Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення
За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 року
DOI:
https://doi.org/10.15407/visn2019.04.042Ключові слова:
цирконій-титанові сплави, структура, ультразвукова ударна обробка, ультрадисперсні нанозерна, деформація, окиснення, корозійна стійкістьАнотація
Проаналізовано вимоги до властивостей металевих біоматеріалів з огляду на їхню біохімічну/біомеханічну сумісність, високу рентгеноконтрастність і знижену магнітну сприйнятливість. Встановлено, що за допомогою цілеспрямованого легування та/або термомеханічного оброблення можна досягти прийнятних характеристик біосумісності металевих матеріалів. Розроблено метод ультразвукової ударної обробки (УЗУО) для наноструктуризації та механохімічного окиснення поверхневих шарів металів і сплавів інтенсивною пластичною деформацією. Ефективність методу проілюстровано експериментальними результатами з підвищення корозійної стійкості, величини оборотної деформації й опору втомі за циклічних навантажень сплавів Zr1Nb, Ti6Al4V, ZrTiNb, ZrTiNbTa. Показано переваги ультразвукової ударної обробки в розв'язанні проблеми біомеханічної сумісності металевих матеріалів.
Посилання
Kuroda. D., Niinomi M., Morinaga M., KatoY., Yashiro T. Design and mechanical properties of new β type titanium alloys for implant materials. Mater. Sci. Eng. A. 1998. 243(1-2): 244. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00808-3
Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials. Mater. Sci. Eng. R. 2015. 87: 1. https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.10.001
Khan M.A., Williams R.L., Williams D.F. The corrosion behaviour of Ti–6Al–4V, Ti–6Al–7Nb and Ti–13Nb–13Zr in protein solutions. Biomaterials. 1999. 20(7): 631. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(98)00217-8
Martins D.Q., Souza M.E.P., Souza S.A., Andrade D.C., Freire M.A., Caram R. Solute segregation and its influence on the microstructure and electrochemical behavior of Ti–Nb–Zr alloys. J. Alloys Compd. 2009. 478(1-2): 111. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.11.030
Eisenbarth E., Velten D., Müller M., Thull R., Breme J. Biocompatibility of β-stabilizing elements of titanium alloys. Biomaterials. 2004. 25(26): 5705. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.01.021
Tallarico D.A., Gobbi A.L., Paulin Filho P.I., Maia da Costa M.E.H., Nascente P.A.P. Growth and surface characterization of TiNbZr thin films deposited by magnetron sputtering for biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C. 2014. 43: 45. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.07.013
Cotrut C.M., Balaceanu M., Titorencu I., Braic V., Braic M. ZrNbCN thin films as protective layers in biomedical applications. Surf. Coat. Technol. 2012. 211: 57. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.08.016
Hsu H.-C., Wu S.-C., Sung Y.-C., Ho W.-F. The structure and mechanical properties of as-cast Zr–Ti alloys. J. Alloys Compd. 2009. 488 (1): 279. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.105
Khripta N.I., Mordyuk B.N., Karasevskaya O.P. et al. Effect of structural and phase transformations induced by ultrasonic impact peening on the corrosion resistance of Zr-based alloys. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2008. 30: 369 (in Russian).
Aguilar Maya A.EGrana., D.R., Hazarabedian A., Kokubu G.A., Luppo M.I. Vigna G. Zr–Ti–Nb porous alloys for biomedical application. Mater. Sci. Eng. C. 2012. 32(2): 321. https://doi.org/10.1016/j.msec.2011.10.035
Hernigou P., Mathieu G., Poignard A., Filippini P., Demoura A. Oxinium, a new alternative femoral bearing surface option for hip replacement. Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2007. 17(3): 243. https://doi.org/10.1007/s00590-006-0180-2
Sonntag R., Reinders J., Kretzer J.P. What’s next? Alternative materials for articulation in total joint replacement. Acta Biomater. 2012. 8(7): 2434. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.03.029
Nomura N.et.al. Proc. of Eighteenth International Conference on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM-XVIII). 2009. 3: 1205.
Bauer S., Schmuki P., von der Mark K., Park J. Engineering biocompatible implant surfaces. Part I: Materials and surfaces. Progress Mater. Sci. 2013. 58(3): 261. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2012.09.001
Dekhtyar A.I., Mordyuk B.N., Savvakin D.G., Bondarchuk V.I., Moiseeva I.V., Khripta N.I. Enhanced fatigue behavior of powder metallurgy Ti-6Al-4V alloy by applying ultrasonic impact treatment. Mater. Sci. Eng. A. 2015. 641: 348. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.06.072
Petrov Yu.N., Prokopenko G.I., Mordyuk B.N., Vasylyev M.A., Voloshko S.M., Skorodzievski V.S., Filatova V.S. Influence of microstructural modifications induced by ultrasonic impact treatment on hardening and corrosion behavior of wrought Co-Cr-Mo biomedical alloy. Mater. Sci. Eng. C. 2016. 58: 1024. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.09.004
Chenakin S.P., Filatova V.S., Makeeva I.N., Vasylyev M.A. Ultrasonic impact treatment of CoCrMo alloy: Surface composition and properties. App. Surf. Sci. 2017. 408: 11. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.03.004
Mordyuk B.N., Karasevskaya O.P., Prokopenko G.I., Khripta N.I. Ultrafine-grained textured surface layer on Zr–1%Nb alloy produced by ultrasonic impact peening for enhanced corrosion resistance. Surf. Coat. Technol. 2012. 210: 54. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.08.063
Mordyuk B.M., Karasevska O.P., Khripta N.I., Prokopenko G.I., Vasylyev M.O. Structural Dependence of Corrosion Properties of Zr—1.0% Nb Alloy in Saline Solution. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2014. 36(7): 917. https://doi.org/10.15407/mfint.36.07.0917
Vasylyev M.A. Chenakin S.P., Yatsenko L.F. Ultrasonic impact treatment induced oxidation of Ti6Al4V alloy. Acta Materialia 2016. 103: 761. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.10.041
Chenakin S.P., Mordyuk B.N., Khripta N.I. Surface characterization of a ZrTiNb alloy: Effect of ultrasonic impact treatment. App. Surf. Sci. 2019. 470: 44. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.116
United States Patent 7473278. Hunter G., Jani S.C., Pawar V. Method of surface oxidizing zirconium and zirconium alloys and resulting product. Pub. Date: 01.06.2009.
Timoshevskii A.N., Yablonovskii S.O., Ivasishin O.M. First principles calculations atomic structure and elastic properties of Ti-Nb alloys. Functional Materials. 2012. 19(2): 266.
Lee H., Kim D., Jung J., Pyoun Y., Shin K. Influence of peening on the corrosion properties of AISI 304 stainless steel. Corros. Sci. 2009. 51(12): 2826. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2009.08.008
Ivasishin O.M., Popov A.A., Karasevska O.P., Markovskyy P.E., Mordyuk B.M., Skiba I.O., Illarionov A.G. Formation of Nanostructured omega-Phase in Deformed Metastable beta-Alloys Based on Ti and Zr. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2011. 33(5): 675.
Patent of Ukraine No. 84993. Mordyuk B.N., Prokopenko G.I., Khripta N.I. et al. Method of ultrasonic surface treatment of long products. Pub. Date: 10.12.2008.
