Титан сплавы: Титан — ГК Металлург

Содержание

Титан — ГК Металлург

Одним из самых распространенных элементов, который находится в земле, можно назвать титан. Согласно результатам проведенных исследований, он занимает 4-е место по степени распространенности, уступая лидирующие позиции алюминию, железу и магнию. Несмотря на столь большое распространение, титан стал использоваться в промышленности лишь в 20 веке. Титановые сплавы во многом повлияли на развитие ракетостроения и авиации, что связано с сочетанием малой плотности с высокой удельной прочностью, а также коррозионной стойкостью. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Общая характеристика титана и его сплавов

Именно основные механические свойства титановых сплавов определяют их большое распространение. Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

  • Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества.
    Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.
  • Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.
  • Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.
  • Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
  • Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
  • Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи.

Эти основные преимущества титановых сплавов определили их достаточно большое распространение. Однако, как ранее было отмечено, многое зависит от конкретного химического состава. Примером можно назвать то, что твердость изменяется в зависимости от того, какие именно вещества применяются при легировании.

Важно, что температура плавления может достигать 1700 градусов Цельсия. За счет этого существенно повышается устойчивость состава к нагреву, но также усложняется процесс обработки.

Виды титановых сплавов

Классификация титановых сплавов ведется по достаточно большому количеству признаков. Все сплавы можно разделить на несколько основных групп:

  • Высокопрочные и конструкционные – прочные титановые сплавы, которые обладают также достаточно высокой пластичностью. За счет этого они могут применяться при изготовлении деталей, на которые оказывается переменная нагрузка.
  • Жаропрочные с низкой плотностью применяются как более дешевая альтернатива жаропрочным никелевым сплавам с учетом определенного температурного интервала. Прочность подобного титанового сплава может варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от конкретного химического состава.
  • Титановые сплавы на основе химического соединения представляют жаропрочную структуру с низкой плотностью. За счет существенного снижения плотности вес также снижается, а жаропрочность позволяет использовать материал при изготовлении летательных аппаратов. Кроме этого с подобной маркой связывают также высокую пластичность.

Разновидности титановых сплавов

Марка Ti Аl V Мо
Zr
Si Fe O N C Ост
ВТ1-00 осн. 0,08 0,15 0,1 0,04 0,05 0,1
ВТ1-0 осн. 0,1 0,3 0,2 0 0,1 0,3
ВТ1-2
осн.
0,15 1,5 0,3 0,15 0,1 0,3
ВТЗ-1 осн. 5,5-7,0 2,0-3,0 0,5 0,15-0,40 0,2-0,7 0,15 0,05 0,1 0,3
ОТ4 осн. 3,5-5. 0 0,3 0,12
0,3
0,15 0,05 0,1 0,3
ОТ4-0 осн. 0,4-1,4 0,3 0,12 0,3 0,15 0,05 0,1 0,3
ОТ4-1 осн. 1,5-2,5 0,3 0,12 0,3 0,15 0,05 0,1 0,3
ВТ5 осн. 4,5-6,2
1,2
0,8 0,3 0,12 0,3 0,2 0,05 0,1 0,3
ВТ5-1 осн. 4.3-6,0 1 0,3 0,12 0,3 0,15 0,05 0,1 0,3
ВТ6 осн. 5,3-6,8 3,5-5,3 0,3 0,1
0,6
0,2 0,05 0,1 0,3
ВТ6С осн. 5,3-6,5 3,5-4,5 0,3 0,15 0,25 0,15 0,04 0,1 0,3
ВТ8 осн. 5,8-7,0 2,8-3,8 0,5 0,20-0,40 0,3 0,15 0,05 0,1 0,3
ВТ9 осн.
5,8-7,0 2,8-3,8 1,0-2,0 0,20-0,35 0,25 0,15 0,05 0,1 0,3
ВТ14 осн. 3,5-6,3 0,9-1,9 2,5-3,8 0 0,2 0,3 0,2 0,1 0,1 0,3
ВТ15 осн. 2,3-3,6 6,8-8 0,15 0,3 0,12 0,05 0,1 0,3
ВТ16 осн. 1,8-3,8 4-5 4,5-5,5 0,3 0,15 0,25 0,15 0,05 0,1 0,3
ВТ18 осн. 7,2-8,2 0,2-1 10-12 0,05-0,18 0,15 0,14 0,05 0,1 0,3
ВТ20 осн. 5,5-7,0 0,8-2,5 0,5-2,0 1,5-2,5 0,15 0,25 0,15 0,05 0,1 0,3
ВТ22 осн. 4,4-5,7 4,0-5,5 4,0-5,5 0,3 0,15 0,5-1,5 0,18 0,05 0,1 0,3
ВТ23 осн. 4-6,3 4-5 1,5-2,5 0,3 0,15 0,4-0,1 0,15 0,05 0,1 0,3
ПТ3В осн. 3,5-5,0 1,2-2,5 0,3 0,12 0,25 0,15 0,04 0,1 0,3
ПТ-1М осн. 0,2-0,7 0,3 0,1 0,2 0,12 0,04 0,07 0,3
ПТ-7М осн. 1,8-2,5 2,0-3,0 0,12 0,25 0,15 0,04 0,1 0,3

Маркировка титановых сплавов проводится по определенным правилам, которые позволяют определить концентрацию всех элементов. Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных разновидностей титановых сплавов подробнее.

Рассматривая наиболее распространенные марки титановых сплавов, следует обратить внимание ВТ1-00 и ВТ1-0. Они относятся к классу технических титанов. В состав данного титанового сплава входит достаточно большое количество различных примесей, которые определяют снижение прочности. Однако за счет снижения прочности существенно повышается пластичность. Высокая технологическая пластичность определяет то, что технический титан можно получить даже при производстве фольги.

Очень часто рассматриваемый состав сплава подвергается нагартовке. За счет этого повышается прочность, но существенно снижается пластичность. Многие специалисты считают, что рассматриваемый метод обработки нельзя назвать лучшим, так как он не оказывает комплексного благоприятного воздействия на основные свойства материала.

Сплав ВТ5 довольно распространен, характеризуется применением в качестве легирующего элемента исключительно алюминия. Важно отметить, что именно алюминий считается самым распространенным легирующим элементом в титановых сплавах. Это связано с нижеприведенными моментами:

  • Применение алюминия позволяет существенно повысить модули упругости.
  • Алюминий также позволяет повысить значение жаропрочности.
  • Подобный металл один из самых распространенных в своем роде, за счет чего существенно снижается стоимость получаемого материала.
  • Снижается показатель водородной хрупкости.
  • Плотность алюминия ниже плотности титана, за счет чего введение рассматриваемого легирующего вещества позволяет существенно повысить удельную прочность.

В горячем состоянии ВТ5 хорошо куется, прокатывается и штампуется. Именно поэтому его довольно часто применяют для получения поковки, проката или штамповки. Подобная структура может выдержать воздействие не более 400 градусов Цельсия.

Титановый сплав ВТ22 может иметь самую различную структуру, что зависит от химического состава. К эксплуатационным особенностям материала можно отнести следующие моменты:

  • Высокая технологическая пластичность при обработке давлением в горячем состоянии.
  • Применяется для изготовления прутков, труб, плиты, штамповок, профиля.
  • Для сваривания могут использоваться все наиболее распространенные методы.
  • Важным моментом является то, что после завершения процесса сварки рекомендуется проводить отжиг, за счет чего существенно повышаются механические свойства получаемого шва.

Существенно повысить эксплуатационные качества титанового сплава ВТ22 можно путем применения сложной технологии отжига. Она предусматривает нагрев до высокой температуры и выдержки в течение нескольких часов, после чего проводится поэтапное охлаждение в печи также с выдержкой в течение длительного периода. После качественного проведения отжига сплав подойдет для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций, которые могут нагреваться до температуры более 350 градусов Цельсия. Примером можно назвать элементы фюзеляжа, крыла, детали системы управления или крепления.

Индукционные методы нагрева позволяют проводить самые различные процессы термической обработки. Примером можно назвать отжиг, старение, нормализацию и так далее. Конкретные режимы термической обработки выбираются в зависимости от того, какие нужно достигнуть эксплуатационные характеристики.

Титан (элемент) — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Титан.
Внешний вид простого вещества

Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты
Свойства атома
Название, символ, номер Тита́н / Titanium (Ti), 22
Атомная масса
(молярная масса)
47,867(1)[1] а.  е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ar] 3d2 4s2
Радиус атома 147 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 132 пм
Радиус иона (+4e)68 (+2e)94 пм
Электроотрицательность 1,54 (шкала Полинга)
Электродный потенциал −1,63
Степени окисления 2, 3, 4
Энергия ионизации
(первый электрон)
 657,8 (6,8281[2]) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 4,54 г/см³
Температура плавления 1670 °C
1943 K
Температура кипения 3560 K
Уд. теплота плавления 18,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения 422,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 25,1[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём 10,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
плотноупакованная (α-Ti)
Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (α-Ti)
Отношение c/a 1,587
Температура Дебая 380 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 21,9 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-32-6

Тита́н — химический элемент с атомным номером 22[4]. Принадлежит к 4-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе IV группы, или к группе IVB), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 47,867(1) а. е. м.[1]. Обозначается символом Ti. Простое вещество титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой коррозионной стойкостью.

История

Открытие TiO2 (диоксида титана) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.

Титан не находил промышленного применения, пока Г. Кролл (англ.)русск. в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического ти

Титановый сплав более прочный, чем чистый титан

Титановый сплав более прочный, чем чистый титан.

 

 

Титановый сплав – это особое соединение на базе титана и соединения титана и бора, представляющее собой не обычный “сплав”, а особый композитный материал, похожий по своему устройству на соты пчел или мозаику. Такой сплав имеет малый удельный вес, высокую коррозионную стойкость, гипоаллергенность. В отличии от чистого титана титановый сплав обладает высокой прочностью и твердостью.

 

Описание

Преимущества

Применение

 

Описание:

Титановый сплав, точнее – композит «титан-титан бор», как и чистый титан, имеет малый удельный вес, высокую коррозионную стойкость, гипоаллергенность. В отличии от чистого титана титановый сплав обладает высокой прочностью и твердостью.

Главный недостаток титана – сравнительно низкая твердость, которая не позволяет использовать титан в качестве базы для режущих инструментов или других приборов и изделий, где необходимы материалы, хорошо сопротивляющиеся деформациям.

Титановый сплав – это особое соединение на базе титана и соединения титана и бора, представляющее собой не обычный “сплав”, а особый композитный материал, похожий по своему устройству на соты пчел или мозаику.

Компоненты этого материала выполняют разные функции. В частности, стенки “сот” данного композитного материала состоят из борида титана, более прочного и твердого материала, а пустоты между ними заполнены обычным титаном, более мягким и гибким, чем соединение бора и титана.

Такой очень прочный и при этом пластичный материал на базе сот можно получить, спекая смесь из порошков титана и диборида титана при температурах примерно в 1000 оС. В таких условиях матрицы из борида титана можно обрабатывать и деформировать без образования трещин в их структуре.

 

Преимущества:

– высокая коррозионная стойкость,

малый удельный вес,

– гипоаллергенность,

немагнитный материал,

– высокая прочность и твердость.

 

Применение:

изготовление сверхпрочных и легких медицинских и аэрокосмических приборов, инструментов и изделий,

изготовление режущих инструментов.

 

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

жаропрочные титановые сплавы
изготовим титанового сплава
нож из титанового сплава
прочность сварка состав особенности титановых сплавов
титан титановые сплавы вт гост
титановые сплавы используются титановых
титановые сплавы купить марки производство механические свойства технологии
титановые сплавы характеристики
титановый сплав вт6
цена титановые сплавы
японский нож из титанового сплава

 

Коэффициент востребованности 187

Титан и его сплавы как биоматериалы

Материалы, которые применяют для протезирования – биоматериалы – должны обладать специфическими свойствами. Наиболее важными их свойствами являются биологическая совместимость и коррозионная стойкость. Основными биоматериалами являются нержавеющие стали и кобальтовые сплавы, а также титан и его сплавы.

Титан – конкурент нержавеющим сталям

Аустенитные нержавеющие стали были первыми металлическими биоматериалами, которые успешно применялись в качестве имплантатов. В тридцатые годы прошлого века специально для медицинских целей был разработан сплав на основе кобальта под названием Vitallium. Титан и его сплавы являются новейшими металлическими материалами, в том числе, в протезировании зубов.

Титан и его сплавы в медицине

В настоящее время титановые сплавы являются наиболее привлекательными материалами для биомедицинского применения. В медицине из них изготавливают имплантанты для замены поврежденных твердых тканей. Примерами могут быть искусственные суставы бедра и колена, костные пластины, элементы крепления и даже детали искусственного сердца.

Долгое время основным титановым медицинским сплавов был сплав Ti-6Al-4V. Однако затем стали считать, что постоянное присутствие этого сплава в теле может иметь на него токсичное влияние из-за выделения ванадия и алюминия. По этой причине были разработаны новые титановые сплавы для применения в имплантантах, которые не содержат ванадий и алюминий. Эти новые сплавы включают сплавы Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb-13Zr и Ti-12Mo-6Zr.

Титан: биологическая совместимость

Промышленно чистый титан считается лучшим биологически совместимым металлическим материалом, так как он спонтанно образует стабильный и инертный оксидный слой. Основными физическими свойствами титана, которые обеспечивают ему биологическую совместимость, являются:
– низкий уровень электронной проводимости;
– высокая коррозионная стойкость;
– термодинамическая устойчивость при физиологических величинах рН;
– низкая склонность к образованию ионов в водных средах и
– изоэлектрическая точка оксида 5-6.
Кроме того, поверхность титана, покрытая пассивной пленкой, является только слегка электрически заряженной при физиологических величинах рН. Также титан имеет диэлектрическую константу, сравнимую с той, что у воды, что обеспечивает ему кулоновское взаимодействие с заряженными объектами, которое аналогично воде.

Применение титана в зубном протезировании

Титан и его сплавы широко применяются в зубном протезировании при изготовлении имплантантов, коронок, мостов и различных крепежных элементов (рисунок). В настоящее время применяют четыре марки – от 1 до 4 – нелегированного промышленно чистого титана (cp Ti) и один титановый сплав, который был специально разработан для зубных имплантантов. Этот сплав, который содержит 6 % алюминия и 4 % ванадия, является самым прочным.

Рисунок – Примеры применения титановых сплавов в зубном протезировании

Титан марки 1 является самым чистым, обладает самой низкой прочностью и самой высокой пластичностью при комнатной температуре. Титан марки 2 является основным для промышленного изготовления зубных имплантанов. Гарантированный минимум предела текучести 275 МПа для титана марки 2 сравним с пределом текучести отожженной аустенитной нержавеющей стали.

Титан марки 3 имеет максимальное содержание железа 0,30 %, что ниже чем 0,40 % у марки 4. Титан марки 4 имеет самую высокую прочность среди марок нелегированного титана. Титановый сплав Ti-6Al-4V наиболее широко применяется для изготовления различных медицинских имплантантов, но реже в зубных имплантантах. Этот сплав обычно применяют в отожженном состоянии.

Титан в ортопедических протезах

Все марки нелегированного титана и титановый сплав Ti-6Al-4V обладают довольно низкой прочностью на сдвиг и низкой износостойкостью, чтобы их можно было широко применять в ортопедических протезах. Важно еще то, что величины модуля упругости титана (103-120 ГПа) и кости (10-30 ГПа) сильно отличаются. Это неблагоприятно сказывается на лечении и восстановлении кости. При разработке новых титановых сплавов возникает противоречие между модулем упругости и другим механическими характеристиками. При снижении модуля упругости прочность титанового сплава тоже снижается и наоборот.

В ортопедических протезах применяют титановые сплавы с легированием молибденом, ниобием, цирконием и другими элементами. Модуль упругости этих сплавов ближе к модулю упругости кости.

Источник: C.N. Elias et al, JOM, March 2008

Технический титан и его сплавы

18.12.14 г.

В сегодняшней статье речь пойдет о достоинствах и недостатках технического титана и его смесей с некоторыми другими материалами.

Техническим обычно называют титан, полученный не природным, а промышленным способом. Большинство его физических свойств совпадает с обычным титаном, а главное отличие состоит в наличии минимального количества примесей (железа, углерода, водорода и т.д.).

Технический титан представляет собой достаточно легкий (почти вдвое легче железа) металл серо-стального цвета. Плавиться он начинает при температуре 1700 градусов Цельсия, а по прочности превосходит высококачественную сталь в полтора раза. Металл характеризуется такой высокой пластичностью, что его несложно раскатать на листы (в частности, производят даже специальную фольгу из этого материала).

Технический титан отлично выдерживает механическую нагрузку, но при этом остается весьма ковким. Он практически не подвержен коррозийным процессам и не растворяется даже в  смеси азотной и соляной кислот (т.н. «царской водке»).

Главный недостаток технического титана – высокая цена, превышающая стоимость высококачественной стали, по крайне мере, в три раза.

 Взаимодействие с алюминием и железом

 Всего существует около полусотни химических элементов, которые хорошо взаимодействуют с титаном. Однако наиболее часто для сплавов применяются алюминий и железо.

Сплав технического титана с алюминием (даже в пропорции 9:1) позволяет получить весьма жаростойкий материал с высоким модулем упругости. Такие смеси начинают плавиться при температуре чуть ниже, чем чистый титан, однако магнитные свойства вещества заметно улучшаются.

Ферротитан (такое название получила смесь технического титана с железом) активно применяется на промышленном производстве для раскисления стали. С его помощью из ее состава стали выводят азот и добиваются образования мелкозернистой структуры, характерной для высококачественного стального проката.

 Смеси с медью, марганцем и другими металлами

 Как и в случае с железом, купро-титан (сплав с медью) чаще всего используется для «облагораживания» медных расплавов путем выведения из них кислорода и азота. В составе этого сплава содержится всего 5-12% технического титана. Смесь с содержанием менее 5% этого прочного материала используется для легирования стали.

А марганец добавляется в формулу для легирования уже самого технического титана (концентрация марганца при этом не должна превышать 1,5%). Для получения т.н. мангантитана в сплаве должно содержаться около 30% Mn.

Также технический титан нередко смешивают с хромом, молибденом и некоторыми другими материалами для повышения жаропрочности при сохраненной высокой пластичности материала.

Что такое титановый сплав? (с иллюстрациями)

Титановый сплав — это металлический материал, состоящий из титана, смешанного с другими металлами, обычно небольшими количествами палладия, ванадия, алюминия и / или олова. Эти металлы обладают улучшенными свойствами по сравнению с чистым титаном, такими как коррозионная стойкость, хорошая свариваемость (технологичность), стабильность и прочность при повышенных температурах. Чистый титан очень твердый, поэтому его сложно сваривать и формировать.

Титановые сплавы часто используются в высокопроизводительных самолетах, таких как Lockheed Martin F-22 Raptor.

Единственное типичное применение чистого титана — ортопедические и дентальные имплантаты, в то время как множество других применений титана, включая аэрокосмическую технику, высокотемпературные двигатели, медицинскую и морскую обработку, а также спортивное оборудование, используют титановый сплав. Многие сплавы других металлов также содержат небольшое количество титана, но они не считаются титановыми сплавами, если титан не составляет большую часть вещества.

Титановые сплавы могут использоваться в медицинских имплантатах.

Титан часто считают чудо-металлом из-за его высокой прочности и легкости. Примерно такой же прочный, как сталь, и вдвое прочнее алюминия, титан на 45% легче стали и только на 60% тяжелее алюминия. Он также имеет то преимущество, что не вступает в реакцию с человеческим телом, что делает его идеальным для медицинских имплантатов, таких как булавки, для удержания сломанных костей.Однако его высокая стоимость ограничила его использование.

Титан относительно распространен в земной коре, составляя около 0,57% (9-й по частоте элемент), но извлекается из его руд — минералов рутил (TiO 2 ), ильменита (FeTiO 3 ) и сфена. (CaTiSiO 5 ) — может быть дорогим из-за необходимости большого количества тепла.Элементарный титан был впервые выделен в чистом виде только в 1910 году, когда Мэтью А. Хантер нагрел TiCl 4 с натрием при 800 ° C (1472 ° F).

Существует 38 распространенных типов титановых сплавов, но типичная смесь состоит из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия.Эта смесь называется Grade 5. Есть титан марок с 1 по 38, причем 38 из них были изобретены совсем недавно. Марки не указывают на прочность или что-то еще, они просто используются для удобства, хотя более ранние марки были первыми, которые обычно производились. Титан класса 5 также известен как титан 6AL-4V , который считается подходящим для использования в военных целях. Этот сорт титанового сплава стабилен при температурах до 400 ° C (752 ° F), при этом обычно используются турбины самолетов, которые очень быстро вращаются и сильно нагреваются.

Помимо широкого применения в военной технике, титановый сплав можно найти в шатунах в таких дорогих автомобилях, как Porsche и Ferrari. Наличие этих металлов является частью того, что делает эти автомобили такими дорогими, но при этом надежными и способными развивать высокие скорости. Аналогичным высококачественным материалом, используемым в продуктах премиум-класса, является углеродное волокно.

Титановые сплавы могут использоваться для восстановления костей или суставов после перелома или другой травмы.

Ультратонкие титановые сплавы | Арнольд Магнитные Технологии

Надежный поставщик титана, известный выдающимся качеством

Металлический титан находит сотни применений в самых разных областях — от защиты от электронного луча до доставки лекарств на поверхности и конструкции в аэрокосмической отрасли.Титан (Ti) обладает исключительными характеристиками в отношении высокой общей прочности, биосовместимости, коррозионной стойкости и обрабатываемости. Легкие и долговечные в жестких температурных и химических условиях, титановые листы и фольга от Arnold доступны в нескольких марках для различных конечных применений.

Клиенты полагаются на нас как на поставщика тонкокатаного титана. Ti используется в приложениях, требующих высокой производительности и стабильного качества. Эти применения включают изготовление электронно-лучевого оборудования для стерилизации пищевых продуктов, вулканизации и различных промышленных применений; проектирование и строительство летательных и космических аппаратов; приложения, связанные с энергией, такие как солнечные батареи; компоненты динамика; и корпуса для медицинских устройств.Коррозионная стойкость титана означает, что материал может быть тоньше для конкретного применения в суровых условиях по сравнению с другими материалами, что дополнительно снижает вес. Ti может похвастаться самым высоким отношением прочности к весу среди всех металлических элементов. Биосовместимость титана, включая его неаллергенность и нетоксичность для живых тканей, делает его идеальным материалом для многих медицинских применений.

Титан и титановый сплав различной толщины и ширины

Толщина Максимальная ширина
0.025–0,003 дюйма (0,635–0,076 мм) 17,5 дюйма (444,5 мм) в виде катаной кромки 17,0 дюймов (431,8 мм) с прорезью
0,0029–0,001 дюйма (0,0737–0,0254 мм) 16,5 дюймов (419,1 мм) в виде катаной кромки 16,0 дюйма (406,4 мм) с прорезью
0,0009–0,0004 дюйма (0,023–0,01 мм) 15,5 дюйма (393,7 мм) в виде прокатанной кромки 15,5 дюйма (393,7 мм) с прорезью
0,00039–0,00008 дюйма (0,0099–0,002 мм) 4,25 дюйма (107,95 мм) в виде катанной кромки 4.0 дюймов (101,6 мм) со щелью

Измерение в микронах? — Посмотреть варианты сверхтонкого титана

Марки технически чистые (ХП) и титановые сплавы

Подразделение Precision Thin Metals компании Arnold предлагает изделия из титана ряда марок CP и нескольких стандартных составов сплавов. Стоимость — это только одно отличие. Прочность, обрабатываемость, коррозионная стойкость и другие характеристики различаются от марки к марке, как показано в следующей таблице.

Класс Предел прочности на разрыв тыс. фунтов на кв. дюйм (МПа) Предел текучести тыс. фунтов на кв. дюйм (МПа) Beta Transus Удельное сопротивление Теплопроводность
CP Класс 1; UNS R50250 50 (345) 35 (220) 1640 F (890 C) 18 мкОм в (0.45 мкОм м) 12,70 БТЕ ч -1 футов -1 F -1 (21,97 Вт м -1 K- -1 )
Класс 2; UNS R50400 70 (485) 50 (345) 1680 F (915 C) 21 мкОм в (0,53 мкОм м) 12,60 БТЕ ч -1 футов -1 F -1 (21,79 Вт м -1 K -1 )
Класс 4; UNS R50700 99 (680) 81 (560) 1740 F (950 C) 24 мкОм в (0.6 мкОм м) 9,80 БТЕ ч -1 футов -1 F -1 (16,95 Вт м -1 K -1 )
Сплавы Ti Grade 9; UNS R56320 90 (620) 70 (483) 1715 +/- 25 F (935 +/- 15 C) 1,27 мкОм м 4,8 БТЕ ч -1 футов -1 F -1 (8,3 Вт м -1 K -1 )
Beta21S; UNS R58210 135 — 149 (931 — 1027) 128 — 138 (883-952) 1485 F (807 C) 53 мкОм в (1.35 мкОм м) 4,4 БТЕ ч -1 футов -1 F -1 (7,6 Вт · м -1 K -1 )
15-3-3-3; UNS R58153 145 — 180 (1000–1241) 140–170 (965–1172) 1375–1425 жен. (750-770 C)

Материалы под заказ

Подразделение Precision Thin Metals компании Arnold специализируется на поставках титана и титановых сплавов в холоднокатаном или отожженном состоянии.Подразделение PTM сертифицировано Nadcap для термообработки, что подтверждает наши технологические возможности по производству ярких поверхностей без альфа-гильз.

Спросите нас о других доступных марках и толщинах. Для титана и его сплавов действуют некоторые минимальные объемы заказа. Для получения более подробной информации обратитесь к торговому представителю Arnold.

титановых сплавов в ортопедии | IntechOpen

1. Введение

Металлические имплантаты широко используются в ортопедии.Несмотря на большое количество металлических медицинских устройств, используемых сегодня, они преимущественно состоят из нескольких металлов. Металлические сплавы, такие как титан, по-прежнему являются одним из наиболее важных компонентов, используемых в устройствах ортопедических имплантатов, благодаря благоприятным свойствам высокой прочности, жесткости, вязкости разрушения и их надежным механическим характеристикам в качестве замены твердых тканей. Ортопедические имплантаты являются медицинские устройства, используемые для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата, и может состоять из одного типа биоматериала или содержать целый ряд различных биоматериалов, работающих вместе в модульных частей.Основные примеры титановых имплантатов, используемых в ортопедии, включают протезы тазобедренного и коленного суставов при различных типах артрита, поражающего эти суставы, инструменты для спондилодеза для стабилизации дегенеративных и нестабильных позвоночных сегментов, а также устройства для фиксации переломов различных типов, такие как пластины, винты и интрамедуллярные стержни. . Хотя обычно предполагается, что имплантаты на основе титана прослужат десять или более лет, долговечность не гарантируется, и часто возникает недостаточная интеграция в кость для длительного выживания, что приводит к отказу имплантата.Ревизионная хирургия для устранения такой неудачи связана с повышенным риском, осложнениями и затратами. Основная причина отказа этих имплантатов — асептическое расшатывание, которое составляет от 60 до 70% случаев ревизионных операций. Успех имплантатов зависит от прочного сцепления или фиксации биоматериала имплантата с костью для оптимального функционирования и долговечности. Поэтому одной из ключевых задач при заживлении и регенерации костей является разработка имплантата, который включает остеоинтеграцию с повышенной биоактивностью и улучшенными взаимодействиями имплантат-хозяин, чтобы уменьшить биологическое повреждение имплантата.

1.1. Разработка титановых сплавов для использования в ортопедии.

Титановые сплавы, первоначально использовавшиеся в аэронавтике, привлекли внимание биомедицины из-за их биосовместимости, низкого модуля упругости и хорошей коррозионной стойкости. Тем не менее, именно явление остеоинтеграции из-за присутствия естественно сформированного оксидного слоя на поверхности титана послужило толчком к развитию титана для использования в ортопедии [1]. Титановые сплавы часто используются в компонентах поверхности, не несущих нагрузку, таких как шейки и ножки бедренной кости (рис. 1), поскольку они имеют более низкий модуль упругости, что приводит к меньшей защите кости от напряжений [2].Тем не менее, остеоинтеграционная биоактивность по-прежнему часто недостаточна для достижения истинной адгезии между имплантатом и костью, что в конечном итоге может привести к механической нестабильности и разрушению имплантата [3].

Рис. 1.

a) Титановый стержень и (b) элементный анализ поверхности.

Механические свойства подходящих титановых сплавов на основе модулей Юнга должны быть аналогичны свойствам кортикального слоя кости. Кортикальная кость, также называемая компактной костью, является основной и наиболее важной составляющей человеческого скелета и имеет решающее значение для функций кости, включая защиту органов, движение, поддержку и т. Д.Модули Юнга титановых сплавов β-типа существенно меньше, чем у сплавов α- и (α + β) -типа. Это привело к открытию безвредных сплавов Ti с низкой жесткостью, таких как Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15Mo, Ti-35Nb-7Zr-5Ta и Ti. -29Nb-13Ta-4.6Zr. Тем не менее, у применения этих титановых сплавов есть как преимущества, так и недостатки. Эти сплавы доказали свою эффективность в предотвращении атропии кости и улучшении ремоделирования кости, однако высокая степень упругости и низкая усталостная прочность делают их нежелательными в качестве материала имплантата.Ti-6Al-4V и Ti промышленной чистоты в настоящее время являются наиболее популярными материалами для целей имплантации. Техническая чистота Ti оказалась хуже с точки зрения прочности на разрыв, в то время как Al и V оказались небезопасными. В настоящее время исследователи все еще пытаются разработать другие марки сплавов, такие как Ti-6Al-7Nb и Ti – 15Sn – 4Nb – 2Ta – 0.2Pd. Наиболее исследованными сплавами Ti являются сплавы (α + β) -типа из-за их прочности и пластичности.

1.2. Биологическая активность титановых сплавов

Каждый производитель титановых имплантатов имеет свои собственные теории относительно конструкции имплантатов для конкретных ортопедических применений.Как правило, существуют определенные руководящие принципы, которые влияют на окончательную жизнеспособность имплантата. Дизайн имплантата должен учитывать биомеханические и биологические факторы, которые могут повлиять на его успех. Соответствие естественной анатомии, свойств материала и механической прочности, подходящих для целевой функции и окружающей среды, — вот некоторые из факторов, которые необходимо учитывать. Несмотря на преимущества и успехи этих медицинских устройств, их использование сопряжено с риском побочных эффектов.Титановые имплантаты обычно образуют оксидный слой, который позволяет им интегрироваться с живой костной тканью. Однако в организме могут наблюдаться побочные реакции на титан, такие как фиброз и воспаление, которые могут повлиять на его функциональные характеристики в долгосрочной перспективе [4]. Успех применения ортопедического имплантата будет зависеть от различных факторов, и имплантаты могут выйти из строя из-за физиологических причин, таких как асептическое расшатывание.

Обычно существует два типа реакции ткани имплантата [5-7]. Первый тип — это реакция тканей хозяина на токсичность имплантированного материала.Имплантированный материал может быть токсичным или выделять химические вещества, которые могут повредить окружающие ткани. Второй ответ, который также является наиболее частым, — это образование неприлипающей фиброзной капсулы между имплантатом и тканями хозяина, называемое фиброзом. Это естественная реакция на защиту тела от инородного тела, которая в конечном итоге может привести к полной фиброзной инкапсуляции [8]. Обычно имплантаты предназначены для того, чтобы оставаться фиксированными в человеческом теле в течение длительного времени, и ожидается, что кость прорастет до поверхности имплантата.К сожалению, так бывает не всегда. Фиброз, называемый реакцией на инородное тело, развивается в ответ почти на все имплантированные биоматериалы и состоит из перекрывающихся фаз, аналогичных таковым в процессах заживления ран и восстановления тканей [9]. Несмотря на биосовместимость используемых металлических имплантатов, титановые материалы обычно инкапсулируются фиброзной тканью после имплантации в живое тело [10]. Клеткам, заключенным между имплантатом и фиброзной капсулой, также не хватает общих функций ткани, таких как удаление апоптозных или некротических клеток, которые также могут способствовать хроническому воспалению [11].Мало того, что ECM (внеклеточный матрикс), секретируемый фибробластами, отличается от образования костного матрикса, создаваемого остеобластами, в конечном итоге этот слой ECM может привести к микродвижению и образованию частиц износа на поверхности имплантата [12] . Образующиеся в результате осколки титана могут играть ведущую роль в инициации воспалительного каскада, ведущего к остеолизу [13]. В конечном итоге это вызывает асептическое расшатывание, поскольку связи имплантата с костью разрушаются из-за попыток организма переваривать частицы износа.Когда это происходит, протез расшатывается, и пациент может испытывать нестабильность и боль. Ревизионная операция для решения этой проблемы повлечет за собой дополнительные расходы и болезненные ощущения для пациентов. Для костной ткани прямое прикрепление остеобластов к металлу важно для предотвращения асептического расшатывания металлического имплантата, вызванного прикреплением слоя фибробластов. Фиброз также может вызывать независимую от остеокластов резорбцию кости фибробластоподобными клетками. Было показано, что фибробластоподобные клетки при патологических условиях не только усиливают, но и активно способствуют резорбции кости [14].Успешная интеграция имплантата в окружающую ткань во многом зависит от решающей роли нативных клеток, главным образом, остеобластов, прикрепляющихся к поверхности имплантата. Поэтому одной из ключевых задач в ортопедии является разработка имплантата с улучшенными остеоинтеграционными свойствами для снижения частоты отказов имплантата.

Рисунок 2.

Схематическое изображение тазобедренного имплантата. Шея бедренной кости — это область с риском нарушения кровоснабжения. Стрелки указывают на область нарушения кровоснабжения, где не происходит остеоинтеграция.

2. Стратегии придания повышенной биоактивности титановым сплавам

До сих пор большая часть исследовательских усилий была сосредоточена на улучшении интерфейса кость-имплант с целью улучшения заживления кости и интеграции имплантата с помощью физических или химических подходов [15]. Физический подход направлен на изменение морфологии и топографии поверхности имплантата с использованием механических методов, таких как механическая обработка, кислотное травление, плазменное напыление, пескоструйная очистка и анодирование для улучшения микрорельефа поверхности.Обоснованием этого является то, что увеличение шероховатости поверхности материала имплантата обеспечит более высокий уровень поверхностной энергии, что улучшит фиксацию кости, адсорбцию матричного белка, функции остеобластов и, в конечном итоге, остеоинтеграцию [16].

Химический подход направлен на создание биоактивной поверхности имплантата путем нанесения покрытий на слой имплантата биохимическими и физико-химическими методами. В биохимических методах органические молекулы, такие как факторы роста, пептиды или ферменты, включаются в слой имплантата для воздействия на специфические клеточные ответы [17].В то время как в физико-химических методах включение достигается с помощью неорганических фаз, таких как фосфат кальция, который может увеличивать биохимические связи между белками костного матрикса и поверхностными материалами, тем самым улучшая связывание костей [16]. Многие модификации имплантата могут сочетать в себе методы физической и химической инженерии. В следующих разделах мы обсудим некоторые из наиболее популярных стратегий, используемых для улучшения интеграции имплантата и фиксации кости.

2.1. Неорганические покрытия

Покрытия из фосфата кальция широко используются в ортопедической области из-за их сходства с минеральной фазой кости [18] и известны своими биологически активными свойствами, которые полезны для склеивания костей [19].Поскольку фосфату кальция обычно не хватает механической прочности для использования в качестве сыпучих материалов в условиях нагрузки, они часто наносятся на поверхность металлических имплантатов. Есть несколько опубликованных исследований, которые показали благоприятное использование покрытий из фосфата кальция для увеличения биосовместимости границы раздела кость-имплантат, фиксации и интеграции имплантата [20]. Слой фосфата кальция функционирует как физиологический переход между поверхностью имплантата и тканями хозяина, который направляет формирование кости вдоль поверхности имплантата и окружающих тканей.Одним из наиболее успешных методов нанесения покрытий из фосфата кальция является метод плазменного напыления из-за его преимуществ в виде обширных возможностей нанесения покрытия и высокой скорости осаждения. Однако, несмотря на многочисленные открытия [21], в которых сообщается о полезных остеоиндуктивных свойствах покрытий из фосфата кальция, напыленных плазмой, по-прежнему существуют некоторые опасения относительно его использования. Покрытия, нанесенные плазменным напылением, не являются однородными, и отсутствует контроль толщины и топографии поверхности, что может привести к воспламенению имплантата, когда частицы высвобождаются из этих неоднородных покрытий.Чтобы преодолеть эти недостатки, были разработаны и использованы различные другие стратегии осаждения, такие как биомиметическое, электрофоретическое и электрораспылительное осаждение и т. Д. Однако следует соблюдать осторожность при сравнении эффективности каждого из этих методов, что потребует всесторонней оценки как биологического ответа, так и клинического воздействия. производительность. Хотя было показано, что покрытия из фосфата кальция являются полезными для улучшения склеивания костей, до сих пор нет единого мнения об использовании систем покрытия из фосфата кальция.Основные проблемы включают большие различия в качестве покрытий из фосфата кальция, даже между разными партиями и рыночными силами, которые предлагают другие более дешевые альтернативы [22].

2.2. Органические покрытия

Модификация поверхности материалов имплантатов факторами роста и пептидами в последние годы набирает популярность [23, 24]. Различные представляющие интерес терапевтические биомолекулы могут быть иммобилизованы на поверхности имплантата для усиления взаимодействия на границе раздела кость-имплантат. В настоящее время более популярные подходы включают иммобилизацию факторов роста костей, таких как морфогенетические белки костей (BMP), для усиления остеогенеза и отложение пептидных последовательностей для индукции определенных клеточных функций.Факторы роста, иммобилизованные на ортопедических устройствах, усиливают остеобластическую активность и способствуют интеграции имплантата [25]. Факторы роста, наиболее часто используемые в ортопедии, являются членами суперсемейства трансформирующих факторов роста бета (TGF-β), включая семейство BMP, особенно BMP2 и BMP7. Факторы роста могут физически адсорбироваться или ковалентно прививаться к поверхности имплантата, и различные исследования показали, что загрузка имплантата этими факторами может усилить взаимодействие на границе кость-имплантат и способствовать процессу ремоделирования, в конечном итоге улучшая интеграцию имплантата [26-28].Однако критическими факторами для успешного использования факторов роста в ортопедических устройствах являются оптимальная дозировка, период воздействия и кинетика высвобождения, все это необходимо тщательно учитывать, чтобы избежать пагубных эффектов, связанных с использованием факторов роста, таких как высокая начальная скорость разрыва, эктопическое образование кости. и короткий период полураспада. Совсем недавно были разработаны пептидные последовательности, способные воздействовать на специфические остеогенные клеточные функции дифференцировки и минерализации [29, 30]. Эти короткие функциональные фрагменты, полученные из исходного белка, имеют увеличенный срок хранения, могут быть получены синтетическим путем и более устойчивы к денатурирующим эффектам.Их использование обеспечит значительные клинические преимущества по сравнению с использованием обычных белков. Они могут быть связаны с поверхностью имплантата, чтобы давать биологические сигналы для формирования кости. Кроме того, другие используемые пептидные последовательности включают RGD, YIGSR, IKVAV и KRSR, которые применялись для улучшения клеточной адгезии и образования костного матрикса [31-33].

2.3. Органико-неорганические композитные покрытия

Исследования последних лет были сосредоточены на разработке биоактивных композитных покрытий, имитирующих структуру костной ткани.Эти композитные покрытия будут сочетать фосфат кальция с факторами роста, пептидами, антителами и т. Д. Для усиления взаимодействия на границе раздела кость-имплант. Однако из-за того, что при приготовлении покрытий из фосфата кальция часто требуются высокие температуры или нефизиологические условия, при осаждении биомолекул на поверхности имплантата используется только физическая адсорбция [34, 35]. Однако при использовании методов физической адсорбции часто наблюдается начальная высокая скорость выброса, что нежелательно [36].Поэтому предпочтительны методы нанесения покрытия, которые создают мягкую кинетику замедленного высвобождения. Недавно опубликованная работа показала, что покрытие из фосфата кальция, сочетающее медленное высвобождение антибиотиков, способствует раннему успеху рекрутирования костных клеток [37]. Многие другие исследования показали, что отложение BMP2 и TGF-β на поверхность имплантата может значительно усилить сцепление с костью на границе раздела кость-имплант [25, 34]. Биологическая эффективность ортопедических имплантатов может быть значительно улучшена за счет физических и химических модификаций.Использование большого количества инженерных техник для манипуляции с топографией, морфологией поверхности и включение использования различных неорганических и органических компонентов напрямую повлияет на реакцию в локальном интерфейсе кость-имплантат и на расположение новой кости. С развитием новых методов и стратегий композитных покрытий, которые лучше имитируют структуру кости человека, это приведет к новому поколению ортопедических имплантатов с улучшенной интеграцией имплантата и заживлением кости.

3. остеоинтеграции имплантатов

Клинические стратегии управления скелетно-мышечные дефекты будут сосредоточены вокруг трех компонентов: клетки, структура и факторы роста. При проектировании материалов имплантата клетки и белки на границе имплантата играют решающую роль [38]. Использование белков биосигналов, таких как факторы роста, для разработки биоактивных материалов для имплантатов имеет большой потенциал. В частности, из-за нехватки стволовых клеток в организме желательны материалы, регулирующие клеточные функции, такие как адгезия, рост и дифференцировка.

Остеоинтеграция — один из самых важных процессов, определяющих успех ортопедического имплантата. Остеоинтеграция определяется как образование прямой структурной и функциональной связи между живой костью и поверхностью имплантата [39, 40]. Имплант считается остеоинтегрированным, если нет прогрессирующего относительного движения между имплантатом и костью, с которой он имеет прямой контакт [40]. В идеальных условиях имплантаты могут навсегда врасти в кость и сохраняться при всех нормальных условиях нагрузки, то есть эти два имплантата нельзя разделить без перелома.Васкуляризация, обеспечивающая кровоснабжение, является важным компонентом процесса остеоинтеграции. Дифференцировка остеогенных клеток сильно зависит от васкуляризации ткани, а окостенение тесно связано с васкуляризацией дифференцирующейся ткани [40]. Следовательно, успех заживления, регенерации и интеграции тканей заключается в ключевом процессе реваскуляризации, который имеет решающее значение для улучшения успешной интеграции имплантатов [41, 42].

Заживление кости вокруг имплантата включает в себя каскад клеточных и биологических событий, которые происходят на границе раздела кость-имплантат, пока, наконец, вся поверхность имплантата не будет покрыта вновь сформированной костью.Этот каскад биологических событий регулируется дифференцировкой клеток, стимулируемой факторами роста, секретируемыми на границе раздела кость-имплант [40]. Существует значительный интерес к модификации поверхностей имплантатов факторами роста для улучшения их клеточных функций и способности интеграции ткани на границе раздела кость-имплантат. Улучшенные функции клеток и взаимодействия с клеточными субстратами были продемонстрированы с факторами роста, иммобилизованными на материалах имплантатов [26-28]. Один из наиболее важных факторов роста для стимуляции неоваскуляризации (т.е. образование новых кровеносных сосудов) в областях-мишенях [43] будет ангиогенными факторами роста, имеющими решающее значение для улучшения успешной интеграции имплантатов как in vitro, , так и in vivo [41, 42]. Из этих ангиогенных факторов фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) является наиболее мощным и широко используемым ключевым регулятором неоваскуляризации [43, 44]. VEGF является решающим фактором не только в регуляции ангиогенеза, но и в функции остеобластов [45] и остеокластов [46-48] во время восстановления кости.VEGF действует непосредственно на остеобласты, способствуя таким клеточным функциям, как пролиферация, миграция и дифференцировка [49, 50]. Кроме того, VEGF также косвенно влияет на остеобласты, влияя на эндотелиальные клетки [51, 52]. Известно, что VEGF побуждает эндотелиальные клетки в окружающих тканях мигрировать, пролиферировать и формировать тубулярные структуры [53] и является важным фактором выживания эндотелиальных клеток [51] и образования новых сосудов [54]. Эндотелиальные клетки необходимы для обеспечения сложных интерактивных коммуникационных сетей в кости для коммуникации щелевых соединений с остеобластами, критически важными для их образования из остеопрогениторов [55].Кроме того, VEGF стимулирует выработку эндотелиальными клетками полезных факторов формирования кости, действующих на остеобласты [50]. В целом действие VEGF на остеобласты, остеокласты и эндотелиальные клетки может действовать синергетически, усиливая образование кости.

3.1. Фиксация титановых имплантатов

Фиксация компонентов протеза к кости может осуществляться с использованием костного цемента или без него. В цементированной технике полиметилметакрилат (ПММА) используется для «приклеивания» металла к кости.При прямой биологической фиксации требуются точные разрезы кости для достижения максимального контакта между металлом и костью. Преимущество цементной фиксации заключается в том, что компоненты протеза фиксируются мгновенно, что позволяет двигаться сразу после операции. Однако в случаях, когда требуется ревизионная операция, чрезвычайно сложно удалить весь цемент во время замены имплантата. Цементная фиксация обычно применяется у пожилых пациентов старше шестидесяти пяти лет, у которых костная ткань более остеопоротична с меньшей вероятностью врастания в протез и шансы на ревизию ниже из-за меньших требований к имплантату и более короткой оставшейся продолжительности жизни по сравнению с более молодыми пациентами.Прямая биологическая фиксация обычно используется для молодых пациентов из-за лучшего костного материала и потенциала врастания. Недостатком биологической фиксации является то, что для полного завершения могут потребоваться недели или месяцы, в течение которых ограничивается нагрузка на тело. Однако достигнутая окончательная фиксация более естественна при полном внедрении имплантата в кость в идеальных ситуациях. Кроме того, у молодых пациентов шансы на повторную операцию в будущем выше, и было бы легче исправить бесцементный протез без необходимости удаления цемента.Другая проблема заключалась в том, что бесцементные титановые стержни, как сообщается, более устойчивы к остеолизу и механическим повреждениям по сравнению с аналогичными цементированными титановыми стержнями [56]. Свойства титана, которые вредны для цементной среды, по-видимому, не имеют никакого эффекта в безцементной среде и на самом деле могут быть полезными, что приводит к различиям в характеристиках двух методов. Следовательно, усиление границы раздела костных имплантатов, особенно при прямой биологической фиксации титановыми имплантатами, было бы чрезвычайно полезным.Это значительно сократит период задержки, в течение которого происходит остеоинтеграция между протезом и костью пациента.

3.2. Функционализация поверхности посредством иммобилизации факторов роста

Одним из многообещающих способов включения использования факторов роста с материалами имплантатов является функционализация поверхности факторов роста. Растворимые факторы роста работают путем связывания с родственными рецепторами на клетках с образованием комплексов, которые приводят к аутофосфорилированию цитоплазматических доменов рецепторов, и это фосфорилирование активирует внутриклеточную передачу сигнала.Образованные комплексы затем агрегируются и интернализуются в клетки с помощью как клатрин-зависимых, так и клатриннезависимых механизмов, что приводит к рециклированию рецепторов для подавления деградации [57]. Аналогичным образом иммобилизованные факторы роста действуют, образуя комплексы с рецепторами клеточной поверхности, однако ожидается, что передача сигнала будет длиться дольше, чем растворимые факторы роста, из-за ингибирования процесса интернализации. Многовалентность — еще один важный феномен, ответственный за этот длительный усиленный митогенный эффект.Поливалентные лиганды активно взаимодействуют и связываются с множественными рецепторами поверхностных клеток посредством нескольких способов связывания. Это усиливает образование комплексов лиганд-рецептор, которые имеют решающее значение для передачи сигнала, а поливалентные лиганды способны стабилизировать и предотвращать латеральную диффузию образованных комплексов, приводящую к пролонгированному эффекту. На рис. 3 показано взаимодействие клеток с различными формами фактора роста и усиление митогенных эффектов.

Рисунок 3.

Эффекты растворимых факторов роста по сравнению с иммобилизованными факторами роста.

Чтобы эффективно получить эффект от иммобилизованных факторов роста, необходимо разработать стратегии, которые могут оптимизировать структуру, чтобы вызвать желаемый биологический ответ. Одной из проблем, с которыми сталкиваются имплантаты для функционализации поверхности, является отсутствие подходящих химических групп на поверхности. Для большей универсальности и применимости концентрации группы ОН и других реакционноспособных групп, таких как амино или карбоксильные группы, должны быть увеличены. Первоначальный органический слой, иммобилизованный на материалах имплантата, может затем использоваться в качестве связки для биомолекулярных компонентов, используемых для обеспечения прикрепления клеток.Другой вопрос, заслуживающий изучения, — это контроль удержания и / или высвобождения биомолекул с поверхности имплантата. Самый простой и наиболее распространенный метод, используемый для доставки биомолекул, — это физическая адсорбция, которая, к сожалению, обеспечивает небольшой контроль над доставкой и ориентацией биомолекул. Связывание биомолекул и использование покрытий, включающих их, были бы альтернативными методами доставки к границе раздела кость-имплант. В любом случае предпочтительный и выбранный метод иммобилизации будет зависеть от конкретного рабочего механизма биомолекул.Учитывая вышеупомянутый сценарий, поверхностная функционализация биоматериалов с целью повышения биосовместимости и содействия остеоинтеграции имеет большой потенциал в решении проблем долговечности и выживания имплантатов протезных суставов.

Методы иммобилизации в целом подразделяются на четыре категории, а именно: а) физическая адсорбция (посредством ван-дер-ваальсовых или электростатических взаимодействий), б) физический захват (использование барьерных систем), в) поперечное сшивание и г) ковалентное связывание. Выбор метода будет зависеть от природы биологически активных факторов, субстратов и их применения.Невозможно иметь универсальные средства иммобилизации, однако разработка жизнеспособной методологии, которая может обеспечить легкую, безопасную иммобилизацию с хорошим взаимодействием для ортопедических имплантатов, имеет жизненно важное значение.

3.2.1. Физическая адсорбция

Это самый простой из всех доступных методов, не влияющий на активность биологически активных факторов. Методы физической адсорбции в основном основаны на ионных и гидрофобных взаимодействиях. Если биоактивные факторы иммобилизованы посредством ионных взаимодействий, адсорбция и десорбция факторов будет зависеть от основности ионообменника.Между адсорбированными факторами и субстратами достигается обратимое динамическое равновесие, на которое влияет pH, а также ионная сила окружающей среды. Гидрофобные взаимодействия обеспечивают немного более высокую стабильность при меньшей потере факторов с поверхности субстратов. Хотя системы физической адсорбции просты в исполнении и не требуют обширной обработки используемых биоактивных факторов и субстратов, тем не менее, они имеют определенные недостатки. Эти системы страдают от низкой поверхностной нагрузки, и биомолекулы могут неконтролируемым образом десорбироваться с поверхности.

Рисунок 4.

Схематическая диаграмма, показывающая физическую адсорбционную систему с белками.

3.2.2. Физическое улавливание

Этот метод используется с барьерами, включающими природные полимеры, такие как желатин, агар и системы улавливания альгината. Другие используемые синтетические полимеры включают смолы, полиуретановые форполимеры и т. Д. Некоторые из основных ограничений системы улавливания — проблема диффузии, когда возможна медленная утечка во время непрерывного использования из-за небольшого молекулярного размера биоактивных факторов и стерических препятствий, которые могут повлиять на реактивность факторов.Недавние разработки гидрогелей и водорастворимых полимеров сделали попытку преодолеть эти недостатки и привлекли большое внимание в области биомедицины.

Рис. 5.

Схематическая диаграмма, показывающая барьерную систему с белками.

3.2.3. Сшивание

Биоактивные факторы также могут быть иммобилизованы посредством химического сшивания посредством гомо-, а также гетеробифункциональных сшивающих агентов. Среди них сшивание глутаральдегидом является наиболее популярным из-за его низкой стоимости, высокой эффективности и стабильности [58-60].Глутаральдегид часто используется как гомобифункциональный сшивающий агент, реагирующий с амином, в биохимических приложениях.

Фигура 6.

Схематическая диаграмма, показывающая сшивание глутаральдегида с белками.

3.2.4. Ковалентное связывание

Ковалентное связывание — это еще один метод, используемый для иммобилизации биоактивных молекул. Исследуемые функциональные группы обычно представляют собой карбоксильную, амино и фенольную группу тирозина. Биоактивные факторы ковалентно связаны через функциональные группы в факторах, не существенных для биоактивности.Ковалентное связывание следует оптимизировать, чтобы защитить активный сайт и не изменить его конформационную гибкость.

Рис. 7.

Схематическая диаграмма, показывающая полимеризацию дофамина при щелочном pH и сдвиг равновесия в сторону хиноновых функциональных групп для реакционной способности с белками.

3.2.5. Сравнение различных методов иммобилизации

Несколько методов иммобилизации ангиогенных факторов роста на субстратах были изучены и опубликованы [61-66].Краткое изложение короткого исследования, посвященного изучению эффективности иммобилизации VEGF с помощью различных режимов функционализации на Ti-6Al-4V, включая физическую адсорбцию, поперечное сшивание и ковалентное связывание (адаптированное для ортопедических применений), представлено здесь для оценки эффективности каждого метода. . Поскольку физический захват не подходит в этом случае для улучшения границы раздела кость-имплантат через поверхность материала имплантата, эта система не исследуется. В таблице 1 приведены параметры эффективности связывания, цитотоксичности, профиля высвобождения и количества шагов, необходимых для изготовления субстратов.

Эффективность связывания (нагрузка 50 нг) Цитотоксичность Высвобождение фактора сверхурочно Активная форма
Количество шагов, необходимых для изготовления 900
Физическая адсорбция
(через простое покрытие)
86% 0,677 «/> 30% через 1 месяц Растворимый Одностадийный
Сшивание
(через сшивание глутаральдегидом)
56% 0.449 Нет Иммобилизовано Три этапа
Ковалентное связывание
(через конъюгацию полидофамина)
52% 0,841 Нет Иммобилизовано Два шага
или наивысшая физическая адсорбция скорость связывания, однако, также наблюдалось неконтролируемое высвобождение факторов из субстрата, что может быть нежелательным [67-69]. Измерение процента факторов, высвобожденных в раствор за 30-дневный период, показало, что высвобождено более 30% факторов.В ряде исследований изучали простое покрытие или нагрузку факторов на имплантаты [67–73] для обеспечения локальной и устойчивой доставки после имплантации. Однако при использовании этой стратегии некоторые исследования показали неконтролируемый начальный всплеск кинетики высвобождения факторов из таких имплантатов [67–69]. Высокий уровень факторов в локальном микроокружении этих имплантатов может быть вредным для заживления и способствовать онкогенезу [74]. Чтобы избежать пагубных последствий, предпочтительнее использовать безопасную стратегию иммобилизации [61, 64-66].Было показано, что иммобилизация факторов роста на имплантатах способствует желаемым взаимодействиям с клеточными субстратами и улучшает функции клеток [62, 63]. Кроме того, было продемонстрировано, что иммобилизованные факторы более эффективны в стимулировании пролиферации клеток по сравнению с растворимыми факторами [65]. И иммобилизованные, и растворимые факторы связываются с рецепторами на клетках, однако они имеют разные эффекты из-за того, что растворимые факторы интернализуются и впоследствии деградируют, в то время как иммобилизация подавляет интернализацию и предотвращает подавление регуляции [64, 75], тем самым позволяя факторам стимулировать пролиферацию в течение длительного периода времени.Сравнение перекрестного сшивания и ковалентного связывания показывает, что они довольно близки с точки зрения эффективности связывания и не происходит высвобождения факторов роста в раствор, что является предпочтительной методологией.

Из показаний цитотоксичности (таблица 1) следует, что существует более низкая жизнеспособность клеток при перекрестном связывании глутаральдегида по сравнению с другими группами. Это может быть связано с тем, что глутаральдегид, как известно, токсичен и способен быстро убивать клетки, сшиваясь с их белками.Также были сообщения о его токсичности, связанной с плохим ростом, прикреплением и апоптозом клеток [58-60] другими группами. Хотя сшивание глутаральдегидом эффективно закрепляет высокую плотность факторов на поверхности титановой подложки, и молекулы также прикрепляются более прочно, чем те, которые физически адсорбируются, однако связанная с этим токсичность сделала его непригодным для клинического применения. Перспективным выглядит использование ковалентной иммобилизации полидофамином. Было обнаружено, что полидофамин способен образовывать тонкие адгезивные пленки на самых разных металлических подложках посредством ковалентных связей и различных сильных межмолекулярных взаимодействий, включая хелатирование металлов, водородные связи и π-π взаимодействия [76], которые не могут быть нарушены обычными механическими силами.Использование этого биореактивного слоя для ковалентного биоконъюгирования с биоактивными факторами в ортопедических целях имеет большой потенциал. Несмотря на то, что универсальные средства иммобилизации будут недоступны, жизненно важно разработать жизнеспособную методологию, которая могла бы обеспечить безопасную иммобилизацию с хорошим взаимодействием для ортопедических имплантатов. Выбор метода будет зависеть от природы биологически активных факторов, субстратов и их применения. Разработка процедур модификации поверхности, которые не влияют на целостность субстрата и биоактивность факторов роста, имеет решающее значение для получения желаемого эффекта функционализации поверхности.Это предоставит нам безопасный и эффективный метод прикрепления биоактивных молекул к поверхности титанового материала имплантата, обеспечивающий усиление взаимодействий между клетками и имплантатами, полезное для ортопедических применений.

4. Выводов

Существует постоянно растущая потребность в ортопедическом продвижение с высокой распространенностью и влиянием заболеваний опорно-двигательных. 50% населения мира старше 65 лет страдают заболеваниями суставов, а более 25% населения старше 65 лет нуждаются в медицинской помощи при заболеваниях суставов.Число случаев неудачной замены суставов, связанной с остеолизом и дефектами костей, увеличивается. Настоятельно необходимо повысить успешность фиксации костного имплантата и его долговечность. Фиксация ортопедических имплантатов — одна из самых сложных проблем, с которыми сталкиваются хирурги-ортопеды и пациенты. Фиксация часто может быть достигнута путем прямой биологической фиксации, позволяя тканям врастать в поверхность имплантатов, или с использованием костного цемента, действующего в качестве затирочного материала.Независимо от того, используется ли фиксация с помощью цемента или без цемента, проблемы микродвижения и образование частиц износа могут в конечном итоге потребовать дополнительной хирургии. Ревизионная операция сопряжена с повышенными рисками, такими как тромбоз глубоких вен, инфекция и вывих, а также является экономическим бременем для пациента. Следовательно, улучшение интеграции имплантата принесет огромные преимущества. Титановый сплав — один из наиболее часто используемых материалов в ортопедических имплантатах. Однако, несмотря на хорошую присущую им биоактивность и биосовместимость, проявляемые титановыми сплавами, остеоинтеграция с тканью хозяина все еще не определена, отсутствие биоактивности может иногда вызывать отказ имплантата.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *