Metale i ich stopy 1

Transkrypt

1 Metale i ich stopy 1

2 NATURA METALI żelazo Krystaliczne ciała stałe (oprócz rtęci), Łatwość tworzenia kationów podatność na korozję Ruchliwe elektrony duże przewodnictwo elektryczne i cieplne, Plastyczność, duża wytrzymałość złoto np. Cr, Mo, Ta, a-fe np. Cu, Ag 2

3 Faza amorficzna czyli bezpostaciowa rzadko występuje w całej objętości substancji, lecz zwykle współistnieje z fazą krystaliczną 3

4 Stop metali tworzywo o właściwościach metalicznych, w którego strukturze metal jest osnową, a poza nim występuje co najmniej jeden dodatkowy składnik, zwany dodatkiem stopowym. Dodatki są wprowadzane w celu poprawienia wytrzymałościowych właściwości materiału. 4

5 Metale i ich stopy Stale austenityczne Stopy Co Tytan i jego stopy Stopy z pamięcią kształtu 5

6 WYMAGANIA STAWIANE BIOMATERIAŁOM METALICZNYM dobra odporność na korozję, odpowiednie właściwości mechaniczne, dobra jakość metalurgiczna i jednorodność, zgodność tkankowa (nietoksyczność, brak reakcji alergicznej), odporność na zużycie ścierne, brak tendencji do tworzenia zakrzepów, odpowiednie właściwości elektryczne, możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania. 6

7 Istotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Krzem Żelazo Mangan ,2 Fluor ( w substancjach mineralnych) Chrom 200 0,2 Wanad 110 0,1 Nikiel 80 0,1 Cynk Miedź 45 2 Kobalt 23 0,05 Jod 6 0,3(główna część w tarczycy) Cyna 3 1 Arsen 2 0,05 Molibden 1 0,2 Selen 0,1 0,5 7

8 Istotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Krzem Żelazo Żelazo zawarte 50000z hemoglobinie decyduje o jej 70 aktywności w Mangan przenoszeniu tlenu z płuc do całego organizmu ,2 Fluor Nadmiar żelaza 700 (powstały wskutek korozji ( w implantu), substancjach gromadzi się w tkankach, w komórkach mineralnych) śledziony. Chrom 200 0,2 Żelazo niekorzystnie katalizuje reakcje prowadzące do Wanad 110 0,1 powstania wolnych rodników pojawia się miażdżyca, Nikiel marskość wątroby, 80 nowotwory, uszkodzenia DNA 0,1 i RNA, Cynk prowadzące 65do zmian mutagennych. 100 Miedź 45 2 Kobalt 23 0,05 Jod 6 0,3(główna część w tarczycy) Cyna 3 1 Arsen 2 0,05 Molibden 1 0,2 Selen 0,1 0,5 8

9 Istotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Krzem Żelazo Chrom pobudza proces metabolizmu węglowodanów, ułatwia Mangan ,2 przyswajanie glukozy. Fluor ( w substancjach Nadmiar chromu powoduje uszkodzenia mineralnych) narządów Chrom miąższowych 200(nerek, wątroby). 0,2 Wanad 110 0,1 Wywołuje odczyny alergiczne, guza płuc, krwotoczne Nikiel zapalenie nerek. 80 0,1 Cynk Miedź 45 2 Kobalt 23 0,05 Jod 6 0,3(główna część w tarczycy) Cyna 3 1 Arsen 2 0,05 Molibden 1 0,2 Selen 0,1 0,5 9

10 Istotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Krzem Żelazo Mangan Niedobór 1000 niklu w organizmie powoduje anemię 0,2lub Fluor zahamowanie 700wzrostu ( w substancjach mineralnych) Nikiel jest karcerogenny i wywołuje odczyny alergiczne. Chrom Wywołuje 200 stan zapalny tkanek okołowszczepowych. 0,2 Wanad 110 0,1 Nikiel Produkty korozji 80 implantu gromadzą się w śledzionie, 0,1 płucach i nerkach. Cynk Miedź 45 2 Kobalt 23 0,05 Jod 6 0,3(główna część w tarczycy) Cyna 3 1 Arsen 2 0,05 Molibden 1 0,2 Selen 0,1 0,5 10

11 Istotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Krzem Żelazo Mangan Związany 1000 jest z witaminą B12, pobudza procesy 0,2 Fluor krwiotwórcze, 700 zwiększa syntezę kwasów ( nukleinowych w substancjach i pomaga w ogólnej regeneracji organizmu po chorobach. mineralnych) Chrom Wykazuje 200 małą toksyczność. 0,2 Wanad 110 0,1 Nikiel Może powodować 80 odczyny alergiczne. Produkty 0,1korozji gromadzą się w śledzionie, włosach, krwi i moczu. Cynk Miedź 45 2 Kobalt 23 0,05 Jod 6 0,3(główna część w tarczycy) Cyna 3 1 Arsen 2 0,05 Molibden 1 0,2 Selen 0,1 0,5 11

12 Istotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Krzem Żelazo Mangan ,2 Bierze udział w wielu reakcjach biochemicznych oraz Fluor przemianach 700witaminy C ( w substancjach mineralnych) Chrom Nadmiar w 200 organizmie powoduje podrażnienie 0,2 dróg oddechowych, zapalenie płuc. Przy długotrwałym narażaniu Wanad 110 0,1 dochodzi do uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego. Nikiel 80 0,1 Cynk Miedź 45 2 Kobalt 23 0,05 Jod 6 0,3(główna część w tarczycy) Cyna 3 1 Arsen 2 0,05 Molibden 1 0,2 Selen 0,1 0,5 12

13 Nieistotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Aluminium Tytan ,2 Bor 20 0,5 Ołów 15 0,5 Rtęć 0,5 0,2 Kadm 0,2 0,1 Srebro 0,1 0,01 Beryl 0,01 0,001 Złoto 0,005 0,001 13

14 Nieistotne pierwiastki śladowe Pierwiastek Stężenie w skorupie ziemskiej, ppm Stężenie w organizmie ludzkim, ppm Aluminium Tytan ,2 Nadmiar aluminium powoduje bóle mięśni, rozmiękczanie kości, zwiększa podatność kości na złamanie. Bor 20 0,5 Uszkadza komórki nerwowe, poprzez oddziaływanie z DNA jądra komórki. Ołów 15 0,5 Rtęć 0,5 0,2 Duże stężenie aluminium w ścianach naczyń krwionośnych powoduje ich stwardnienie i usztywnienie. Kadm 0,2 0,1 Srebro 0,1 0,01 Beryl 0,01 0,001 złoto 0,005 0,001 14

15 Oddziaływanie 15

16 Wystąpienie korozji z klinicznego punktu widzenia może prowadzić do: ograniczenia okresu pracy implantu w organizmie, ograniczenia możliwości przenoszenia wymaganych obciążeń; produkty korozji mogą prowadzić do wystąpienia niepożądanych reakcji biologicznych prowadzących do odrzucenia wszczepu, jony metali uwalniane do otaczających tkanek mogą mieć działanie toksyczne; możliwość wystąpienia bólu w wyniku uwolnienia do otaczających tkanek produktów korozji (bez wystąpienia stanu zapalnego); 16

17 ODPORNOŚĆ KOROZYJNA W ZALEŻNOŚCI OD TKANEK NA RÓŻNE BIOMATERIAŁY METALICZNE 17

18 ODPORNOŚĆ KOROZYJNA W ZALEŻNOŚCI OD TKANEK NA RÓŻNE BIOMATERIAŁY METALICZNE Pasywacja - proces chemiczny lub elektrochemiczny powodujący przejście metalu ze stanu aktywnego w stan pasywny. Stan ten osiąga się poprzez wytwarzanie na powierzchni metalu bardzo cienkiej, ale szczelnej i dobrze związanej z podłożem warstewki tlenków lub soli. Warstewka ta powoduje zmianę potencjału elektrycznego metalu i zwiększa jego odporność na korozję. 18

19 ODPORNOŚĆ KOROZYJNA W ZALEŻNOŚCI OD TKANEK NA RÓŻNE BIOMATERIAŁY METALICZNE 19

20 KOROZJA Korozja to niszczenie materiału pod wpływem chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska. Korozja elektrochemiczna atmosferyczna (wilgotne powietrze) wodna (woda morska, słodka) ziemna (gleba) chemiczna gazowa (nalotowa) 20

21 KOROZJA Korozja to niszczenie materiału pod wpływem chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska. Korozja metal lub stop złącze, np. 2 metale Miejscowa plamowa punktowa wżerowa, międzykrystaliczna, szczelinowa Ogólna Równomierna lub nierównomierna Kontaktowa 21

22 KOROZJA Korozja to niszczenie materiału pod wpływem chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska. Korozja Metal lub stop styka się z elektrolitem: elektrochemiczna Środowisko wodne zawierające elektrolity, np. NaCl Przyczyny: Środowisko, Zanieczyszczenia w środowisku, Ubytki w powłokach ochronnych, Niejednorodność materiałów korodujących, Obecność depolaryzatorów (jon lub atom zdolny przyłączać elektron) 22

23 Korozja elektrochemiczna Heterogeniczność materiałów: Nieciągła struktura stopów i metali: Krystaliczna, ziarnista budowa, Różnice w stężeniach składników w ziarnach, Wtrącenia w stalach, np. węgliki 23

24 Korozja elektrochemiczna Normalny potencjał elektrodowy Normalny potencjał elektrodowy określa odporność metalu na korozję. Im więcej jonów metalu przechodzi do elektrolitu, tym mniejsza jest odporność metalu na korozję i bardziej ujemny potencjał. 24

25 KOROZJA M M + + e - Płyn fizjologiczny powierzchnia Fe 2+ Cr 3+ Ni 2+ Implant Fe Cr Ni 25

26 Im mniejsze ubytki korozyjne metalu lub stopu oraz wyższy potencjał anodowy, tym większa jest jego biotolerancja w organizmie. 26

27 ODPORNOŚĆ KOROZYJNA W ZALEŻNOŚCI OD TKANEK NA RÓŻNE BIOMATERIAŁY METALICZNE Rodzaj niszczenia Mechaniczne Korozyjne Użytkowe Przedoperacyjne Korozja wżerowa Tribologiczne Przeciążeniowe Korozja szczelinowa Korozja naprężeniowa Korozja zmęczeniowa 27

28 KOROZJA IMPLANTÓW Czynniki wpływające na tworzenie się ogniw (korozyjne, stężeniowe) w obszarze implantu: Niejednorodność chemiczna stopu, Złożone kształty implantów, Nieciągłości warstwy pasywacyjnej, Szczeliny i rysy na powierzchni implantów, Naprężenia cykliczne, Właściwości środowiska biologicznego (płyny ustrojowe, bioprądy). 28

29 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) korozja wżerowa - pitting; korozja cierna - fretting; korozja szczelinowa; korozja galwaniczna; korozja międzykrystaliczna; korozja wodorowa; uszkodzenia w wyniku zmęczenia materiału; 29

30 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Korozja wżerowa (pitting) Pitting prowadzi do znacznych zniszczeń materiału. Może być zapoczątkowany występującymi na powierzchni materiału rysami powstającymi w procesie produkcyjnym lub w trakcie transportu. W początkowym okresie uszkodzenie materiału może postępować w sposób niezauważalny. Warunkiem nieodzownym do zainicjowania rozwoju korozji wżerowej jest istnienie minimalnego potencjału zwanego potencjałem przebicia. 30

31 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Stadia w rozwoju korozji wżerowej: zarodkowanie wżeru, początkowy wzrost (zależnie od warunków może zakończyć się przepasywaniem wżerów lub przejściem do trzeciego stadium), stabilny wzrost wżeru. Czynniki, które korzystnie oddziaływają na inicjację wżerów: wzrost stężenia jonów chlorkowych wskutek ich migracji wraz z prądem korozyjnym prowadzącym do powstania ogniwa korozyjnego wewnątrz wżeru, zakwaszenie roztworu wewnątrz wżeru w wyniku hydrolizy jonów metali w konsekwencji zakwaszenia wzrasta lokalnie potencjał pasywacji, duże przewodnictwo stężonego roztworu soli wewnątrz wżeru, ograniczony dopływ tlenu do wnętrza wżeru wynikający z jego małej rozpuszczalności w stężonym elektrolicie.

32 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Korozja cierna (fretting) występuje w przypadku połączeń spoczynkowych. Wystąpienie tego rodzaju zniszczenia materiału wiąże się z emisją znacznej ilości produktów korozji do otaczających tkanek oraz może inicjować powstanie pęknięć na powierzchni wszczepu prowadzących do jego uszkodzenia. 32

33 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Korozja szczelinowa występuje w chwili, gdy materiał jest w pewnej części odizolowany od środowiska korozyjnego. Ogniska korozji szczelinowej są najczęściej zlokalizowane pod nakrętkami lub powierzchniami elementów wzajemnie przecinających się (skrzyżowane płyty, połączenia płyt z wykorzystaniem nakrętek). Wystąpienie korozji szczelinowej prowadzi zazwyczaj do propagacji pęknięcia i w efekcie uszkodzenia wszczepu. 33

34 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Korozja szczelinowa Etap początkowy 34

35 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Etap II - powstaje lokalne ogniwo korozyjne z reakcją anodową, w wyniku której stop powoli się rozpuszcza. Pojawiają się zmiany w roztworze szczeliny, gdyż kationy metalu ze stopu przechodzą do roztworu i zachodzi hydroliza. 35

36 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Etap III - trwałe przerwanie warstewki pasywnej i zapoczątkowanie aktywnie rozwijającej się korozji. Etap IV - szybkie rozpuszczanie się stopu wewnątrz szczeliny zrównoważone przez redukcję tlenu na zewnątrz szczeliny, zależnym od warunków, a głównie od procesu wydzielania się wodoru wewnątrz szczeliny. 36

37 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Korozja naprężeniowa występuje wtedy, gdy zachodzi równocześnie działanie agresywnego środowiska i naprężeń normalnych, wywołanych siłami rozciągającymi. W wyniku korozji naprężeniowej rozprzestrzeniają się pęknięcia o przełomie makroskopowo kruchym najczęściej prostopadle do kierunku działania naprężeń. 37

38 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Korozja międzykrystaliczna jest rodzajem korozji występującej na granicach ziaren. Powstaje w wyniku istnienia w stopie obszarów o zróżnicowanym składzie chemicznym. Przykładem może być korozja stali nierdzewnych po nieprawidłowo przeprowadzonej obróbce cieplnej. Zróżnicowanie zawartości chromu na granicy ziarna i w jego wnętrzu prowadzi do wystąpienia korozji międzykrystalicznej. 38

39 RODZAJE ZNISZCZEŃ IMPLANTÓW (KOROZJA rodzaje) Zmęczenie materiału występuje przy cyklicznym obciążaniu i odciążaniu elementu. Zmiany naprężeń prowadzą do zmiany plastyczności materiału (jego lokalnego utwardzenia), co może stać się przyczyną wystąpienia mikropęknięć. Zainicjowane pęknięcie rozrasta się zmniejszając powierzchnię, efektywnie przenoszącą obciążenie. Zwiększanie się powierzchni pęknięcia prowadzi w efekcie do zniszczenia elementu. Korozja zmęczeniowa 39

40 ODPORNOŚĆ NA KOROZJĘ STALE STOPOWE Odporność na korozję 316 L REX 734 P L stal FeCrNiMo stal FeCrNiMoN (Super Duplex) REX 734 stal FeCrNiMoNbN P 2000 stal FeCrMnMoN (bez Ni) Wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość zmęczeniowa 40

41 Wskutek ogrzania czystego żelaza powyżej 910 o C jego struktura krystaliczna przekształca się z regularnej przestrzennie centrowanej w regularną ściennie centrowaną.

42 Układ żelazo-węgiel Ferryt - żelazo a odmiana strukturalna czystego żelaza w temperaturze pokojowej. Jest miękki i ciągliwy. W temperaturach niższych od 768 o C ferryt ma własności ferromagnetyczne. Austenit żelazo g odmiana o strukturze RSC. Jest to faza czystego żelaza trwała od o C. W obszarze swej trwałości austenit jest miękki i plastyczny i dobrze poddaje się obróbce mechanicznej. Jest fazą paramagnetyczną. 42

43 Układ żelazo-węgiel 43

44 Układ żelazo-węgiel Maksymalna rozpuszczalność węgla w austenicie wynosi tylko 2% (9% atomów), stąd stal zawiera mniej niż 2% węgla; w wysokich temperaturach zawarty w stali węgiel jest więc całkowicie rozpuszczony w austenicie. Żelazo d powyżej 1400 o C żelazo przekształca się z RSC w RPC. Żelazo d jest identyczne z żelazem a, występuje tylko w innym zakresie temperatur, bywa więc zwane ferrytem d. 44

45 Układ żelazo-węgiel Struktura Fe 3 C. Rombowa komórka elementarna zawiera 12 atomów żelaza i 4 atomy węgla. 45

46 STALE Stalami nazywamy stopy żelaza z węglem i z innymi pierwiastkami, zawierające do 2% węgla i powyżej 50% żelaza. Stale odporne na korozję w zależności od budowy wewnętrznej (struktury) stali: stale ferrytyczne, stale martenzytyczne i umacniane wydzieleniowo, stale austenityczne, stale ferrytyczno-austenityczne (typu Duplex).

47 STALE AUSTENITYCZNE Stale austenityczne są to kwasoodporne stale o ustalonym składzie chemicznym zawierające nikiel, molibden i chrom. Skład chemiczny stali powinien zagwarantować jednofazową i paramagnetyczną strukturę austenityczną, dobre własności mechaniczne oraz odpowiednią odporność korozyjną. Austenit jest międzywęzłowym roztworem węgla w żelazie g i oznaczony jest bądź symbolem Feg(C), bądź literą g. W stopach żelaza z węglem w stanie równowagi austenit występuje jedynie w temperaturach wyższych od 723 C. Ferryt Sieć RPC Austenit Sieć RSC 47

48 STALE AUSTENICZNE Skład stali nierdzewnej typu 316L Pierwiastek Zawartość % węgiel 0,03 max magnez 2,00 max fosfor 0,03 max siarka 0,03 max krzem 0,75 max chrom 17,0 20,0 nikiel 12,0 14,0 molibden 2,0-4,0 martenzyt ferryt Wpływ zawartości Ni i Cr na fazę austeniczną 48

49 Temperatura [ºC] Wpływ węgla na strukturę stali o stężeniu 18% Cr i 8% Ni L+a[d] a[d]+ g austenit g L+a[d]+g L+g E ciecz L C L+w+g Granica rozpuszczalności węgla w austenicie L+w Wydzielanie węglików (Fe, Cr) 23 C a+w α+β+w austenit + węgliki [w] 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Stężenie węgla [%] 49

50 Wrażliwość na korozję międzykrystaliczną 50

51 Równoważniki chromu i niklu 51

52 STALE AUSTENITYCZNE Stale austenityczne mają najniższą spośród wszystkich stosowanych w medycynie biomateriałów metalicznych, odporność na korozję elektrochemiczną w środowisku płynów ustrojowych. Mogą być one stosowane wyłącznie jako implanty krótkotrwałe, a okres ich przebywania w środowisku tkankowym nie powinien przekroczyć dwóch lat. 52

53 TECHNOLOGIA PRZEROBU STALI AUSTENICZNYCH Etapy przerobu stali: Przesycanie w temperaturze o C stabilna struktura austeniczna bez śladów węglików i ferrytów, Przeróbka plastyczna na zimno lub zwiększenie zawartości azotu w stali. Polerowanie stali. Wytwarzanie warstwy pasywnej za pomocą HNO 3 Oczyszczanie powierzchni. 53

54 ZASTOSOWANIE STALI AUSTENICZNYCH igły śródszpikowe, płytki kostne, śruby i nakrętki, groty i druty kostne, igły o różnym kształcie 54

55 KOBALT I JEGO STOPY Kobalt wykazuje dwie odmiany alotropowe. W temperaturze pokojowej występuje odmiana a o sieci heksagonalnej A3, a w temperaturach powyżej 417 o C odmiana b o sieci regularnej A1 55

56 STOPY KOBALTU ODLEWNICZE PRZERABIANE PLASTYCZNIE 56

57 STOPY KOBALTU dodatki stopowe nikiel - przyczynia się do wzrostu ciągliwości oraz wytrzymałości a także odporności na korozję 15-37%, chrom - obecność chromu zapewnia odporność na korozję oraz skłonność do samopasywacji 19-35%, wolfram - wpływa korzystnie na stabilizację własności mechanicznych w stopach przerabianych plastycznie 3-8,8% lub 14-16%, molibden - oddziałuje korzystnie na odporność na korozję 2,5-9%, niob - nadaje drobnoziarnistą strukturę. 57

58 STOPY KOBALTU Najczęściej w implantach chirurgicznych stosuje się stopy: odlewniczy CoCrMo, kuty na gorąco CoNiCrMo, kuty na gorąco CoCrWNi, kuty na gorąco CoNiCrMoWFe. 58

59 STOPY KOBALTU Technologia stopów odlewniczych Poddaje się je zabiegom obróbki cieplnej: Stosuje się wyżarzanie przy temperaturze 1165±10 o C (poniżej temperatury eutektycznej)- następują przemiany węglików, przesycanie stopów w temperaturze 1230±10 o C rozpuszczają się węgliki - tworzenie jednofazowej struktury austenicznej. Uzyskuje się jednorodną i jednofazową strukturę austenitu o większej wytrzymałości i ciągliwości, niż w stanie lanym. 59

60 STOPY KOBALTU Zabiegi technologiczne stosowane dla stopów przerabianych plastycznie Przesycanie przy temperaturach 1050±10 o C zabieg stosowany jako wyjściowy, Odkształcenie plastyczne na zimno (poniżej 650 o C), które pozwala osiągnąć największe umocnienie stopu, Odkształcenie plastyczne na gorąco (powyżej 650 o C), które umożliwia pośrednie umocnienie, Stopy przerabiane plastycznie posiadają prawie dwukrotnie większą wytrzymałość zmęczeniową w odniesieniu do stopów odlewniczych. Wykazują większą odporność na korozję szczelinową i wżerową. 60

61 ZASTOSOWANIE STOPÓW KOBALTU głównie trzpienie endoprotez osadzanych przy użyciu cementu chirurgicznego. 61

62 TYTAN I JEGO STOPY Dwie odmiany alotropowe heksagonalna trwała do 820 o C regularna trwała do 1668 o C 62

63 TYTAN I JEGO STOPY Jako biomateriały stosowane są stopy dwufazowe. Dodatki stopowe, ze względu na ich wpływ na temperaturę przemiany fazowej, można podzielić na: Al, O, N - stabilizuje fazę a, V, Mo, Ta, Nb - stabilizuje fazę b, Sn, Cr - pierwiastki neutralne. Powszechnie w chirurgii stosowany jest stop Ti-6Al-4V. Stop ten posiada strukturę dwufazową a + b. Faza b uzyskiwana jest przez wprowadzenie określonej ilości pierwiastków stabilizujących np. wanad. 63

64 TYTAN I JEGO STOPY Stopy tytanu nowej generacji o niskim module sprężystości to stopy zawierające: Molibden, cyrkon, żelazo Molibden, cyrkon, glin Niob, tantal i pallad Niob i cyrkon. Wysoka biotolerancja i duża odporność zmęczeniowa, dobra odporność na ścieranie Stopy tytanu z niklem i kobaltem - implanty z pamięcią kształtu 64

65 TYTAN I JEGO STOPY Odporność na korozję Ti-6Al-4V Ti-6Al-Nb Ti-5Al-2.5Fe Ti-Zr-(Mo)-system Ti-13Nb-13Zr Ti-15Mo Ti-15Mo-5Zr-3Al Ti-15Mo-3Nb-0.2Si Wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość zmęczeniowa 65

66 TYTAN I JEGO STOPY Stopy tytanu charakteryzują się: dobrą odpornością na korozję szczelinową, naprężeniową i ogólną w środowisku chlorków; najwyższą biotolerancją spośród wszystkich stosowanych obecnie biomateriałów metalicznych; korzystnym stosunkiem wytrzymałości na rozciąganie do granicy plastyczności; małą gęstością; najniższym spośród biomateriałów metalicznych modułem Younga; wysoką skłonnością do samopasywacji; właściwościami paramagnetycznymi; wysoką wytrzymałością zmęczeniową, co jest bardzo ważne w aspekcie trwałości elementów przeznaczonych do długotrwałego przebywania w organizmie człowieka; 66

67 TYTAN I JEGO STOPY Stopy tytanu mogą być wytwarzane jako: stopy odlewnicze, stopy do przeróbki plastycznej, stopy wytwarzane metodami metalurgii proszków. Tytan i jego stopy należą do materiałów trudno obrabialnych ze względu na wysoką temperaturę topnienia i odlewania, małą gęstość przy stosunkowo dużej lepkości oraz wysoką aktywność chemiczną ciekłego metalu i związaną z tym ograniczoną ilością materiałów formierskich. Tytan charakteryzuje się wysokim powinowactwem do tlenu, co utrudnia obróbkę mechaniczną (wymagana atmosfera gazu obojętnego, zmniejszone ciśnienie), ale polepsza odporność korozyjną. 67

68 ZASTOSOWANIE TYTANU I JEGO STOPÓW w chirurgii kostnej, endoprotezy stawowe, elementy do zespalania odłamów kostnych np. wkręty. w kardiochirurgii zabiegowej np. mechaniczna zastawka serca i kardiologii w protetyce stomatologicznej. 68

69 STOPY Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU SME shape memory effect Zjawisko pamięci kształtu polega na tym, że odkształcony plastycznie w niższej temperaturze stop odzyskuje swój początkowy kształt w temperaturze wyższej. Przedstawicielem tej grupy jest stop TiNi tzw. "Nitinol" Ni nikiel, Ti tytan, nol - Naval Ordinance Laboratory (laboratorium badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych) Stop TiNi charakteryzuje się dużą odpornością na korozję oraz wysoką biozgodnością. Jego superelastyczność wykorzystano między innymi w ortodoncji oraz chirurgii ortopedycznej. Klamry z pamięcią kształtu zastosowane w osteosyntezie 69

70 STOPY Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU SME shape memory effect Skład chemiczny stopu NiTi Pierwiastek Zawartość, % Nikiel 54,01 Kobalt 0,64 Chrom 0,76 Mangan 0,64 Żelazo 0,66 Tytan 43,29 Struktura martenzytyczna Struktura austenityczna 70

71 filmik 71

72 ZASTOSOWANIE STOPÓW Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU płytki do zespoleń dociskowych, pręty Harringtona do leczenia skoliozy, igły śródszpikowe, klamry do osteosyntezy, tulejki dystansowe do kręgosłupa 72

73 ZALETY IMPLANTÓW METALICZNYCH Przetwórstwo, Koszty, Dostępność, Wiedza w zakresie oddziaływań z żywym organizmem poparta wieloletnim doświadczeniem, Stopy z pamięcią kształtu, Łatwość sterylizacji, Nowoczesne warstwy antykorozyjne, Stopy pozwalające na stosowanie nowoczesnych narzędzi diagnostycznych. 73

74 WADY IMPLANTÓW METALICZNYCH Brak podobieństwa właściwości fizycznych implant /tkanka (osteoliza) Korozja implantów w środowisku biologicznym (metaloza, alergie), Zużycie cierne produkty degradacji; osteoliza - obluzowania implantów 74

75 WADY IMPLANTÓW METALICZNYCH Nadmiar żelaza gromadzący się w tkankach utrudnia dyfuzje enzymów przez błony, może niszczyć lizosomy w komórkach, powodować miażdżycę, marskość wątroby, uszkodzenia DNA Nadmiar chromu - uszkodzenie wątroby, nerek, guzy płuc, Nadmiar niklu - kancerogenne działanie na tkanki Nadmiar kobaltu - alergie Nadmiar aluminium - uszkodzenie komórek nerwowych, drogi oddechowe, kości, naczynia. Korozja prowadzi do zmian patologicznych w organizmie, spowodowanych przez zmianę składu chemicznego tkanek. 75

76 ZASTOSOWANIE BIOMATERIAŁÓW METALICZNYCH 76

77 77