RU2191842C2 - Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы - Google Patents
Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2191842C2 RU2191842C2 RU2000122116A RU2000122116A RU2191842C2 RU 2191842 C2 RU2191842 C2 RU 2191842C2 RU 2000122116 A RU2000122116 A RU 2000122116A RU 2000122116 A RU2000122116 A RU 2000122116A RU 2191842 C2 RU2191842 C2 RU 2191842C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- nickel
- modified
- zirconium
- elements
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к материалам с памятью формы с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве элементов и изделий, работающих в агрессивных средах и т. д. Материал на основе никелида титана с ЭПФ с поверхностным слоем, модифицированным путем ионной имплантации легирующими элементами, в качестве которых выбраны кислород, углерод, титан и/или цирконий, имеет глубину модифицированного слоя 50-300 нм, а состав модифицированного слоя имеет следующее соотношение элементов, ат.%: кислород 25-75, углерод 5-10, титан и/или цирконий 20-50, никель 0-20. Кроме того, в качестве основы выбран никелид титана следующего состава, ат.%: никель 49-51, титан остальное. Материал с такими элементами и при данной их концентрации в модифицированном слое имеет высокую коррозионную стойкость как в исходном состоянии, так и после многократных циклов деформирования в режиме нагрузка - разгрузка, а также низкую растворимость ионов никеля в агрессивных средах. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к материалам с эффектом памяти формы (ЭПФ) с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве элементов и изделий, работающих в агрессивных средах и т.д.
Известен сплав с памятью формы из никелида титана для медицинского применения [1] . Однако поверхность такого сплава содержит тонкий слой из оксидов титана (3-10 нм), который не может предотвратить диффузию ионов никеля в раствор. Наличие в поверхностном слое не связанного кислородом титана также приводит к переходу ионов титана в раствор. Таким образом, коррозионная стойкость такого сплава низкая.
Известен сплав с памятью формы для медицинского применения из никелида титана с модифицированной поверхностью [2]. Поверхность такого сплава содержит нитрид титана TiN или карбонитрид титана TiNC. Коррозионная стойкость такого сплава высокая. Недостатком этого сплава является то, что при проявлении ЭПФ нитрид титана отслаивается, TiNC - растрескивается и коррозионная стойкость резко понижается.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является сплав с эффектом памяти формы Ti - 50 ат. % Ni с модифицированной методом имплантации ионов азота поверхностью [3]. Имплантация проводилась на источнике ионов "Титан" при ускоряющем напряжении 60-80 кВ; токе - 0,2 А; длительность импульса - 400 мкс; частота - 50 Гц; доза облучения - 1016 ион•см-2. Коррозионная стойкость такого сплава высокая, однако после деформации сплава коррозионная стойкость резко понижается в результате отслоения поверхностного слоя TiN.
Необходимость использования сплавов на основе никелида титана как имплантатов обусловлена не только их функциональными возможностями, но и хорошими биомеханическими свойствами. Сверхэластичное (резиноподобное) поведение TiNi в изотермических условиях, в том числе при температуре человеческого организма, соответствует обратимой деформации, происходящей в живых тканях организма при нагрузках и разгрузках [4]. Способность никелида титана к пассивации в различных растворах с образованием на его поверхности пленки из оксидов титана делает его достаточно коррозионно-стойким. По коррозионной стойкости никелид титана приближается к титановым сплавам [4], которые широко применяются в качестве имплантатов. Однако при функциональной работе элемента с ЭПФ в результате образования на поверхности рельефа, обусловленного зарождением (или исчезновением) мартенсита, защитный слой оксидов титана разрушается, и коррозионная стойкость резко понижается. Наличие в TiNi никеля, который оказывает на организм токсическое действие [4-6] и диффундирует из материала в раствор, также сдерживает широкое использование сплавов на основе никелида титана в качестве имплантатов. Поэтому актуальной задачей является создание материала с ЭПФ и сверхэластичностью на основе TiNi, который был бы биосовместим, обладал бы высокой коррозионной стойкостью в условиях воздействия переменных нагрузок.
Указанный технический результат достигается тем, что материал на основе никелида титана с ЭПФ с поверхностным слоем, модифицированным путем ионной имплантации легирующими элементами, в качестве которых выбраны кислород, углерод, титан и/или цирконий, имеет глубину модифицированного слоя 50-300 нм, а состав модифицированного слоя имеет следующее соотношение элементов, ат.%:
Кислород - 25-75
Углерод - 5-10
Титан и/или цирконий - 20-50
Никель - 0-20
Кроме того, в качестве основы выбран никелид титана следующего состава, ат.%:
Никель - 49-51
Титан - Остальное
Материал с такими элементами и при данной их концентрации в модифицированном слое имеет высокую коррозионную стойкость как в исходном состоянии, так и после многократных циклов деформирования в режиме нагрузка - разгрузка, а также низкую растворимость ионов никеля в агрессивных средах.
Кислород - 25-75
Углерод - 5-10
Титан и/или цирконий - 20-50
Никель - 0-20
Кроме того, в качестве основы выбран никелид титана следующего состава, ат.%:
Никель - 49-51
Титан - Остальное
Материал с такими элементами и при данной их концентрации в модифицированном слое имеет высокую коррозионную стойкость как в исходном состоянии, так и после многократных циклов деформирования в режиме нагрузка - разгрузка, а также низкую растворимость ионов никеля в агрессивных средах.
Указанные свойства достигаются тем, что имплантация ионов титана и/или циркония, кислорода и углерода создает в поверхностном слое никелида титана зону с высоким содержанием оксидов и карбидов титана и/или циркония с высокими адгезионными свойствами по отношению к матрице никелида титана. При термоциклировании или после деформации в изотермических условиях обратимое образование и исчезновение мартенситных пластин не приводит к разрушению оксидокарбидного слоя титана и/или циркония и это предопределяет высокую коррозионную стойкость данного материала в условиях циклических нагрузок.
Выбор в качестве элементов для имплантации титана и/или циркония определяется тем, что матрица также содержит титан и элементы - аналоги по электронной структуре Ti и Zr не приводят к выделению каких-либо вторичных фаз. Второй особенностью выбора Ti и Zr в качестве имплантируемых элементов является то, что эти элементы легко пассивируются с образованием оксидов, биосовместимых с человеческим организмом.
Выбор в качестве элементов для имплантации кислорода и углерода обусловлен тем, что эти элементы участвуют в образовании оксидов и карбидов титана и/или циркония в поверхностном слое, которые обладают хорошей адгезией с матрицей и высокой коррозионной стойкостью.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Материал с ЭПФ с модифицированной поверхностью готовили поэтапно. Никелид титана состава Ti - 50,5 ат.%Ni выплавляли шестикратным электродуговым переплавом в атмосфере аргона из компонентов: титан - иодидный, никель марки НО. После плавки слиток прокатывали в пластину с промежуточными отжигами, электролитически очищали поверхность и готовили образцы для имплантации размером 50•20•1 мм3. Выбор высокодозовой ионной имплантации для модификации поверхности обусловлен тем, что в результате ионной имплантации образуется поверхностный слой с измененным составом, не обладающий выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного слоя. Ионная обработка поверхности выполнена с помощью вакуумно-дугового частотно-импульсного источника "Диана-2". Ионы титана и/или циркония, кислорода и углерода имплангировались при ускоряющем напряжении 70 кВ с частотой импульсов 50 Гц. Расчетные дозы облучения варьировались от 1016 до 6•1017 ион•см-2.
Элементный состав поверхностных слоев определяли методом ОЖЕ-спектроскопии. Удаление верхних слоев проводили бомбардировкой поверхности образца ионами аргона.
Испытания на коррозионную стойкость проводили в физиологическом растворе 0,9% NaCl, а также в солевом растворе плазмы крови состава: дистиллированая вода - 1 л, NaCl - 9 г, КСl - 0,42 г, CaCl2 - 0,21 г, NaHCO3 - 2 т, глюкоза - 2 г. Длительность нахождения образцов в растворах варьировалась от 1 ч до 6000 ч. Скорость коррозии определяли по изменению массы образцов после заданного времени их пребывания в растворах. Взвешивание проводили на аналитических весах. Показатель коррозии для исследованных образцов приведен в таблице. Из таблицы видно, что коррозионная стойкость образцов с модифицированной поверхностью высокая. Столь же высокой коррозионная стойкость остается в образцах подвергнутых десятикратному термоциклированию через интервал мартенситного превращения, в то время как в сплаве-прототипе, подвергнутому аналогичной процедуре, коррозионная стойкость снизилась на порядок.
Наряду с измерением коррозионной стойкости в предлагаемом материале проводили измерение содержания никеля в биохимических растворах. Содержание никеля в физиологическом растворе 0,9% NaCl и солевом растворе плазмы крови определяли фотометрическим методом. Исследования выполнены на двухлучевом спектрофотометре Kontron instruments Uvikon 943. Получено, что содержание никеля в физиологическом растворе 0,9% NaCl после 4000 ч выдержки составляет СNi= 0,25 мг/л, в растворе плазмы крови после 3000 ч выдержки СNi=0,04 мг/л. В образцах TiNi без модифицированной поверхности после аналогичных испытаний содержание никеля составляет более 0,5 мг/л в растворе 0,9% NaCl и СNi=0,06 мг/л в растворе плазмы крови. Таким образом, наряду с повышением коррозионной стойкости предлагаемого материала с модифицированной поверхностью в условиях циклических нагружений, предлагаемый материал обладает низкой растворимостью никеля в биохимические растворы.
Источники информации
1. Патент 0145166. Медицинские устройства, включающие сплавы с памятью формы. Опубл. 13.12.89, заявл. 12.10.84, МКИ A 61 F 5/00, A 61 F 2/00, A 61 L 27/00, B 22 F 3/00; приоритет: 14.10.83 US 541852.
1. Патент 0145166. Медицинские устройства, включающие сплавы с памятью формы. Опубл. 13.12.89, заявл. 12.10.84, МКИ A 61 F 5/00, A 61 F 2/00, A 61 L 27/00, B 22 F 3/00; приоритет: 14.10.83 US 541852.
2. Kimura U. , Sohmura Т. Surface coating on TiNi-shape memory implant alloys// J. Osacka Univ. Dent. Sch. - 1987, 27 (dec.), p. 211-223.
3. Налесник О.И., Ясенчук Ю.Ф., Мазуркина Н.А., Итин В.И., Гюнтер В.Э. Влияние электрополировки и ионной имплантации азота в поверхность на электрохимическое поведение титана и никелида титана в растворе NaCl // Имплантаты с памятью формы. - 1992, 4, с. 53-58.
4. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. Под ред. А.А.Монасевича. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1992, 742 с.
5. Chemical and electrochemichal aspects of biocompatibility of titanium and its alloys. P.Kovacs, G.A.Davidson: Medical Appl. Of Titanium and its Alloys. The Material and Biological Issues. ASTM STP 1272, S.A.Braun and J. E.Lemons Eds., American Society for Testing and Materials, 1996, p. 167-178.
6. H. Oonishi, Proc. Sec. World Congress on Biomaterials, Washington, 1984, p. 183.
Claims (2)
1. Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы, состоящий из основы и поверхностного слоя, модифицированного легирующими элементами путем ионной имплантации, отличающийся тем, что поверхностный слой имеет толщину 50-300 нм, а в качестве легирующих элементов содержит кислород, углерод, титан и/или цирконий при следующем соотношении элементов, ат.%:
Кислород - 25 - 75
Углерод - 5 - 10
Титан и/или цирконий - 20 - 50
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой дополнительно содержит до 20 ат.% никеля.
Кислород - 25 - 75
Углерод - 5 - 10
Титан и/или цирконий - 20 - 50
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой дополнительно содержит до 20 ат.% никеля.
3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве основы содержит никелид титана следующего состава, ат.%:
Никель - 49 - 51
Титан - Остальноел
Никель - 49 - 51
Титан - Остальноел
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000122116A RU2191842C2 (ru) | 2000-08-18 | 2000-08-18 | Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000122116A RU2191842C2 (ru) | 2000-08-18 | 2000-08-18 | Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2000122116A RU2000122116A (ru) | 2002-08-27 |
RU2191842C2 true RU2191842C2 (ru) | 2002-10-27 |
Family
ID=20239405
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000122116A RU2191842C2 (ru) | 2000-08-18 | 2000-08-18 | Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2191842C2 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007004913A1 (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-11 | Evgeny Aleksandrovich Levashov | Biologically compatible multicomponent nanostructural coatings for medical applications |
RU2508130C1 (ru) * | 2013-01-21 | 2014-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ изготовления кардиоимплантата из сплава на основе никелида титана с модифицированным ионно-плазменной обработкой поверхностным слоем |
RU174874U1 (ru) * | 2016-11-22 | 2017-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием |
RU2651836C1 (ru) * | 2017-04-13 | 2018-04-24 | Олег Андреевич Стрелецкий | Способ нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы |
RU2792538C1 (ru) * | 2022-11-01 | 2023-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)" | Способ модифицирования поверхности твердого титанового сплава |
-
2000
- 2000-08-18 RU RU2000122116A patent/RU2191842C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Имплантаты с памятью формы, 1992, № 4, с. 53-58. МОНАСЕВИЧ А.А. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. - Новосибирск, 1992. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007004913A1 (en) * | 2005-06-30 | 2007-01-11 | Evgeny Aleksandrovich Levashov | Biologically compatible multicomponent nanostructural coatings for medical applications |
US8075682B2 (en) | 2005-06-30 | 2011-12-13 | Evgeny Aleksandrovich Levashov | Biocompatible multicomponent nanostructured coatings for medical applications |
RU2508130C1 (ru) * | 2013-01-21 | 2014-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ изготовления кардиоимплантата из сплава на основе никелида титана с модифицированным ионно-плазменной обработкой поверхностным слоем |
RU174874U1 (ru) * | 2016-11-22 | 2017-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием |
RU2651836C1 (ru) * | 2017-04-13 | 2018-04-24 | Олег Андреевич Стрелецкий | Способ нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы |
RU2792538C1 (ru) * | 2022-11-01 | 2023-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)" | Способ модифицирования поверхности твердого титанового сплава |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kuphasuk et al. | Electrochemical corrosion of titanium and titanium-based alloys | |
Abdel-Gawad et al. | Corrosion studies and microstructure of Mg− Zn− Ca alloys for biomedical applications | |
López et al. | In vitro corrosion behaviour of titanium alloys without vanadium | |
Yokoyama et al. | Degradation and fracture of Ni–Ti superelastic wire in an oral cavity | |
Bhola et al. | Corrosion in titanium dental implants/prostheses–a review | |
Shabalovskaya | Surface, corrosion and biocompatibility aspects of Nitinol as an implant material | |
Thierry et al. | Effect of surface treatment and sterilization processes on the corrosion behavior of NiTi shape memory alloy | |
Kuroda et al. | Mechanical properties and microstructures of new Ti–Fe–Ta and Ti–Fe–Ta–Zr system alloys | |
CN107460372B (zh) | 一种Zn-Mn系锌合金及其制备方法与应用 | |
Thair et al. | Nitrogen ion implantation and in vitro corrosion behavior of as-cast Ti–6Al–7Nb alloy | |
López et al. | Surface characterization of new non-toxic titanium alloys for use as biomaterials | |
WO2006074604A1 (en) | Surface treated shape memory materials and methods for making same | |
Yeung et al. | Corrosion resistance, surface mechanical properties, and cytocompatibility of plasma immersion ion implantation–treated nickel‐titanium shape memory alloys | |
RU2191842C2 (ru) | Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы | |
Geetha et al. | Microstructural and corrosion evaluation of laser surface nitrided Ti-13Nb-13Zr alloy | |
Arciniegas et al. | New Ni-free superelastic alloy for orthodontic applications | |
He et al. | Fabrication and characterization of superelastic Ti–Nb alloy enhanced with antimicrobial Cu via spark plasma sintering for biomedical applications | |
Al Hawajreh et al. | Effect of the Ti/Ta ratio on the feasibility of porous Ti25+ x-Nb25-Zr25-Ta25-x (X= 0, 5, and 10) alloys for biomedical applications | |
Tudoran et al. | Effects of the chemical composition on the microstructural characteristics of Ti-Nb-Ta-Zr alloys | |
Kabir et al. | Influence of scandium on mechanical properties, degradation behavior, and cytocompatibility of Zn-3Cu-0.4 Li-xSc alloys for implant applications | |
Kim et al. | Elastic modulus and in vitro biocompatibility of Ti− xNb and Ti− xTa alloys | |
Haider | Enhanced biocompatibility of NiTi (Nitinol) via surface treatment and alloying | |
Ji et al. | Influence of Heat Treatment on Biocorrosion and Hemocompatibility of Biodegradable Mg‐35Zn‐3Ca Alloy | |
Lin et al. | Characterizations of the TiO2− x films synthesized by e-beam evaporation for endovascular applications | |
Chern Lin et al. | Biocorrosion study of titanium‐nickel alloys |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110819 |