RU2302261C1 - Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения - Google Patents
Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2302261C1 RU2302261C1 RU2006115866/15A RU2006115866A RU2302261C1 RU 2302261 C1 RU2302261 C1 RU 2302261C1 RU 2006115866/15 A RU2006115866/15 A RU 2006115866/15A RU 2006115866 A RU2006115866 A RU 2006115866A RU 2302261 C1 RU2302261 C1 RU 2302261C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- implants
- alloy
- workpieces
- biocompatible
- ampoules
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области ортопедической импланталогии и может быть использовано для изготовления имплантатов (штифтов), внедряемых в костную ткань. Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов в объеме состоит из сплава титана, ниобия и тантала, при следующем соотношении компонентов. Материал имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит. Поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана. Способ получения псевдоупругого биосовместимого функционально-градиентного материала для костных имплантов заключается в изготавливании сплава Ti-Ta-Nb методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава. Затем проводят термомеханическую обработку заготовок из полученного сплава в интервале 950-800°С со степенью деформации 30-60%. После этого придают заготовкам заданную геометрическую форму имплантов с помощью механической обработки при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок. Размещают полученные импланты в кварцевых ампулах, вакуумированных до давления 10-2 мм рт.ст. и проводят рекристаллизационный отжиг имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 часов при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул. Материал обеспечивает высокий срок службы костных имплантов за счет эффекта псевдоупругости, а также безопасного для человека за счет исключения проникновения металлических ионов в организм. Способ технологически упрощен и позволяет получить материал для костных имплантов со стабильными свойствами. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к области медицины, а именно к псевдоупругим биосовместимым функционально-градиентным материалам и способу их получения. Указанные материалы используются при ортопедической имплантологии, в частности дентальной имплантологии, и могут быть применены для изготовления безопасных имплантов («штифтов»), внедряемых в костную ткань.
Известен сплав для медицинских устройств и имплантов (ЕР 1444993, опублик. 10.02.98). Низкомодульный сплав содержит ниобий, тантал и не менее одного металла из группы, в состав которой входят цирконий, вольфрам и молибден. Изготовленные из данного сплава медицинские устройства и изделия обладают высокими функциональными характеристиками, являются биологически совместимыми, рентгеноконтрастными и пригодны для использования с магниторезонансной системой визуализации.
К недостаткам этого материала относится излишнее легирование элементами цирконий, вольфрам и молибден, которые повышают модуль Юнга и упрочняют материал, что приводит к повышению остаточных напряжений и ускоренному разрушению костной ткани.
Прототипом первого объекта предложенного изобретения является материал импланта для замещения дефекта костной ткани (JP 2710849, опублик. 11.08.04). Имплант содержит слой биологически активного материала, обладающего сродством к тканям организма, сформированный на поверхности основы, изготовленной из титанового сплава и имеющий шероховатую поверхность. Сплав, из которого состоит основа импланта, содержит алюминий в количестве 5.5-6.0%, ниобий в количестве 1.5-2.5%, 0.5-1.5% тантала, 0.5-1.0% молибдена и титан до 100%. При таком составе сплава возможна его обработка раствором при температуре около 1000°С и кальцинирование покрывающего его биологически активного материала. При этом имплантат приобретает высокую усталостную прочность.
Недостатками материала являются отсутствие эффекта псевдоупругости, а также высокое содержание алюминия, за счет которого он обладает более высоким модулем упругости и имеет ограничения по химическому составу сплавов, допущенных Минзравом РФ для контакта с живой тканью (Al - не допущен).
Известен материал для изготовления имплантов и способ его получения (JP 3545505, опублик. 14.07.05). Поверхность титановой основы материала покрывают смесью состоящей из стеклянного порошка и порошка гидроксиапатита, после чего производят обжиг, формируя на поверхности слой стеклокерамики. Этот слой протравливают кислотой, за счет чего в нем образуются отверстия. Полученный композиционный материал пропитывают раствором электролита, содержащим 137,8 мМ ионов Na+, 1,67 мМ ионов HPO4 2-, 2,5 мМ ионов Са2+ и 50 мМ (CH2OH)2CNH2; pH раствора отрегулированный с помощью соляной кислоты, равен 7,2. После этого на поверхности материала электрохимическим методом формируют пленку, состоящую из фосфата кальция, основным компонентом которого является карбоксиапатит.
К недостаткам способа относится отсутствие у получаемого материала эффекта псевдоупругости и невозможность получения точных геометрических размеров импланта из-за неконтролируемой толщины поверхностного слоя, изготавливаемого по многостадийной химически сложной технологии.
Прототипом второго объекта предложенного изобретения является способ изготовления биомедицинского титанового импланта (WO 3006080, опублик. 23.01.03), поверхность которого содержит титан или его сплав, помещение поверхности импланта в содержащую кислород атмосферу с точкой выпадения росы 0°С, нагревание поверхности данного биомедицинского импланта в данной атмосфере, образуя, таким образом, оксид титана на данной поверхности.
К недостаткам способа относятся то, что используется отдельная (и излишняя) технологическая операция - нагрев импланта в специальной атмосфере, что, в общем, может приводить к неконтролируемому изменению свойств.
В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в создании материала, обеспечивающего высокий срок службы костных имплантов за счет эффекта псевдоупругости, а также безопасного для человека за счет исключения проникновения металлических ионов в организм.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов в объеме состоит из сплава титана, ниобия и тантала, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Nb | 23,61-37,18 |
| Та | 6,42-19,0 |
| Ti | остальное |
Материал имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит. Поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана.
Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в упрощении и повышении технологичности способа получения материала для костных имплантов со стабильными свойствами.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
В способе получения псевдоупругого биосовместимого функционально-градиентного материала для костных имплантов изготавливают сплав Ti-Nb-Та методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава.
Затем проводят термомеханическую обработку заготовок из полученного сплава в интервале 950-800 С со степенью деформации 30-60%. После этого придают заготовкам заданную геометрическую форму имплантов с помощью механической обработки при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок.
Размещают полученные импланты в кварцевых ампулах, вакуумированных до давления 10-2 мм рт.ст. и проводят рекристаллизационный отжиг имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 часов при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул.
При этом термомеханическую обработку заготовок осуществляют путем проведения горячей ковки или прокатки.
Кроме того, механическую обработку заготовок осуществляют путем резания и шлифования.
Сплавы системы Ti-Ta-Nb проявляют псевдоупругость и представляют при этом собой твердый раствор, поэтому для них технология получения и обрабатываемость проще, а чувствительность комплекса свойств к отклонению от расчетного химического состава заметно меньше, чем у сплавов на основе интерметаллидов. Кроме того, как компоненты сплава, так и их оксиды безопасны для человека и разрешены Министерством здравоохранения РФ к использованию в медицинской практике.
Преимуществами материала по изобретению является формирование поверхностной защитной оксидной пленки и способность упруго деформироваться (аккомодировать) при установке за счет эффекта псевдоупругости, что обеспечивает прекрасную фиксацию в кости и уменьшает уровень остаточных напряжений. При его использовании принципиально снижается риск образования костных трещин и проникновения металлических ионов в организм. Вышеописанные свойства увеличивают срок службы импланта, поскольку он не вызывает разрушения кости и развития нежелательных реакций живого организма. В результате пропадает необходимость в повторном хирургическом вмешательстве и обеспечивается более высокое качество жизни пациента.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Вначале изготавливают сплав Ti-Ta-Nb методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Nb | 23,61-37,18 |
| Та | 6,42-19,0 |
| Ti | остальное |
Сплавы указанной концентрации испытывают мартенситное превращение вблизи температуры человеческого тела и проявляют псевдоупругость (частный случай эффекта запоминания формы). Они обладают низким модулем упругости (около 60 ГПа) и обратимо возвращают более 2% наведенной деформации. Псевдоупругость приближает материал импланта по механическим свойствам к костной ткани.
Кроме того, эти сплавы не содержат химические элементы, вызывающие в живом организме канцерогенные или аллергические реакции.
Затем проводят термомеханическую обработку заготовок из полученного сплава, для чего нагревают заготовку в печи до 950°С в воздушной атмосфере. Время выдержки в печи зависти от размеров заготовки, например, для диаметра заготовки 5 мм время выдержки составляет 2 минуты.
После этого вынимают заготовку из печи и в температурном интервале 950-800°С проводят деформацию со степенью 30-60%, которую осуществляют путем проведения горячей ковки или прокатки.
После этого придают заготовкам окончательную геометрическую форму имплантов с помощью механической обработки путем резания и шлифования при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок.
Размещают полученные импланты в кварцевых ампулах, вакуумируют их до давления 10-2 мм рт.ст., запаивают и проводят рекристаллизационный отжиг имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 часов при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул.
Компоненты сплава химически инертны при температуре человеческого тела, но при повышенных температурах обладают высоким сродством к кислороду, поэтому при термообработке на поверхности импланта образуются устойчивые оксиды, которые совместимы с биологическими тканями и жидкостями.
При обработке на всех технологических этапах избегают попадания примесей (кислород, водород и др.), которые резко понижают псевдоупругость при содержании примесей более 0,5%.
Функциональные свойства обеспечиваются при придании сплаву особого метастабильного фазово-структурного состояния, а именно: двухфазной структуры, включающей механически неустойчивую бета-фазу и альфа орторомбический мартенсит, которая формируется при предварительной термомеханической обработке и рекристаллизационном отжиге, завершающимся закалкой в воду.
Такая структура обеспечивает механические свойства, схожие со свойствами кости: необычно низкие для металлов значения твердости и модуля упругости и высокое упругое восстановление.
На поверхности импланта формируется также тонкая защитная пленка из безопасных для организма оксидов, которая после внедрения в костную ткань является разделителем между металлическим имплантом и живым телом, препятствуя проникновению металлических ионов в организм.
Примеры конкретной реализации изобретения приведены в таблице.
Claims (4)
1. Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов, содержащий сплав титана, ниобия и тантала, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
и имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит, при этом поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана.
2. Способ получения псевдоупругого биосовместимого функционально-градиентного материала для костных имплантов, заключающийся в изготовлении сплава Ti-Ta-Nb методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава, термомеханической обработке заготовок из полученного сплава в интервале 950-800°С со степенью деформации 30-60%, придании заготовкам заданной геометрической формы имплантов с помощью механической обработки при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок, размещении полученных имплантов в кварцевых ампулах, вакуумированных до давления 10-2 мм рт.ст., проведении рекристаллизационного отжига имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 ч при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул.
3. Способ по п.1, заключающийся в том, что термомеханическую обработку заготовок осуществляют путем проведения горячей ковки или прокатки.
4. Способ по п.1, заключающийся в том, что механическую обработку заготовок осуществляют путем резания и шлифования.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006115866/15A RU2302261C1 (ru) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006115866/15A RU2302261C1 (ru) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2302261C1 true RU2302261C1 (ru) | 2007-07-10 |
Family
ID=38316595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006115866/15A RU2302261C1 (ru) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2302261C1 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485197C1 (ru) * | 2011-10-03 | 2013-06-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Металлический наноструктурный сплав на основе титана и способ его обработки |
| RU2612480C1 (ru) * | 2015-12-07 | 2017-03-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения низкомодульных сплавов на основе системы титан-ниобий селективным лазерным сплавлением |
| RU2656626C1 (ru) * | 2017-05-15 | 2018-06-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ получения проволоки из сплава титан-ниобий-тантал-цирконий с эффектом памяти формы |
| RU2687581C1 (ru) * | 2018-05-17 | 2019-05-15 | Наринэ Адольфовна Узунян | Способ дентальной имплантации |
| RU2694099C1 (ru) * | 2018-10-22 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ изготовления тонкой проволоки из биосовместимого сплава TiNbTaZr |
-
2006
- 2006-05-11 RU RU2006115866/15A patent/RU2302261C1/ru active IP Right Revival
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485197C1 (ru) * | 2011-10-03 | 2013-06-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Металлический наноструктурный сплав на основе титана и способ его обработки |
| RU2612480C1 (ru) * | 2015-12-07 | 2017-03-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения низкомодульных сплавов на основе системы титан-ниобий селективным лазерным сплавлением |
| RU2656626C1 (ru) * | 2017-05-15 | 2018-06-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ получения проволоки из сплава титан-ниобий-тантал-цирконий с эффектом памяти формы |
| RU2687581C1 (ru) * | 2018-05-17 | 2019-05-15 | Наринэ Адольфовна Узунян | Способ дентальной имплантации |
| RU2694099C1 (ru) * | 2018-10-22 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Способ изготовления тонкой проволоки из биосовместимого сплава TiNbTaZr |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106955376B (zh) | 一种可降解的锌基合金植入材料在制备骨科植入物中的应用 | |
| Manivasagam et al. | Corrosion and microstructural aspects of titanium and its alloys as orthopaedic devices | |
| Shabalovskaya | On the nature of the biocompatibility and on medical applications of NiTi shape memory and superelastic alloys | |
| JP3330380B2 (ja) | ほてつ移植体、その製造方法およびほてつ移植用に有用な合金 | |
| KR100971649B1 (ko) | 저탄성계수를 갖는 베타계 타이타늄 합금 | |
| ES2330645T3 (es) | Composiciones de aleacion y dispositivos que incluyen las composiciones. | |
| US6409852B1 (en) | Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implant | |
| CN107630151B (zh) | 一种具有抗菌及促进骨愈合功能的β型钛合金 | |
| CN110423933A (zh) | 一种生物医用Ti-Zr-Hf-Nb-Ta系高熵合金及制备方法 | |
| CN101768685B (zh) | 一种生物医用钛铌基形状记忆合金及其制备、加工和应用方法 | |
| RU2302261C1 (ru) | Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения | |
| Polyakov et al. | Recent advances in processing and application of nanostructured titanium for dental implants | |
| CN101921929B (zh) | 用于骨科植入的含氧医用β钛合金及其制备方法 | |
| EP1663330B1 (en) | Biocompatible porous ti-ni material | |
| WO2022257915A1 (zh) | 生物医用非晶合金及其应用 | |
| Niinomi | Recent research and development in metallic materials for biomedical, dental and healthcare products applications | |
| Lee et al. | Titanium-silver alloy miniplates for mandibular fixation: In vitro and in vivo study | |
| CN114086011B (zh) | 一种可控降解的成分梯度镁基植入材料的制备方法 | |
| CN101760668B (zh) | 一种低弹性模量的生物医用钛合金 | |
| JP3768388B2 (ja) | 生体用マグネシウム材料及びその製造方法 | |
| JP5019346B2 (ja) | 骨親和性インプラント及びその製造方法 | |
| Lampman | Titanium and its alloys for biomedical implants | |
| Palekar et al. | Recent advances in metallurgy and design of rotary endodontic instruments: a review | |
| CN110106413B (zh) | Mg-Si-Ca-Zn系镁合金及其制备方法与应用 | |
| JP2004323908A (ja) | 機能性医療機器及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090512 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120320 |