Курсовая работа (т): Титан и титановые сплавы: применение в медицине

б) сплавы с устойчивой β-фазой, легированные молибденом, ванадием, танталом и ниобием в сочетании с кремнием, бериллием и бором, упрочняющими β-фазу;

в) сплавы, подверженные дисперсионному твердению; возможными легирующими элементами в этих сплавах могут быть бериллий, кремний, углерод, бор и редкие земли.

6. Применение в медицине

.1 Перспективы применения титана в медицине

Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан - прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры и медицинского инструментария.

Также титан и его сплавы обладают высокой усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках, что очень важно при изготовлении внутрикостных фиксаторов, наружных и внутренних протезов, которые постоянно подвергаются переменным нагрузкам.

Титан - немагнитный материал с низкой электропроводностью, что особенно ценно, так как благодаря этому можно использовать физиотерапию для лечения больных, в организме которых находятся титановые конструкции. Все это делает титан весьма перспективным для широкого применения в медицине.

Но самым важным результатом многолетних и тщательных исследований оказалось то, что титан является инертным металлом по отношению к биологической среде. Конструкции из титановых сплавов хорошо переносится человеческим организмом, обрастает костной и мышечной тканью. Металл практически не коррозирует в агрессивных средах человеческого тела, а структура тканей, окружающих титановые конструкции, не изменяется на протяжении длительного времени. Своей химической индифферентностью титан превосходит не только все нержавеющие стали, но и нашедший в последнее время широкое применение «виталлиум» - сплав на кобальтовой основе. Ценно, что технически чистый титан содержит гораздо меньше примесей, чем другие используемые в медицине сплавы.

Использование титана дает возможность лечить околосуставные переломы, применяя конструкции сложной конфигурации, которые прежде не могли быть употреблены из-за трудностей по их удалению. В технике скелетного вытяжения начинают применять титановые скобы (клеммы).

Титан выгодно отличается от других, конкурирующих с ним, металлов не только своей биологической инертностью, но и ценными механическими свойствами. Чтобы обладать такой же прочностью на разрыв, какую имеет стержень титана диаметром 10 мм, железный стержень должен быть не менее 14 мм в диаметре. Титан является таким конструкционным материалом, который позволяет повысить прочность изделия, сохранив его размеры, или без потери прочности получить выигрыш в весе до 40% и значительно уменьшить объем конструкции. Это делает титан наилучшим металлом для внутренних протезов. Особенно эффективно применение титана в артропластике бедра.

.2 Биологически и механически совместимые имплантаты из никелида титана

Большой интерес в имплантологии к материалам на основе титана обусловлен не только характерными для данных материалов высокими значениями пределов текучести и прочности с сохранением пластичности, но и в значительной мере их удовлетворительной биологической совместимостью с живым организмом.

Биологически и механически совместимые имплантаты из никелида титана применяются для лечения позвоночно - спинальных травм и дегенеративно - дистрофических заболеваний.

Стабилизация позвоночника металлическими имплантатами используется в медицине с начала ХХ века. В настоящее время широко применяются пластины ЦИТО, Цивьяна, стяжки Цивьяна-Рамиха, различные виды транспедикулярных аппаратов [19] и т.п.

Их изготавливают из нержавеющих сталей, титановых сплавов, реже из кобальтовых и молибденовых сплавов. Главными требованиями, предъявляемыми к этим материалам, были высокая коррозиционная стойкость и хорошая прочность. Ради последней зачастую забывали о невысокой биологической инертности легированных сталей, кобальтовых сплавов. Кроме того, вопросы механической совместимости имплантата и структур организма стал рассматриваться только в последнее время.

Дело в том, что модуль упругости большинства конструкционных сплавов (230 - 110 ГПа) значительно выше, чем у кости (25 - 15 ГПа), а тем более хрящевых структур(1 - 0,2 ГПа). При совместной работе кость-имплантат происходит неравномерное распределение деформаций и напряжений, которые максимальны, как правило, в местах крепления имплантата к кости, что вызывает опасность их разрушения. Поэтому, проводятся попытки использования сплавов с низким модулем упругости, например, системы Ti-Ta (80 - 70 ГПа), или изменять конструкцию имплантата, вводя в нее различные вырезы, изгибы, в стремлении снизить жесткость имплантата.

Однако при этом повышается риск его разрушения вследствие концентрации напряжений при нагружении. В тоже время известен материал, механическое поведение которого приближается к поведению тканей организма. Это сплавы на основе никелида титана или по-другому ѕ "нитинол" [20].

При определенной температуре, которая может быть равна температуре человеческого тела, эти сплавы проявляют сверхупругое поведение (СУ), когда значительные деформации (до 12%), возникающие при нагружении, устраняются при разгрузке, рисунок 1.

Рисунок 1 - Свойства сверхупругости (СУ) никелида титана

При этом механическое поведение сплавов приближается к поведению кости структур.

Кроме того, эти сплавы обладают эффектом запоминания формы (ЭЗФ), который заключается в том, что деформированный в охлажденном состоянии (ниже Mд) образец может сколь угодно долго сохранять новую форму.

При нагреве образца в интервале температур -  он восстанавливает свою исходную форму и будет проявлять сверхупругое поведение. Если внешнее противодействие препятствует возвращению к первоначальной форме, то в образце развиваются реактивные напряжения в интервале -  (рисунок 2).

Рисунок 2. Свойства эффекта запоминания формы (ЭЗФ) никелида титана

Кроме того, сплавы на основе никелида титана обладают отличной коррозиционной стойкостью и биологической инертностью. Поэтому они являются идеальным материалом для создания биологически и механически совместимых с организмом человека имплантатов (БМСИ).

Уже около 20 лет проводятся попытки создания таких имплантатов, в частности и для спинальной хирургии [21]. Но их широкого распространения пока не произошло вследствие ряда причин. Во-первых, сложности металлургического производства никелида титана. Всего в нескольких странах, в том числе и в России, могут в промышленных масштабах получать полуфабрикаты с требуемым химическим составом и уровнем свойств. Во-вторых, очень сложная технология переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания требует применения дорогостоящего оборудования и определяет высокий уровень брака. Все это приводит к высокой стоимости изделий.

В-третьих, не проводился анализ и оптимизация конструкций с точки зрения ее биомеханического поведения, что не позволяло правильно определить область их использования, в которой они могли успешно конкурировать с имплантатами из обычных конструкционных материалов. И, наконец, не рассматривался вопрос унификации конструкций, что приводило к тому, что имплантаты производились в единичных экземплярах и, по сути дела, для каждого пациента изготавливали свои конкретные конструкции, которые не могли быть использованы при последующих аналогичных операциях. Все это затрудняло широкое внедрение в клиническую практику имплантатов из никелида титана.

Основными положениями при разработке комплекта были:

) Фиксаторы из никелида титана не должны заменять имплантаты из конструкционных сплавов (пластины и транспедикулярные аппараты), предназначенные для выполнения опорных функций позвоночника и несущие основную нагрузку.

) Механическое поведение фиксаторов должно быть подобно поведению тех костных или хрящевых структур, которые фиксатор заменяет или укрепляет. Т.е. поведение фиксаторов предназначенных для остеосинтеза или крепления костных трансплантатов должна отвечать механическому поведению кости, а фиксаторов замещающих межпозвонковый диск, связочные структуры - к соответствующему механическому поведению хрящей или связок.

) Фиксаторы должны позволять функционировать прооперированным структурам, как в период реабилитации, так и после его завершения. Т.е. должна быть обеспечена возможность пожизненной эксплуатации имплантата без грубого нарушения функциональной подвижности позвоночника.

Наиболее удачные конструкции были изготовлены для экспериментального определения их характеристик, которые с точностью ошибки эксперимента совпадали с расчетными величинами.

Так, например, механическим поведением, наиболее близким к поведению кости, обладают П-образные фиксаторы, а хрящевым и связочным структурам соответствуют петельные конструкции, рисунок 3.

(а)                                       б)

Рисунок 3. Механическое поведение тканей организма (а) и имплантатов из никелида титана (б)

Кроме того, разработана система оценки характеристик работоспособности фиксаторов, как на этапе установки, так и в период эксплуатации. Так, фиксатор после охлаждения до температур ниже Мд =+10°С может быть легко деформирован на величину Dдеф. (рисунок4).

Рисунок 4. Характеристики работоспособности имплантатов с саморегулирующейся компрессией

Эта величина не должна быть превышена, поскольку в противном случае может произойти неполное восстановление формы фиксатора при нагреве [5].

Деформированный фиксатор устанавливают на костные структуры или в подготовленные каналы, расстояние между которыми превышает исходный размер фиксатора на величину Dуст. Она выбирается таким образом, чтобы после нагрева за счет тепла человеческого тела или орошением теплым (+45 - +50°С) стерильным физиологическим раствором фиксатор развивал компрессию в пределах Fmin - Fmax, а в процессе эксплуатации при функциональных перемещениях позвоночно-двигательного сегмента изменение размера фиксатора на величину ±Dцикл. не приводило к смещению за область надежной работоспособности фиксатора, а усилия компрессии не выходили за интервал Рmax-Рmin.

Таким образом у фиксаторов из никелида титана есть технологические параметры (Мд, Dдеф., Dуст.), определяющие его правильную деформацию и установку, и есть функциональные характеристики, главными из которых являются усилия компрессии и жесткость конструкции (Fmin, Fmax, K).

Для того чтобы определить требуемый уровень этих характеристик было проведено моделирование биомеханического поведения позвоночно-двигательного сегмента при различных видах функциональных движений. За основу модели была взята известная трехосевая схема с соответствующим распределением нагрузок [19]. По литературным данным находились эффективные размеры связочно-хрящевого аппарата и его свойства. Анализировали сгибание-разгибание, скручивание и боковые наклоны в нормальном, поврежденном позвоночно-двигательном сегменте и после установки фиксаторов. Проведенные расчеты показали, что при повреждениях тел, дужек, суставных и остистых отростков позвонков и их связочно-хрящевого аппарата, которые происходят либо при травмах, либо при операциях на спинном мозге, углы соответствующих смещений позвоночно-двигательного сегмента увеличиваются от 2 до 5 градусов, что при сохранении общей стабильности позвоночника может приводить к травмированию спинного мозга с соответствующими последствиями.

Установка фиксаторов за сохраненные дужки или остистые отростки позвонков позволяет уменьшить смещения таким образом, что оно соответствует 70-90% от величин смещения нормального здорового позвоночно-двигательного сегмента. Применяя фиксаторы с различной величиной компрессии и жесткости и меняя их место установки и количество можно обеспечить фиксацию позвоночника с требуемой степенью функциональной стабильности. Эта ситуация характерна сразу после операции. В течение 3-4 недель на месте разрушенных или удаленных структур образуется соединительная ткань, которая включается в работу позвоночного сегмента параллельно фиксатору. Поэтому, объем соответствующих смещений позвоночного сегмента сокращается до 40 - 60 % от смещений здорового сегмента. В результате этого нагрузка, действующая на фиксатор по мере восстановления тканей постепенно снижается. Проведенные расчеты и последующие клинические испытания показали, что во многих случаях (за исключением множественных компрессионных переломов тел позвонков) можно отказаться от внешней иммобилизации сразу после операции, а после окончания реабилитационного периода фиксаторы заметно не снижают функциональную подвижность позвоночника и могут не удалятся из организма.

На основе проведенных исследований разработан комплект фиксаторов "КИМПФ-ДИ" с саморегулирующейся компрессией для спондилодеза и протезирования связочно-хрящевых структур позвоночника.

Он включает в себя 5 видов фиксаторов 23 типоразмеров и инструмент, необходимый для выбора нужного типоразмера, деформации и установки фиксаторов, рисунок 5.

а)                                                          б)

Рисунок 5. Комплект фиксаторов "КИМПФ-ДИ" с саморегулирующейся компрессией для спондилодеза и протезирования связочно-хрящевых и костных структур при травмах и заболеваниях позвоночника (а) с инструментами для их установки (б)

В набор входят, петельные фиксаторы 10 типоразмеров (А1-А10), предназначенные для установки за дужки позвонков рисунок 6. Они развивают умеренные компрессию и жесткость.

а) петельный фиксатор б) беспетельный фиксатор

в) межпозвонковый г) позвоночная скобка фиксатор

д) эндопротез межпозвоночного диска

Рисунок 6 - Варианты установки фиксаторов "КИМПФ-ДИ": за дужки позвонков петельных (а) и беспетельных (б) фиксаторов; за остистые отростки межпозвонкового фиксатора (в); крепление трансплантата позвоночной скобкой (г); эндопротез межпозвонкового диска (д)

.3 Протезирование зубов

Все практикующие стоматологи хорошо знакомы со съемными пластиночными протезами и акриловой пластмассой, из которой они изготавливаются. На протяжении почти 70 лет акриловые пластмассы являются основными базисными материалами для изготовления съемных протезов, и все недостатки акриловой пластмассы изучены хорошо. Это непрочность пластмассовых протезов и частые поломки, которые стали обычным явлением в стоматологических поликлиниках.

Это так называемые явления «непереносимости», которые включают в себя протезные стоматиты, вызванные:

плохой обработкой протезов;

нарушением процесса полимеризации;

повышенной колонизацией микроорганизмами в результате плохой гигиены.

Низкая теплопроводность акриловых пластмасс приводит к нарушениям терморегуляции полости рта.

Все вышеперечисленные проблемы послужили поводом к появлению съемных протезов с металлическими базисами.

Всем известны металлические базисы из кобальтохромового сплава. Однако они достаточно печально знамениты своей тяжестью и затрудненной адаптацией к ним. Эффективной альтернативой им могут быть титановые базисы.

Вообще, титан - это металл большого будущего в стоматологии, потому что он биологически безопасен, имеет резистентность к коррозии, обладает прекрасными механическими свойствами и отличной биосовместимостью, поэтому неудивительно, что рядом с этим металлом идут нога в ногу новые технологии.