mo; 0,05% W;0,01% Ti; 0,01% Ni; 0,03% 02; 0,01% C; 0,0015% H2; 0,01% N2; 0,2% Nb; în rest Ta; - zirconiu metalic, cu compoziția: 0,01% Fe; 0,035% Si; 0,03% Mo; 0,05% W;0,01% Ti; 0,02% Ni; 0,02% O2; 0,01% C; 0,0015% H2; 0,01% N2; 0,2% Nb; în rest zirconiu.
Pregătirea materiilor prime
Pregătirea materiilor prime constă în debitarea metalelor la dimensiunea necesară,și degresarea acestora. Materiile prime se debitează în bucăți cu dimensiunile de maximum10x5x5 mm. După debitare se execută degresarea în solvenți organici volatili, pentru înde-părtarea eventualelor urme de grăsimi superficiale care ar putea afecta calitatea atmosfereide protecție din incinta cuptorului și, în același timp, calitatea aliajului topit (în care s-ar puteadizolva gazele rezultate din descompunerea impurităților de pe suprafața metalelor com-ponente ale aliajului).
Dozarea
Aliajul rezultat la topire trebuie să aibă compoziția chimică în limitele prestabilite, înacord cu cerințele impuse de standardele pentru materiale utilizate în implantologie. Pentruaceasta, este important să se efectueze calculul șarjei ținându-se seama de pierderile pecare le au elementele componente ale aliajului la topirea în cuptor. Performanțele cuptoruluicu creuzet rece sunt foarte ridicate, pierderile fiind nesemnificative; din acest motiv, lacalculul șarjei nu este necesară efectuarea unor corecții privind compensarea pierderilordintr-un anumit element din componența aliajului.
Titanul, tantalul și zirconiul, debitate și degresate, sunt dozate prin cântărire cu obalanță electronică având o precizie de 10'2 g, în cantitățile corespunzătoare compoziției deșarjă. Pentru o masă totală a șarjei de 100 g, compoziția este prezentată în tabelul 1.
Tabelul 1Compoziția șarjei
încărcarea în creuzetul de topire
Materiile prime se introduc în creuzet în ordinea descrescătoare a punctului de topire;astfel, întâi se încarcă tantalul, apoi zirconiul și în final titanul.
Vidarea și realizarea atmosferei controlate
După încărcarea șarjei se închide instalația și se pune în funcțiune pompa de vidprimar, realizându-se în incintă un vid de 10-2 mm Hg. în continuare, se pornește pompa dedifuzie, pentru a realiza o evacuare avansată a gazelor din incintă. După aceasta, incintaeste pusă sub atmosferă controlată de argon (la un vid slab de 0,2...0,3 bari). S-a optatpentru operare sub presiune de argon, pentru a limita la minimum evaporarea titanului înstare lichidă la temperatura de topire ridicată din incinta cuptorului (care este necesarăpentru topirea celorlalte elemente - zirconiu, tantal - elemente cu o tensiune de vapori mare,ce nu prezintă pericol de pierderi prin volatilizare).
Topirea
Puterea utilizată de cuptor este de până la 25 kW, cu o frecvență a câmpului mag-netic de 215 kHz.
Temperatura atinsă este de peste 2000°C, suficientă pentru a topi elementelecomponente ale aliajului. Topirea se realizează prin creșterea progresivă a puterii cuptorului.
Turnarea
După topire, aliajul se toarnă în lingotieră, prin deplasarea degetului de turnare.Debitul apei din circuitul de răcire se menține până la răcirea completă a lingotierei.
După răcirea lingotierei (la circa 15 min de la turnare), aceasta se desprinde decuptor, și se scoate lingoul rezultat. încărcarea lingoului pentru retopire
Lingoul de primă topire se introduce în creuzet, pentru retopirea sa.
Vidarea și realizarea atmosferei controlate
Vidarea și realizarea atmosferei inerte se efectuează în condiții similare celor de laprima topire.
Retopirea
Retopirea lingoului se face în aceleași condiții și la aceiași parametri ai cuptorului cacei de la prima topire.
Turnarea
După topire, aliajul se toarnă în lingotieră, se așteaptă răcirea lingoului timp de circa15 min, după care se desprinde lingotieră de cuptor și se scoate lingoul rezultat (cu diametrulde 20 mm, lungimea de circa 70 mm și masa de 99,60 g).
Bilanțul de materiale
Bilanțul de materiale pe elemente arată un randament la faza de topire de 99,60%.Pierderile de 0,4% sunt pierderi de titan, din cauza tensiunii mici de vapori ai acestui element.
Tabelul 2
Bilanț de materiale
*’ pierderile recuperabile au constat din material rămas în creuzet la turnare; **’ pierderile nerecuperabile au constat din evaporări.
Analiza chimică a aliajului turnat
Compoziția rezultată pentru aliajul topit se determină prin analiza chimică prinspectrometrie de emisie optică în plasmă, cu plasma cuplată inductiv (ICP-OES).
Tabelul 3
Analiza chimică a aliajului turnat
Experimentările efectuate pentru sinteza aliajului TiTaZr confirmă alegerea corespun-zătoare a tehnologiei, elaborarea aliajului în cuptor de topire în levitație realizându-se cu unrandament mare (99,6%). Aliajul rezultat a avut compoziția chimică foarte apropiată de com-poziția de calcul, pierderile înregistrate (numai la titan, din cauza tensiunii mici de vapori aacestui element) fiind nesemnificative.
Claims (1)
- Revendicare Aliaj de titan biocompatibil tip Ti-Ta-Zr, pentru aplicații ortopedice, cu peste 60%Tiși peste 20%Ta, caracterizat prin aceea că este compus, în procente de greutate, din70% Ti, 25% Ta și 5% Zr, și este nanostructurabil prin deformație plastică severă.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA201100918A RO128388B1 (ro) | 2011-09-19 | 2011-09-19 | Aliaj de titan biocompatibil tip ti-ta-zr, pentru aplicaţii ortopedice |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA201100918A RO128388B1 (ro) | 2011-09-19 | 2011-09-19 | Aliaj de titan biocompatibil tip ti-ta-zr, pentru aplicaţii ortopedice |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO128388A2 RO128388A2 (ro) | 2013-05-30 |
| RO128388B1 true RO128388B1 (ro) | 2019-09-30 |
Family
ID=48484071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ROA201100918A RO128388B1 (ro) | 2011-09-19 | 2011-09-19 | Aliaj de titan biocompatibil tip ti-ta-zr, pentru aplicaţii ortopedice |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO128388B1 (ro) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106041074B (zh) * | 2016-06-07 | 2017-11-28 | 杭州电子科技大学 | 一种钛合金人工骨植入体的制备方法 |
-
2011
- 2011-09-19 RO ROA201100918A patent/RO128388B1/ro unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RO128388A2 (ro) | 2013-05-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ma et al. | Research progress of titanium-based high entropy alloy: methods, properties, and applications | |
| Liu et al. | Binary titanium alloys as dental implant materials—a review | |
| Li et al. | Revolutionizing medical implant fabrication: advances in additive manufacturing of biomedical metals | |
| KR100971649B1 (ko) | 저탄성계수를 갖는 베타계 타이타늄 합금 | |
| Zhu et al. | A review of preparation methods, friction and wear, corrosion, and biocompatibility of biomedical high-entropy alloys | |
| Fischer et al. | Synthesis and characterization of Ti-27.5 Nb alloy made by CLAD® additive manufacturing process for biomedical applications | |
| CN104342583B (zh) | 一种Ti-Ta合金及其制备方法和应用 | |
| CN113652576B (zh) | 一种生物医用β钛合金及其制备方法 | |
| Niespodziana et al. | The synthesis of titanium alloys for biomedical applications | |
| Rokaya et al. | Modification of titanium alloys for dental applications | |
| CN118835145A (zh) | (Ti-Zr-Nb-Ta)-Ga系高/中熵合金及其制备方法和应用 | |
| Yu | Titanium Alloys for Biomedical Development and Applications: Design, Microstructure, Properties, and Application | |
| Rios et al. | Self-organized TiO2 nanotubes on Ti-Nb-Fe alloys for biomedical applications: Synthesis and characterization | |
| Wang et al. | Ti–Nb–Sn–hydroxyapatite composites synthesized by mechanical alloying and high frequency induction heated sintering | |
| Kanapaakala et al. | A comprehensive review of Gum metal's potential as a biomedical material | |
| RO128388B1 (ro) | Aliaj de titan biocompatibil tip ti-ta-zr, pentru aplicaţii ortopedice | |
| Zhang et al. | Effect of calcium pyrophosphate on microstructural evolution and in vitro biocompatibility of Ti-35Nb-7Zr composite by spark plasma sintering | |
| RO127102B1 (ro) | Aliaj de titan biocompatibil şi procedeu de obţinere a acestuia | |
| RO129303A2 (ro) | Aliaj pe bază de titan pentru aplicaţii medicale, cu conţinut de niobiu, zirconiu şi tantal, şi procedeu de elaborare | |
| RO132989A2 (ro) | Aliaj tip gum pe bază de titan cu conţinut de elemente cu biocompatibilitate ridicată, şi procedeu de obţinere | |
| RO134977B1 (ro) | Aliaj cu entropie ridicată din sistemul monbtatizr microaliat cu ytriu pentru aplicaţii medicale şi procedeu de obţinere | |
| Almeida et al. | Microstructure and electrochemical behavior of in vitro Ti-26Nb, Ti-26Zr and Ti-26Ta alloys processed by levitation melting technique | |
| RO131226A2 (ro) | Procedeu de obţinere bioaliaj de titan cu proprietăţi superelastice pentru implanturi portante | |
| Shah et al. | A METALLURGICAL OVERVIEW OF TI –BASED ALLOY IN BIOMEDICAL APPLICATIONS | |
| Chirico Rodríguez | Development and surface modification of β-Titanium alloys produced by powder metallurgy for biomedical applications |