Вісник НАН України. 2019. № 4. С. 42-49
https://doi.org/10.15407/visn2019.04.042
ХРІПТА Наталія Ігорівна —
кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник відділу фізичних основ інженерії поверхні Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
ПРОБЛЕМА БІОМЕХАНІЧНОЇ СУМІСНОСТІ МЕТАЛЕВИХ МАТЕРІАЛІВ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ШЛЯХИ ЇЇ ВИРІШЕННЯ
За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 року
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.
Ключові слова: цирконій-титанові сплави, структура, ультразвукова ударна обробка, ультрадисперсні нанозерна, деформація, окиснення, корозійна стійкість.
З розвитком сучасних технологій упродовж останніх десятиліть біоматеріалознавство набуло значного поширення. Вчені-матеріалознавці докладають великих зусиль для створення і впровадження різних металевих біоматеріалів для лікування широкого спектру захворювань людини. Остеосинтез, стентування, протезування, створення нанорозмірних порошків для транспортування ліків до хворого органа стають альтернативою традиційним медикаментозним засобам лікування (рис. 1).
Успішність лікування за допомогою біоматеріалів залежить від спроможності конструкцій з них витримувати значні функціональні навантаження, перебуваючи в агресивному біологічному середовищі (крові, слині тощо) протягом тривалого проміжку часу. Стан поверхні дентальних, ортопедичних та ендоваскулярних металевих імплантатів відіграє вирішальну роль у забезпеченні їхньої біологічної та біомеханічної сумісності з тканинами людського організму.
Основними вимогами до біологічної сумісності металевих імплантатів є: відсутність шкідливих для здоров'я пацієнта хімічних елементів, високий опір корозії в живому середовищі, відсутність або унеможливлення хімічних реакцій між матеріалом протезів і біологічними рідинами, м'якими і твердими тканинами в тілі людини. Біомеханічна складова сумісності включає: високу циклічну витривалість і втомну міцність, низький модуль пружності для запобігання можливому руйнуванню кісткової тканини, високу зносостійкість, яка унеможливлює утворення частинок під час тертя між імплантатом і тканинами організму (кісткою, хрящовою тканиною та ін.). Структурний і хімічний стан найтоншої поверхневої області шириною в декілька нанометрів визначає механізм і кінетику поверхневих процесів, які зумовлюють взаємодію поверхні сплавів з рідинами й тканинами організму людини. Отже, для металевих імплантатів важливими є дві групи властивостей — об'ємні, що забезпечують механічні характеристики, і поверхневі, що зумовлюють біосумісність з навколишнім біологічним середовищем.
Нині в біомедицині широко застосовують нержавіючі сталі, нікелід титану, кобальтові та титанові сплави. На противагу біоінертним сплавам, які капсулюються у біологічному середовищі, найбільш біосумісними, за даними з наукової літератури, є тантал, ніобій, цирконій і титан [1, 2].
Титан та сплави на його основі, зокрема Ti–6Al–4V, широко застосовують як біоматеріали завдяки їх ліпшим властивостям порівняно з нержавіючими сталями та сплавами на основі кобальту. Альтернативою є нові β-титанові сплави, що мають поліпшені властивості завдяки заміщенню шкідливих компонентів (V та Al) нетоксичними елементами, такими як Zr і Nb [3–5]. Згідно з результатами нещодавніх досліджень, осадження тонких плівок з Ti–Nb–Zr на нержавіючій сталі [6], а плівок з Zr–Nb–C–N на Ti–6Al–4V [7] істотно поліпшує біосумісність, корозійну стійкість і механічні властивості матеріалу-підкладки. Крім того, останніми роками розробляють сплави на основі цирконію (Zr–Ti [8], Zr–Nb [9], Zr–Ti–Nb [10]), які мають високий потенціал для застосувань як біомедичні матеріали; зокрема, сплав Zr–2,5Nb використовують для створення колінного імплантату та ендопротезування колінного суглоба [11, 12].
Рентгеноконтрастність металевого матеріалу, яка підвищується зі зростанням атомного номера хімічного елемента, є важливим чинником при створенні біосумісних імплантатів, оскільки сучасні методи малоінвазивного лікування потребують рентген-контролю. Цирконій/титан та сплави на їх основі мають підвищену рентгеноконтрастність порівняно з іншими матеріалами, які зараз використовують у медицині.
Розвиток магніторезонансних методів діагностики зумовлює важливість контролю магнітної сприйнятливості металевих імплантатів, яка, згідно з літературними даними, є низькою для цирконію [13].
Механічна міцність і пластичність металевих матеріалів, зокрема цирконію/титану та сплавів на їх основі, залежать від хімічного складу, режимів термічної та механічної обробки, а властива цим сплавам корозійна стійкість уможливлює їх використання для роботи в умовах дії агресивних робочих середовищ.
Добре відомо, що багато експлуатаційних характеристик металевих матеріалів залежать від структури та властивостей поверхневого шару.
Часто руйнування виробів починається з поверхневих тріщин, виникнення яких залежить від структурного стану як самої поверхні, так і приповерхневих шарів матеріалу. Тому модифікація поверхневої структури, що веде до формування нанорозмірних зерен (рис. 2а) та оксидних плівок (рис. 2б), має визначальне значення для подовження терміну служби матеріалів. У зв’язку з цим значний інтерес становлять нові технології оброблення металевих поверхонь, що забезпечують формування нанокристалічної структури в поверхневих шарах і можуть сприяти утворенню поверхневого рельєфу, який імітує природні наносистеми (рис. 2в).
Одним з найефективніших методів подрібнення зерен у поверхневих шарах металевих матеріалів є ультразвукова ударна обробка (УЗУО), яка спричиняє інтенсивну пластичну деформацію та швидку модифікацію структури і фазового складу поверхневих шарів. Нещодавно було показано успішне застосування УЗУО для модифікації структури, хімічного стану та поліпшення механічних і корозійних властивостей біомедичних сплавів Ti–6Al–4V (рис. 2) [15] та Co–Cr–Mo [16, 17].
Механізм утворення ультрадисперсних зеренних структур та їх вплив на корозійну стійкість було описано в роботах [18, 19].