Испытание биоматериалов – это процесс оценки их свойств и характеристик.
Титановые сплавы представляют собой металлические материалы, основным компонентом которых является титан. Для изменения свойств титана производится его легирование другими металлами.
Свойства титановых сплавов
Титановые сплавы имеют ряд эксклюзивных характеристик, благодаря которым являются широко востребованными в медицине в качестве биоматериала (имплантатов):
- Невысокая плотность (4,5 г/см³);
- Низкий модуль упругости;
- Не взаимодействуют с магнитами;
- Не токсичны;
- Высокая коррозионная стойкость;
- Высокие прочностные характеристики.
К титановым сплавам, выполняющим роль имплантатов предъявляются жесткие требования к их химическому составу (см. табл. 1).
| Элемент | Титановый сплав ВТ 1-0, % | Титановый сплав ВТ 1-00, % | Титановый сплав ВТ-6, % |
| Азот | 0,04 | 0,04 | 0,05 |
| Углерод | 0,07 | 0,05 | 0,1 |
| Водород | 0,01 | 0,008 | 0,015 |
| Железо | 0,25 | 0,15 | 0,6 |
| Кислород | 0,2 | 0,1 | 0,2 |
| Алюминий | нет | нет | 5,3-6,8 |
| Ванадий | нет | нет | 3,5-4,5 |
| Цирконий | нет | нет | 0,3 |
| Другие примеси | 0,3 | 0,1 | 0,3 |
Таблица 1
Из рассмотренных сплавов самым прочным является Ti-6Al-4V (ВТ-6). Благодаря введению в состав алюминия и ванадия его предел прочности на растяжение достигает 1000 МПа (у сплава ВТ 1-0 200-400 МПа).
Применение титановых сплавов
Титан и его сплавы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства – авиастроении, судостроении, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, машиностроении, черной и цветной металлургии и др.
В качестве примера рассмотрим применение титановых сплавов в медицинской отрасли.
Сфера применения титановых сплавов в медицине достаточно обширна. Они с успехом применяются в диагностике, кардиологии, ортопедии, стоматологии, пластической хирургии.
Титановые брекеты
Благодаря не высокой плотности изделия из титановых сплавов благоприятно воспринимается организмом человека в качестве имплантатов. Модуль упругости Ti близок к модулю упругости кости, что снижает стрессоустойчивое воздействие кости на имплантат. Нейтральность к электромагнитным полям повышает безопасность носителей имплантатов. Имплантаты из титановых сплавов не вызывают побочных явлений, аллергии, проявляют хорошую совместимость при взаимодействии с биожидкостями организма (кровь, слюна и др.). Нельзя обойти стороной и прочностные качества – титановые имплантаты не реагируют на растяжения, изгибы, хорошо выдерживают ударные нагрузки, скручивания.
Медицинский инструмент, изготовленный из титана, считается особо прочным, надежным и долговечным.
Стоматологический инструмент
В ортопедической хирургии широко практикуется установка суставов из титановых сплавов.
Замена сустава титановым аналогом
В кардиологии с ноября 2024 года осуществляются попытки замены живого сердца титановым. Первая операция по установке искусственного сердца человеку проведена в Австралии (г. Сидней).
Титановое «сердце»
Имплантаты из сплавов титана широко применяются в челюстно-лицевой хирургии и краниопластике (хирургической операции по восстановлению или коррекции черепа).
Титановые сплавы (ТС), как биоматериалы, подвергаются всесторонней проверке их качеств.
Испытание биоматериалов из титановых сплавов
Помимо общих видов испытаний ТС испытываются на:
- Биосовместимость (способность не вызывать побочных явлений, сопутствовать заживлению в ткани);
- Коррозионную стойкость (способность противостоять изменениям под воздействием окружающей биологической среды);
- Взаимодействие с тканями организма (процесс, вызывающий реакции организма – биосовместимость или отторжение имплантата);
- Химический состав и микроструктуру (процентное содержание химических элементов в материале и описание его строения на микроскопическом уровне);
- Механическую стойкость.
Руководящими документами предписываются следующие методы испытаний:
- На цитотоксичность (способность вызывать повреждения или гибель клеток);
- На гемосовместимость (свойство материала не вызывать изменений в крови);
- Испытания на растяжение;
- Испытания на усталость;
- Коррозионные испытания;
- Микроскопия;
- Элементный анализ.
При испытании биоматериалов из титановых сплавов используются следующие стандарты:
- ГОСТ Р 58419-2019 «Аддитивные технологии. Изделия их титановых сплавов, изготовленные методом селективного электронно-лучевого сплавления. Общие технические условия»;
- ГОСТ 28052-97 «Титан и титановые сплавы. Методы определения кислорода»;
- ГОСТ 24956-81 «Титан и титановые сплавы. Метод определения водорода»;
- ГОСТ 23902-79 «Сплавы титановые. Методы спектрального анализа»;
- ГОСТ 24047-80 «Полуфабрикаты из цветных металлов и их сплавов. Отбор проб для испытания на растяжение»;
- ГОСТ 22178-76 «Листы из титана и титановых сплавов. Технические условия».
В настоящее время имплантаты из ТС занимают лидирующие позиции в области медицины. С развитием пластической хирургии заметна тенденция постоянного роста востребованности изделий из титана и его сплавов.