Применение наводороженных титановых порошков для получения вакуумным спеканием пористых покрытий на хирургических имплантатах

Современная ортопедия и хирургия предъявляют высокие требования к применяемым в протезировании металлическим материалам: экстремальной химической инертности, биологической совместимости с живыми тканями, высокого

Астанин Владимир Васильевич, д.ф.-м.н., профессор кафедры материаловедения и физики металлов, Уфа Каюмова Эльвира Зинфировна, аспирант кафедры материаловедения и физики металлов, Уфа Никитин Валентин Викторович, д.м.н., профессор кафедры травматологии и ортопедии, Уфа Фархетдинов Айрат Илдарович, студент кафедры материаловедения и физики металлов, Уфа уровня механических свойств и надежности. Только такой подход позволит избегать различного рода послеоперационных осложнений и повторных операций в случае абсцессов, коррозии или разрушения имплантатов [5]. Особенно высокие требования предъявляются к имплантатам, предназначенным для остеоинтеграции, когда имплантат устанавливается на длительный срок или пожизненно.

В современной медицине в качестве материалов для изготовления имплантатов широко используются титан и его сплавы благодаря высокой коррозионной стойкости, малому удельному весу, высокой прочности и низкому модулю упругости [2, 6, 7], приближенному к свойствам кости, что обеспечивает механическую совместимость.

С целью повышения потребительских свойств медицинских материалов, в том числе имплантатов для травматологии и ортопедии, применяют различные виды обработки поверхности, в частности, используется метод порошковой металлургии для нанесения пористых покрытий [4]. Пористая структура поверхности позволяет увеличить площадь взаимодействия имплантата с костной тканью и повышает прочность соединения. На процесс остеоинтеграции, в случае пористой поверхности имплантата, большое влияние оказывают форма и размеры пор. В работе [4] исследовали способность врастания костных тканей в пористые имплантаты из сферических и губчатых порошков титана. Авторы отмечают, что к поверхности губчатых порошков титана костные ткани прирастают плотно, а от гладкой поверхности сферической частицы легко отслаиваются. Но, как известно, пористые поверхности могут провоцировать усталостные разрушения.

Усталостное разрушение является одной из важных проблем при эксплуатации имплантатов. Установленные на длительный срок имплантаты в процессе движения тела испытывают многократные циклические нагрузки, а нахождение металлических материалов длительное время в жидкой солевой среде провоцирует зарождение усталостных трещин на поверхности.

На рис. 1 приведены пример усталостного разрушения ортопедических имплантатов и микроструктура поверхности изломов. Исследование изломов показало, что независимо от материала имплантата причиной разрушения является усталость материала. Стрелками показаны бороздки, характерные для усталостного разрушения.

Таким образом, к состоянию поверхности имплантата возникают взаимоисключающие требования: с одной стороны, развитая шероховатость и пористость, с другой – стойкость к зарождению усталостных трещин, которые при изгибных нагрузках обычно возникают на шероховатых поверхостях. Решением проблемы может стать получение специальной формы шероховатости, минимизирующей концентрацию напряжений на поверхности.

В настоящей работе методом математического моделирования проведена оценка концентрации напряжений для различных форм шероховатости, а затем предложен путь для получения оптимальной структуры поверхности.

Моделирование и расчет механических напряжений

Для определения влияния различной формы шероховатости поверхности на распределение и на величину напряжений при изгибе использовали математическое моделирование методом конечных элементов с помощью пакета ANSYS . Приложенная нагрузка на образцы (50 Н), как и прочие условия, были одинаковыми.

На рис. 2 представлено распределение напряжений σ х , оказывающих наибольшее влияние на зарождение усталостных трещин. Анализ результатов моделирования показал, что наименьшее значение концентрации напряжений создают грибовидные наросты на поверхности (рис. 2, г ). Следовательно, оптимальную форму

а

б

в

Рис. 1. Усталостное разрушение медицинских имплантатов из титанового сплава Ti-6Al-4V (ВТ6) ( а ); нержавеющей стали 316L (03Х17Н14М3) ( б ) и микроструктура изломов ( в , г ) соответственно

г

шероховатости могут придать частицы, соединенные перешейком с основанием имплантата. В то же время этот вид поверхности должен обладать достаточной прочностью на срез, что определяется прочностью материала, количеством наростов на единицу площади поверхности и диаметром перешейков.

P т=   ,--[4                                   (1)

n • F где P – нагрузка, Н; n – количество перемычек; F – площадь поперечного сечения перешейка, мм2, в предположении, что его форма в сечении круглая, F =πd²/4.

В работе [4] показано, что достаточная прочность соединения имплантата с костной тканью соответствует напряжению среза 27 Н/мм². Учитывая среднее значение предела прочности технически чистого титана 353 МПа, получим допустимое напряжение на срез перешейков: [т] < 0,6, ст В = 212 МПа. Отсюда относительная площадь, занятая перешейками, должна быть не менее 12,8 %.

Подобного вида структуру можно получить путем диффузионного спекания порошков с гладкой поверхностью основания имплантата. При этом необходимо получить определенный размер и форму пор, перешейков и других элементов структуры. Регулировать эти параметры можно подбором температуры и времени спекания. Однако следует учитывать, что чрезмерное увеличение температуры и времени выдержки приводит к огрублению микроструктуры основания и, как следствие, к снижению усталостной прочности [1]. Известно, что улучшить результат диффузионной сварки можно за счет предварительного растворения в титане

б

в                                                    г

Рис. 2. Напряженное состояние образцов с различной шероховатостью поверхности (внизу дана цветовая шкала величин эквивалентных напряжений, МПа)

некоторого количества водорода [3]. С этой целью проведены эксперименты по диффузионному спеканию титановых порошков, в том числе содержащих водород, с образцами из титанового сплава.

Материал и методика исследований

Эксперименты по диффузионной сварке основы из титанового сплава ВТ6 с порошком титана ВТ1-0 и Ti-H проводились с помощью установки для изотермической вакуумной формовки и отжига «ФерриВатт», величина вакуума 10–5 мм рт. ст. Сварка проводилась при температурах 700, 800, 900 и 950 ºС, время выдержки при постоянном давлении составляло 2 и 4 ч, охлаждение с печью. Образцы для подложки из сплава ВТ6 имели форму пластины с размерами 17×17×3 мм. Размер частиц порошка технически чистого титана (Ti) и титана с растворенным в нем водородом (Ti-H) составлял 576 и 6 мкм соответственно. Порошок насыпался на поверхность отполированного и обезжиренного образца, а сверху придавливался плоским грузом массой 1,5 кг.

Микроструктуру в вертикальном сечении образца, запрессованного в полимер, исследовали с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX 51. С целью повышения контраста изображения шлифы не подвергали травлению. Относительную площадь перешейков оценивали по их относительной ширине в плоскости шлифа, что при достаточной статистике измерений вполне адекватно.

Результаты экспериментов и обсуждение

При температуре 700 ºС независимо от времени выдержки и присутствия водорода диффузионное соединение не образуется. Повышение температуры до 800 ºС и выше привело к появлению перешейков между частицами и подложкой (рис. 3), а также между самими частицами.

Можно выделить следующие особенности. Порошок Ti (см. рис. 3, а ) при 900 ºС (2 часа) сваривается таким образом, что в зоне контактных перешейков остаются острые краевые углы с довольно острыми вершинами. Подобная конфигурация вызывает высокую концентрацию напряжений в вершинах углов и приводит к снижению прочности соединений. Повышение времени спекания (4 часа) и температуры до 950 ºС (рис. 3, б ) несколько увеличивает радиусы закругления при вершинах краевых углов, но радикально конфигурацию не меняет.

Результат существенно меняется для порошка, содержащего водород (см. рис. 3, в , г ). Краевые углы и радиусы закругления при вершинах увеличиваются. Часто встречаются тупые краевые углы и широкие перешейки. Особенно это заметно при условиях 950 ºС, 4 часа. Частицы, свариваясь между собой, образуют сплошную губку.

Режим спекания и наличие водорода влияют на относительную площадь (ширину) перешейков (таблица). Повышение температуры, как и времени спекания, увеличивает относительную ширину перешейков. Сравнивая одни и те же режимы, можно видеть, что присутствие водорода заметно влияет на эту величину.

б

в

Рис. 3. Диффузионная связь порошка Ti ( а , б ) и Ti-H ( в , г ) с основой из сплава ВТ6: а – 900 ºС, 2 ч; б – 950 ºС, 4 ч; в – 900 ºС, 2 ч; г – 950 ºС, 4 ч

г

Влияние режима спекания на относительную ширину перешейков

Порошок	t , ч	T , ºС	Относительная ширина перешейков
Ti	2	800	0,016
		900	0,072
	4	800	0,008
		900	0,024
		950	0,044
Ti-H	2	800	0,057
		900	0,045
		950	0,209
	4	800	0,018
		900	0,118
		950	0,227

Возвращаясь к условию прочности связи с костной тканью, можно отметить, что порошок титана без водорода не обеспечивает необходимой относительной площади перешейков, для порошка Ti-H условие прочности выполняется при режимах 950 ºС, 2 часа и 4 часа.

Формирование качественного диффузионного соединения облегчается в результате усиленной водородом адгезии [3]. Причины усиления адгезии пары титан– титан не ясны в достаточной степени. Ясно, однако, что они не связаны с образованием гидридов, так как компактводородные процессы эффективны лишь при таких высоких температурах (800–950 °С), когда гидриды в титановых сплавах не образуются. Возможно, благоприятное действие водорода связано с тем, что он способствует формированию более рыхлой оксидной пленки на поверхности титана и его сплавов, а также более легкому и быстрому ее растворению. Еще одна причина может быть связана с обусловленным водородом облегчением и усилением межатомного взаимодействия атомов при контакте титана с титаном при повышенных температурах [3].

Заметим, однако, что при низких температурах водород уменьшает когезивную прочность металлов, это является одной из причин водородной хрупкости, особенно при знакопеременных нагрузках. Вакуумный отжиг удаляет водород из титана, но насколько полно и какова оптимальная концентрация водорода – эти и другие вопросы выходят за рамки данной работы и будут рассмотрены в дальнейшем.

Выводы

Наименьшее значение концентрации напряжений на поверхности основания имплантата создают грибовидные наросты, соединяющие губчатый слой с основанием и получаемые с помощью диффузионного спекания порошка.

Насыщение порошка водородом способствует получению необходимой структуры пористого слоя при температурах 900–950 ºС и времени выдержки 2–4 часа.