Biomateriały 2

Biomateriały metaliczne

Biomateriały metaliczne mającą szerokie zastosowanie w
implantologii. Najczęściej stosuje się stopy:
• tytanu,
• kobaltu,
• stale nierdzewne,
• a także w zastosowaniach stomatologicznych stopy złota, platyny i

rtęci (amalgamaty)

Biomateriały metaliczne - właściwości

Specjalnie dla tej grupy biomateriałów opracowano wymagania ujęte
w odpowiednich normach. Są to:

• odpowiedni skład chemiczny i fazowy,
• mały udział dyspersyjnych wtrąceń niemetalicznych,
• drobnoziarnistość struktury,
• odpowiedni zespół właściwości mechanicznych,
• dobra odporność na korozję,
• określona jakość powierzchni,
• dobra biotolerancja,
• brak tendencji do tworzenia zakrzepów,
• odpowiednie właściwości elektryczne i magnetyczne.

Dodatkowo, ze względów ekonomicznych można wymienić możliwy
do przyjęcia koszt biomateriału oraz koszt wytworzenia implantu.

Biomateriały metaliczne – przykłady implantów

Biomateriały metaliczne – przykłady implantów

Tytan i jego stopy

W przyrodzie tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych:
• niskotemperaturowej Ti

a

(a),

• wysokotemperaturowej Ti

b

(b).

Liczba atomowa

22

Masa atomowa

47,9

Gęstość [g/cm

3

]

4,54

Temperatur
topnienia [°C]

1668

Temperatur
parowania [°C]

3260

Moduł Younga [GPa]

105

Wybrane właściwości tytanu

Tytan i jego stopy

Jedną z cech przesądzających o zastosowaniu tytanu w medycynie jest jego
bardzo dobra odporność korozyjna czasami porównywana nawet z
odpornością korozyjną platyny.

Metal ten wykazuje dużą skłonność do samopasywacji.
Warstwa tlenków na tytanie jest szczelna, zwarta i morfologicznie jednorodna.
Dzięki temu ogranicza kontakt metalu z elektrolitem. Zabezpiecza przed
dalszym utlenianiem, mimo że jest stosunkowo cienka (1,8 – 10 nm).
Charakteryzuje się większą odpornością korozyjną niż warstwy pasywne na
żelazie, chromie czy niklu. Jest trwała do temperatury 535°C.

Warstwa pasywna zbudowana jest z dwóch części:
wewnętrznej – utworzonej z niestechiometrycznych tlenków typu TiO

2-x

,

zewnętrznej – utworzonej z amorficznego TiO

2

.

Tytan i jego stopy

Tytan odporny jest na wilgotne środowisko zawierające chlor i
roztwory chlorków: NaCl, KCl, Mg

2

Cl, NH

4

Cl, CuCl

2

, ZnCl

2

,FeCl

3

,

a także wodę morską, kwas azotowy, dwutlenek siarki,
amoniak i inne.

Na tytan działają związki zawierające fluor a przede wszystkim
kwas fluorowodorowy
(pasta do zębów)

Wysoką odporność korozyjną zachowują stopu tytanu.

Wadą tytanu jest jego słaba odporność na ścieranie.

Otrzymywanie tytanu

metoda Krolla

Tytan i jego stopy

Wpływ pierwiastków stopowych na zakres występowania faz a i b.

Tytan i jego stopy

Najbardziej popularnym stopem tytanu z aluminium i wanadem jest stop o

stechiometrii Ti-6Al-4V (znany również jako Grade 5, Ti-64, Protasul 64WF).

Stop ten został opracowany na potrzeby przemysłu lotniczego.

Jest to stop dwufazowy

a

+

b

. Otrzymuje się go przez wprowadzenie dodatku

aluminium stabilizującego fazę

a

, a następnie wanadu stabilizującego fazę

b

.

Aluminium zmniejsza ciężar właściwy stopu, polepsza jego obrabialność i
umacnia fazę

a

. Podobnie jak wanad obniża temperaturę przemiany

martenzytycznej.

Dodatki stopowe znacznie poprawiają właściwości mechaniczne w porównaniu
do czystego tytanu. Zmieniać je można również za pomocą obróbki cieplnej i
plastycznej.

Stop ten doskonale łączy świetne właściwości korozyjne tytanu z bardzo
dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi.

Stopy tytanu

Od lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku zaczęto go stosować w alloplastyce
stawu biodrowego.
Z punktu widzenia biomateriałów skład chemiczny tego stopu jest poważną
wadą. Zarówno wanad jak i aluminium mają niepożądany wpływ na zdrowie
człowieka.

Mogą powodować chorobę Alzheimera, neuropatię

1

i osteomalację

2

. Wanad

uważany jest za pierwiastek toksyczny dla ludzkiego organizmu. Przedostaje
się do tkanek z produktu korozji biologicznej jakim jest pięciotlenek wanadu
V

2

O

5

.

Aby temu zapobiec opracowano tzw. stopy bezwanadowe np. Ti-6Al-7Nb.

1 Neuropatia – choroba nerwów obwodowych, zapalenie nerwów obwodowych. Zaburza przewodzenie
informacji ruchowych i czuciowych, wywołuje takie objawy jak: ból, drętwienie, mrowienie, palenie
kończyn, wrażenie osłabienia kończyn.
2 Osteomalacja – ciężka choroba układu kostnego polegająca na utracie wapnia i fosforu z tkanki kostnej
– niedostateczna mineralizacja kości. Nazywana również rozmiękaniem kości lub krzywicą dorosłych.

Tytan i jego stopy

Materiał

E

[GPa]

R

m

[MPa]

Ti-13Nb-13Zr kuty

79–84

973–1037

Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF)

74–85

1060–110

Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT)

55

596

Ti-29Nb-13Ta-4,6Zr

65

911

Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0,4O (TNZTO)

66

1010

Ti-15Mo-5Zr-3Al

82

-

Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0,2Pd
wyżarzony zmiękczająco

94

714

Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0,2Pd
przesycony i starzony

99

919

Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0,2Pd-0,2O-0,05N
wyżarzony zmiękczająco

92

881

Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0,2Pd-0,2O-0,05N
przesycony i starzony

97

1026

Wybrane właściwości biomateriałów tytanowych nowej generacji

Tytan i jego stopy

Nitinol

Tytan i jego stopy

Tytan i jego stopy

SR-71B Blackbird

Tytan i jego stopy

Kobalt i jego stopy

Kobalt wykazuje dwie odmiany alotropowe.
W temperaturze pokojowej występuje odmiana α o sieci
heksagonalnej A3, a w temperaturze wyższej od 417°C – odmiana
β o sieci regularnej ściennie centrowanej typu A1.

Liczba atomowa Co wynosi 27, masa atomowa – 58,9332, a
gęstość – 8,832 g/cm3.

Temperatura topnienia Co 1494°C, a temperatura wrzenia 2900°C.

Kobalt i jego stopy

Wytrzymałość kobaltu na rozciąganie waha się od 235 do 945 MPa w
zależności od tego czy jest odlewany czy przetapiany strefowo. Moduł
sprężystości wzdłużnej przy rozciąganiu wynosi 211 GPa.

Kobalt charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję atmosferyczną,
w środowiskach wód gruntowych, siarkowodoru, wodorotlenków sodu
i potasu, ulegając korozji pod działaniem chloru, bromu, amoniaku i
dwutlenku siarki.

Jest stosowany do elektrolitycznego powlekania metali i stopów o dużej
odporności na korozję, jako lepiszcze w produkcji węglików spiekanych
oraz jako dodatek stopowy w stalach szybkotnących, stopach na
magnesy oraz stopach żarowytrzymałych.

Kobalt i jego stopy

Kobalt i jego stopy

Kobalt i jego stopy

Dwuskładnikowe stopy kobaltu nie znalazły szerszego zastosowania.
Żarowytrzymałe stopy kobaltu zawierają zwykle kilka spośród
następujących pierwiastków: Fe, Ni, Si, Mn, Ti, W, V, Be, Ta oraz C, B
lub N.

Stosowane są przeważnie w stanie lanym, głownie na elementy
maszyn do pracy w podwyższonej temperaturze. Stopy te poddaje się
utwardzaniu wydzieleniowemu z przesycaniem w wodzie z
temperatury 1000÷1100°C i starzeniem przez ok. 50 h w temperaturze
700÷800°C.

Kobalt jest głównym lub jednym z kilku składników stopu na magnesy
trwałe. Stopy te mają dużą indukcję nasycenia, średnią przenikalność
magnetyczną i wysokie własności wytrzymałościowe.

Kobalt i jego stopy

Jako biomateriał – głównie stop Co-Cr-Mo