В останні десятиліття значна увага приділяється розробці та дослідженню нових матеріалів для медичної індустрії, особливо у галузі створення імплантатів. Сучасні імплантати вимагають використання матеріалів, які не тільки володіють високою біохімічною сумісністю та міцністю але і спеціальними функціональними властивостями, такими як пам'ять форми, низький модуль пружності та ін . Один з домінуючих критеріїв застосування металів медичного призначення – критерій приживаності в організмі людини імплантів, що виготовлені з таких металів.

На перший час велика увага приділялася промисловим титановим сплавам, типу Ti-6Al-4V , Ti-6Al-7Nb. Але доволі швидко проявилися негативні моменти – сплави на основі титану мають більшу жорсткість (модуль Юнга, 110-120 ГПа), перевищуючи значення жорсткості кістки (20-30 ГПа) [1]. Крім того, ці сплави вивільняють токсичні іони ванадію та алюмінію в організм людини, що призводить до довгострокових процесів відновлення життєвих функцій організму.

В даний час, дослідження в галузі створення металевих біоматеріалів сфокусовані на нових варіантах сплаву титану і цирконію, які позбавлені токсичних елементів та мають значно нижчий модуль пружності (40-80 ГПа).
Сформульовані вимоги до заготовки зі сплаву Zr-Nb-Ti:

– хімічний склад:

Zr, ат.% 51 ± 1,5 (59,57 % мас.);

Ti, ат.% 31 ± 1,5 (19,02 % мас.);

Nb, ат.% 18 ± 1,5 (21,41 % мас.);

– механічні властивості:

Ϭ_в, МПа >700;

Е, ГПа нижче 57 (< 60 ГПа = 2*E (де E=30 ГПа - жорсткості людської кістки));

Для шихтування використані матеріали (рис. 1), характеристики яких наведені у табл. 1.

а                                     б                                     в

Рис. 1. Вигляд матеріалів шихтування: а – цирконій йодидний ТУ 95.46-82, прути; б –титан губчастий марки ТГ-90 ДСТУ 3079-95, брикети; в – ніобій НБШ-1 ГОСТ 16100-79, лист

Таблиця 1 – Хімічний склад шихтових матеріалів, що застосовувалися для отримання сплаву, % мас.

Отримані в кристалізаторі зливки після завершення плавки, охолоджувалися в умовах вакууму в камері плавки. Вивантаження зливків проводилося після охолодження та розвакуумування (рис. 2).

Вміст легуючих елементів в зливках одержаних сплавів визначався методом індуктивно-зв'язаної плазми – застосовані засоби оптичної емісійної спектрометрії (ICP-OES) з використанням ICP-спектрометрі ICAP 6500 DUO (рис. 3).

Рис. 2. Зливок Ø 110 мм (сплав 60Zr20Ti20Nb)

Рис. 3. Фото ICP-спектрометр ICAP 6500 DUO

Вміст елементів в зливках (табл. 2) визначався по результатам вимірювань декількох зразків (маса проби від 20 до 30 г) взятих уздовж всього перерізу в трьох місцях: верх зливка, середина зливка, центр зливка – з верхньої і нижньої частин зливка проби відбиралися на відстані 30-50 мм від його торців (для виключення впливу нестаціонарних режимів плавки с початку та при завершені процесу плавки).

Лабораторні досліди показують, що пруткова заготівка з дослідного β-Zr сплаву складу Zr-Nb-Ti має модуль пружності Е = 28-29 ГПа, що в 4 рази нижче ніж у сплаву ВТ6 (Е=110-115 ГПа) та близька до значення модуля пружності людської кістки (Е = 30 ГПа) [1]. Це дає підставу говорити про підвищення біосумісності. У той же час, опір до навантажень відповідає аналогічному сплаву ВТ6, що підтверджує рівень механічних властивостей цирконієвих сплавів.

Таблиця 2 – Хімічний склад зливка ЕПП Ø 110 мм (сплав 60Zr20Ti20Nb)

Література

1. Пат. 102455 Україна, МПК (2013.01) A61L 27/00, A61F 2/02 (2006.01), C22C 16/00, B82B 3/00. Біосумісний сплав із низьким модулем пружності на основі системи цирконій-титан (варіанти) / Івасишин О.М., Скиба І.О., Карасевська О.П., Марковський П.Є.; заявник і патентовласник Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України. – № а201115314, заявл. 26.12.2011; опубл. 10.07.2013, Бюл. №13. - 8 с.