Перспективы использования низкомодульных сплавов системы Ti-(15-20)Nb-(5-10)Ta для создания имплантатов в травматологии и ортопедии. Доклиническое исследование
Автор: Ошкуков Сергей Александрович, Баикин Александр Сергеевич, Галкин Анатолий Гериевич, Глазкова Полина Александровна, Шавырин Дмитрий Александрович, Волошин Виктор Парфентьевич, Шевырев Константин Васильевич, Бирюкова Татьяна Александровна, Дементьев Иван Михайлович, Петрицкая Елена Николаевна, Колмаков Алексей Георгиевич, Насакина Елена Олеговна, Конушкин Сергей Викторович, Каплан Михаил Александрович, Сергиенко Константин Владимирович, Севостьянов Михаил Анатольевич
Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii
Рубрика: Оригинальные статьи
Статья в выпуске: 6 т.28, 2022 года.
Бесплатный доступ
Цель. Изучение механических и биологических свойств пяти вариантов сплавов системы Ti-Nb-Ta. Материалы и методы. Получены пять сплавов из системы: Ti-(15-20)Nb-(5-10)Ta (ат. %). Проведены их механические испытания путем растяжения на универсальной испытательной машине INSTRON 3382 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Произведена оценка биологоческих свойств полученных сплавов в экспериментах in vivo на белых аутбредных мышах-самцах JCR. Гистологическое исследование тканей оперированной конечности с имплантатом, почек и печени проводилось в трех временных точках: на 1, 4, 12 неделе после операции. Результаты. Образцы показали пластичность от 11,5 до 14,6 %, прочность от 549 до 673 МПа и модуль Юнга от 42 до 50 ГПа. Предел текучести также изменяется в зависимости от состава сплава в пределах 188 - 572 МПа. Воспалительная реакция была наименее выражена в группах, где имплантировали сплавы Ti-20Nb-5Ta и Ti-15Nb-10Ta. Дискуссия. В сравнении с широко используемым сплавом TiAl6V4 полученные сплавы примерно соответствуют по пластичности и обладают примерно в 2 раза меньшим модулем Юнга, что должно обеспечить лучшую биомеханическую совместимость между имплантатом и окружающими его биологическими тканями, препятствуя эффекту защиты от стресса и, соответственно, резорбции кости. Относительно низкий предел прочности полученных сплавов не снижает обозначенного выше преимущества перед TiAl6V4, так как данной прочности вполне хватает для предлагаемого применения. При гистологическом исследовании интенсивность локальной воспалительной реакции в новых сплавах выше, чем при применении TiAl6V4, что требует дальнейшего изучения и могло быть связано с малым количеством наблюдений. Выводы. Путь создания титановых сплавов с низким модулем Юнга может решить проблему биомеханической совместимости имплантата с окружающими тканями. Полученные и описанные сплавы системы Ti-Nb-Ta показали требуемые механические и, по первичной оценке, приемлемые биологические свойства, требующие дальнейшего более широкого исследования.
Титановый сплав, система ti-nb-ta, биосовместимость, механические свойства, исследования in vivo, модуль юнга, биомеханическая совместимость
Короткий адрес: https://sciup.org/142236811
IDR: 142236811 | DOI: 10.18019/1028-4427-2022-28-6-830-836
Список литературы Перспективы использования низкомодульных сплавов системы Ti-(15-20)Nb-(5-10)Ta для создания имплантатов в травматологии и ортопедии. Доклиническое исследование
- Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility / X.P. Tan, YJ. Tan, C.S.L. Chow, S.B. Tor, W.Y. Yeong // Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2017. Vol. 76. P. 1328-1343. DOI: 10.1016/j.msec.2017.02.094.
- Biomechanical analysis of the osseointegration of porous tantalum implants / D. Fraser, P. Funkenbusch, C. Ercoli, L. Meirelles // J. Prosthet. Dent. 2020. Vol. 123, No 6. Р. 811-820. DOI: 10.1016/j.prosdent.2019.09.014.
- Novel adaptive finite element algorithms to predict bone ingrowth in additive manufactured porous implants / V.S. Cheong, P. Fromme, A. Mumith, M.I. Coathup, G.W. Blunn // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2018. Vol. 87. P. 230-239. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.07.019.
- Aherwar A., Singh A.K., Patnaik A. Cobalt based alloy: A better choice biomaterial for hip implants // Trends Biomater. Artif. Organs. 2016. Vol. 30, No 1. Р. 50-55.
- Hybrid fracture fixation systems developed for orthopaedic applications: A general review / L. Tian, N. Tang, T. Ngai, C. Wu, Y. Ruan, L. Huang, L. Qin // J. Orthop. Translat. 2018. Vol. 16. Р. 1-13. DOI: 10.1016/j.jot.2018.06.006.
- Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: а review / M.P. Staiger, A.M. Pietak, J. Huadmai, G. Dias // Biomaterials. 2006. Vol. 27, No 9. P. 1728-1734. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2005.10.003.
- Results of titanium locking plate and stainless steel cerclage wire combination in femoral fractures / B.F. El-Zayat, S. Ruchholtz, T. Efe, J. Paletta, D. Kreslo, R. Zettl // Indian J. Orthop. 2013. Vol. 47, No 5. P. 454-458. DOI: 10.4103/0019-5413.118200.
- New developments of Ti-based alloys for biomedical applications / Y. Li, C. Yang, H. Zhao, S. Qu, X. Li, Y. Li // Materials (Basel). 2014. Vol. 7, No 3. Р. 1709-1800. DOI: 10.3390/ma7031709.
- The processing of pure titanium through multiple passes of ECAP at room temperature / X. Zhao, X. Yang, X. Liu, X. Wang, T.G. Langdon // Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 527, No 23. P. 6335-6339. DOI: 10.1016/j.msea.2010.06.049.
- Microstructure and mechanical behavior of metal injection molded Ti-Nb binary alloys as biomedical material / D. Zhao, K. Chang, T. Ebel, M. Qian, R. Willumeit, M. Yan, F. Pyczak // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2013. Vol. 28. Р. 171-182. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2013.08.013.
- Titanium alloy mini-implants for orthodontic anchorage: Immediate loading and metal ion release / L.S. Morais, G.G. Serra, C.A. Muller, L.R. Andrade, E.F. Palermo, C.N. Elias, M. Meyers // Acta Biomater. 2007. Vol. 3, No 3. P. 331-339.
- Ghosh S.K., Saha R., Saha B. Toxicity of inorganic vanadium compounds // Research on Chemical Intermediates. 2014. Vol. 41. P. 4873-4897. DOI: 10.1007/s11164-014-1573-1.
- Birchall J.D., Chappell J.S. Aluminium, chemical physiology, and Alzheimer's disease // Lancet. 1988. Vol. 2, No 8618. P. 1008-1010. DOI: 10.1016/ s0140-6736(88)90754-4.
- Chao Q., Hodgson P.D., Beladi H. Ultrafine grain formation in a Ti-6A1-4V alloy by thermomechanical processing of a martensitic microstructure // Metallurgical and Materials Transactions A. 2014. Vol. 45, No 5. DOI: 10.1007/s11661-014-2205-5.
- Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2008. Vol. 1, No 1. P. 30-42. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2007.07.001.
- Development of bio-compatible refractory Ti/Nb(/Ta) alloys for application in patient-specific orthopaedic implants / M. Weinmann, C. Schnitter, M. Stenzel, J. Markhoff, C. Schulze, R. Bader // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2018. Vol. 75. DOI: 10.1016/j. ijrmhm.2018.03.018.
- Niinomi M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods // Science and Technology of Advanced Materials. 2003. Vol. 4, No 5. P. 445-454. DOI: 10.1016/j.stam.2003.09.002.
- Fabrication, characterization and in vitro biocompatibility evaluation of porous Ta-Nb alloy for bone tissue engineering / H. Wang, J. Li, H. Yang, C. Liu, J. Ruan // Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2014. Vol. 40. P. 71-75. DOI: 10.1016/j.msec.2014.03.031.
- Microstructure, mechanical behavior and biocompatibility of powder metallurgy Nb-Ti-Ta alloys as biomedical material / J. Liu, L. Chang, H. Liu, Y. Li, H. Yang, J. Ruan // Mater. Sci. Eng. C. Mater Biol. Appl. 2017. Vol. 71. P. 512-519. DOI: 10.1016/j.msec.2016.10.043.
- Применение индивидуальных вертлужных компонентов в эндопротезировании тазобедренного сустава при посттравматическом коксар-трозе / Н.С. Николаев, Л.И. Малюченко, Е.В. Преображенская, А.С. Карпухин, В.В. Яковлев, А.Л. Максимов // Гений ортопедии. 2019. Т. 25, № 2. С. 207-213.
- Что изменилось в структуре ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава в последние годы? / И.И. Шубняков, Р.М. Тихилов, А.О. Денисов, М.А. Ахмедилов, А.Ж. Черный, З.А. Тотоев, А.А. Джавадов, А.С. Карпухин, Ю.В. Муравьёва // Травматология и ортопедия России. 2019. Т. 25, № 4. С. 9-27.
- Аддитивные технологии у пациентов с обширными дефектами костей нижних конечностей / В.П. Волошин, А.Г. Галкин, С.А. Ошкуков, С.А. Санкаранараянан, Е.В. Степанов, А.А. Афанасьев // Гений ортопедии. 2021. Т. 27, № 2. С. 227-231.
