Kaupallisesti puhdas titaani ja alfa{0}}beetaseos Ti-6Al-4V, jota kutsutaan kiinalaisissa standardeissa TC4:ksi, hallitsevat ortopedisten ja hammasimplanttien markkinoita alhaisen, noin 4,5 g/cm³:n tiheyden, suuren ominaislujuutensa, spontaanisti passivoitumisensa ja kudosten titaanialiteettipitoisuuden vuoksi. Useiden vuosikymmenten kliininen kokemus on kuitenkin paljastanut kolme toistuvaa heikkoutta: moduulien yhteensopimattomuudesta johtuva stressisuojaus, riittämätön kulumiskestävyys ja korroosioon liittyvä ionien vapautuminen kehon sisällä. Jokaisella vikatilalla on erilainen fyysinen syy ja se vaatii erilaisen vastatoimenpiteen.
Ongelma yksi: stressisuojaus yhteensopimattomalta elastiselta moduulilta
Ti-6Al-4V:n kimmomoduuli on noin 110 GPa, kun taas luukudoksen kimmomoduuli on suunnilleen välillä noin 10 - 30 GPa aivokuoren luun kohdalla ja paljon pienempi hohkoluun kohdalla. Ti-6Al-4V:stä valmistettu implantti on siksi noin neljästä kymmeneen kertaa jäykempi kuin kudos, jonka se korvaa. Kun laite on istutettu, se kantaa suurimman osan kuormasta, joten ympäröivä luu on suojassa mekaaniselta ärsykkeeltä, jota se tarvitsee uudistuakseen ja ylläpitääkseen itsensä. Rajapinnassa mekaaniset ominaisuudet eivät täsmää, ja koska titaani ei muodosta jatkuvaa kemiallista sidosta luun kanssa, kiinnitys perustuu mekaaniseen lukitukseen eikä todelliseen kemialliseen yhdistelmään.
Käytännön seuraukset ovat progressiivisia: rajapinnalle voi muodostua kuitumainen kudoskerros, mikroliike jatkuu kuormituksen alaisena, luun resorptio kiihtyy implantin ympärillä ja laite lopulta löystyy. Tämän kaltainen aseptinen löystäminen muodostaa edelleen suuren osan revisioleikkauksista lonkka- ja polviproteesissa. Seoksen kimmomoduulin pienentäminen tai luun kosketuspinnan lisääminen huokoisten rakenteiden avulla ovat kaksi hyväksyttyä teknistä vastausta.
Ongelma kaksi: Kulutuskestävyys ja roskien{0}}aiheuttama tulehdus
Titaaniseoksilla on suhteellisen korkea kitkakerroin ja rajoitettu liukukulumisenkestävyys. Nivelliitoksessa metallipinta hankaa toistuvasti polymeeristä tai keraamista vastapintaa ja metallia normaalisti suojaava passiivinen oksidikalvo repeytyy asperitykontaktin vaikutuksesta. Kalvo uudistuu lähes välittömästi, mutta repeämän aikana syntyvä roska yhdessä pinnasta vapautuvien metallihiukkasten kanssa saa aikaan biologisen reaktion ympäröivään kudokseen: jatkuvaa tulehdusta, estynyttä osteoblastien lisääntymistä, häiriintynyttä luun uudelleenmuodostumista ja pidemmällä aikavälillä luun resorptiota komponentin ympäriltä.
Partikkelien-indusoitu osteolyysi ja siihen liittyvä aseptinen löystyminen johtuvat siksi kulumiskyvystä ennemminkin kuin lujuudesta. Tästä syystä pinnan kovettuminen nitridauksella, anodisella hapetuksella tai kovilla pinnoitteilla arvioidaan sen tuottaman jätteen tilavuuden ja kokojakauman perusteella, ei pelkästään pinnan kovuuden perusteella, ja miksi nivelparit suunnitellaan yhä useammin siten, että mikään titaanipinta ei kulje suoraan toista metallipintaa vasten.
Kolmas ongelma: Korroosio ja ionien vapautuminen vartalonesteessä
Luonnollisissa ilmakehän olosuhteissa titaaniseos reagoi lähes välittömästi hapen kanssa muodostaen tiheän oksidikalvon. Kalvo pysyy vakaana pitkään ja estää metallin ja ilman tai veden välisen reaktion, joten titaani ja sen seokset kestävät erinomaisesti korroosiota normaalikäytössä. Fysiologinen ympäristö on paljon aggressiivisempi. Kehon neste on ilmastettua kloridiliuosta, jota pidetään noin 37 asteessa, ja tulehtuneen tai tulehtuneen kohdan ympärillä paikallinen pH voi pudota happamalle alueelle, kun taas proteiinit ja vetyperoksidi muuttavat pinnan kemiaa edelleen.
Kun metalliseos altistetaan tälle ympäristölle pitkiä aikoja, pinnan oksidikalvolla on taipumus irrota tai liueta paikallisesti, komponentin väsymiskyky heikkenee ja seosaineita, kuten alumiinia ja vanadiinia, vapautuu vähitellen runkoon. Molemmat alkuaineet liittyvät sytotoksisuusongelmiin, ja erityisesti alumiini voi häiritä apatiitin muodostumista luun pinnalla. Pitkäkestoisten implanttien osalta tämä on johtanut kehitystä kohti vanadiinitonta-ja alumiinia-vapaata kemiaa ja kohti suojapinnoitteita, jotka pitävät alustan poissa suorasta kosketuksesta kehon nesteeseen.
Lieventämisstrategiat: seosten suunnittelu ja pinnan muokkaus
Kahta toisiaan täydentävää lähestymistapaa käytetään parantamaan lääketieteellisten titaaniseosten yleistä käyttötehoa.
Seoksen koostumuksen suunnittelu ja mikrorakenteen ohjaus.Metasable beeta- ja lähes -beeta-lejeeringit, joilla on pienempi kimmokerroin, kuten Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe ja Ti-15Mo, vähentävät jäykkyyden epäsopivuutta säilyttäen samalla korkean lujuuden. Termomekaanista käsittelyä ja lämpökäsittelyä käytetään raekoon, faasifraktion ja rakenteen säätelyyn, koska nämä muuttujat säätelevät väsymislujuutta ja loven herkkyyttä sekä moduulia.
Pinnan modifiointi.Anodinen hapetus ja mikro-kaarihapetus, lämpöhapetus, hydroksiapatiitti- tai kalsiumfosfaattipinnoitteet, plasma-suihkutetut keraamikerrokset, titaaninitridi- ja timantti-hiilipinnoitteet sekä hiekkapuhallus yhdistettynä happoetsaukseen ja pintaan levitetään titaani-alloiiniin. Pintamodifikaatio säilyttää substraatin suotuisat mekaaniset ja biologiset ominaisuudet ja parantaa merkittävästi kliinistä suorituskykyä, minkä vuoksi se herättää nyt yhä enemmän huomiota biolääketieteen alalla.
Implanttien materiaalin valinta ilmaistaan yleensä tunnustetuilla spesifikaatioilla: seostamaton titaani standardin ASTM F67 tai ISO 5832-2 mukaisesti, muokattu Ti-6Al-4V standardin ASTM F1472 tai ISO 5832-3 mukaisesti, erittäin matala interstitiaalinen Ti-6Al-4V ELI standardin ASTM F67 tai ASTM F136 mukaan, Ti-1313b Ti-12Mo-6Zr-2Fe ASTM F1813:lla ja Ti-15Mo ASTM F2066:lla.
Moduuli- ja spesifikaatioiden vertailu
| Materiaali | Likimääräinen kimmomoduuli | Keskeinen ominaisuus | Tyypillinen spesifikaatio |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V (TC4) | noin 110 GPa | Vahva alfa{0}}beta-työhevonen, alhaisemmat kustannukset | ASTM F1472, ISO 5832-3 |
| Ti-6Al-4V ELI | noin 110 GPa | Erittäin-vähäiset välimainokset, parempi väsymys- ja murtolujuus | ASTM F136 |
| Ti-13Nb-13Zr | noin 79 GPa | Lähes-beta, matala moduuli, vanadiiniton | ASTM F1713 |
| Ti-12Mo-6Zr-2Fe | noin 74-88 GPa | Beta-seos, jossa yhdistyy matala moduuli ja korkea lujuus | ASTM F1813 |
| Ti-15Mo | noin 102 GPa | Beta-seos, jolla on hyvä korroosionkestävyys | ASTM F2066 |
Moduuliarvot ovat tyypillisiä kirjallisuuden lukuja hehkutetulle tai liuoskäsitellylle tilalle ja vaihtelevat faasisisällön ja käsittelyhistorian mukaan. Ehdokasmateriaalin arvioinnissa tulisi siksi yhdistää kemiallinen analyysi, mikrorakenteen tutkimus, väsymystestaus simuloidussa ruumiinnesteessä ja sähkökemiallinen korroosiotesti, koska kehon -suorituskyky riippuu substraatin kemian ja pinnan tilan yhdistelmästä eikä pelkästään moduulista.
Usein kysytyt kysymykset
K: Miksi Ti-6Al-4V aiheuttaa stressisuojauksen?
Sen noin 110 GPa:n kimmokerroin on noin neljästä kymmenen kertaa luun verrattuna, joten implantti kantaa kuorman ja ympäröivä luu menettää tarvitsemansa mekaanisen ärsykkeen, imeytyy ja lopulta löystyy.
K: Mitkä lääketieteellisen titaanin seosaineet ovat huolestuttavia?
Alumiini ja vanadiini. Kun oksidikalvo hajoaa, ne voivat vapautua kudokseen ja aiheuttaa sytotoksisuusongelmia, joten vanadiinittomat-ja alumiini{2}}vapaat seokset ovat edullisia pitkäaikaisissa-implanteissa.
K: Onko titaani korroosionkestävä ihmiskehon sisällä?
Tiheä oksidikalvo on stabiili tavallisissa olosuhteissa, mutta kloridi{0}}rikas ruumiinneste kehon lämpötilassa ja paikallisesti alentuneessa pH:ssa voi liuottaa tai kuoria sen paikallisesti, mikä heikentää väsymiskykyä ja vapauttaa ioneja.
K: Kuinka titaani-implantti kiinnitetään luuhun?
Pääasiassa mekaanisen lukituksen ja pintatopografian avulla, koska luun kanssa ei muodostu jatkuvaa kemiallista sidosta; pintakäsittelyjä käytetään parantamaan kontaktia ja luun kiinnitystä.
K: Mitkä pintakäsittelyt parantavat kliinistä suorituskykyä?
Anodinen hapetus, mikro-kaarihapetus, lämpöhapetus, hydroksiapatiitti- ja kalsiumfosfaattipinnoitteet, titaaninitridi- tai timantti-kaltaiset hiilikerrokset ja hiekkapuhallus happoetsauksella.
K: Voidaanko implanttilejeeringin moduulia alentaa?
Kyllä. Beta-lejeeringit, kuten Ti-13Nb-13Zr, Ti-12Mo-6Zr-2Fe ja Ti-15Mo, vähentävät moduulia noin 74-102 GPa:iin verrattuna Ti-6Al-4V:n noin 110 GPa:iin.
