автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Материаловедческие основы проектирования эндопротезов тазобедренного сустава из титановых сплавов и технологии их производства

На правах рукописи

Курников Дмитрий Анатольевич

МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНДОПРОТЕЗОВ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.02.01.- «Материаловедение (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Мамонов Андрей Михайлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Гаврюшенко Николай Свиридович - кандидат технических наук Овчинников Алексей Витальевич

Ведущая организация - ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 28 декабря 2006 года в 16— часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского.

Тел.: (495) 417-8878, факс: (495) 417-8978.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 27 ноября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Скворцова С.В.

¿й£>МЬ

1Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При создании надежных эндопротезов для замещения пораженных элементов опорно-двигательного аппарата человека, в частности эндопротезов крупных высоконагруженных суставов, возникает целый ряд материаловедческих, конструкторских, технологических и других проблем. Их рациональное решение возможно только в рамках научно-обоснованного подхода, учитывающего все аспекты функционирования эндопротеза в новой для организма биомеханической и биохимической системе. Компонентами этой системы являются как сам имплантат, так и взаимодействующие с ним живые структуры организма (костные, связочные, мышечные), а также материалы, играющие роль механического связующего между элементами эндопротеза и костной тканью. Работоспособность такой системы зависит от уровня и распределения механических напряжений в ее компонентах, их структурного состояния, физико-механических и биологических свойств, геометрических параметров эндопротеза, условий взаимодействия компонентов на контактирующих поверхностях.

В последние годы в инженерно-медицинском центре «МАТИ-Медтех» развиваются новые комплексные подходы к выбору материалов, проектированию конструкций, технологии производства и применения эндопротезов тазобедренного сустава. Важнейшими результатами реализации этих подходов являются:

- использование только титановых сплавов для металлических компонентов эндопротезов (в том числе компонентов, испытывающих значительные циклические и фрикционные нагрузки), что позволяет наиболее полно реализовать в изделии важнейшие преимущества титановых сплавов -наилучшую биологическую совместимость, сравнительно низкий модуль упругости, высокую удельную прочность и др.;

- применение новых высокоэффективных технологий обработки, позволяющих управлять объемной и поверхностной структурой изделий и создавать необходимый комплекс физико-механических и функциональных свойств;

- разработка и внедрение в производство конструкций эндопротезов тазобедренного сустава, не уступающих, а по некоторым важнейшим функциональным параметрам превосходящих зарубежные аналоги.

Для дальнейшего развития этих подходов, расширения номенклатуры,

повышения качества и надежности разрабатываемых эндопротезов

необходимо исследовать ряд малоизученных—аспектов билцеуаннки

^ОС. НАЦИОНАЛЬНОЙ

библиотек\

С.-Петербург - 03 гооцуг/пЮ

параметров взаимодействия компонентов, влияния процессов изготовления и обработки на технологические и эксплуатационные свойства изделий с целью оптимизации их конструкции и технологии производства, обеспечения высокой надежности и безопасности при значительно более низкой, по сравнению с зарубежными аналогами, стоимостью. Это определяет актуальность темы настоящей работы, выполненной в рамках Научной школы России, руководимой членом-корреспондентом РАН, профессором, д.т.н. АЛ. Ильиным.

Целью диссертационной работы являлось исследование материаловедческих аспектов проектирования компонентов эндопротезов из титановых сплавов и оптимизация на этой основе конструкции и технологии производства ножек эндопротезов тазобедренного сустава.

Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:

- установить особенности формирования напряженно-деформированного состояния ножки эндопротеза при статических испытаниях;

- определить коэффициенты трения и напряжения сдвига пары костный цемент - поверхность ножки с различной шероховатостью;

- исследовать ползучесть и релаксацию напряжений в костных цементах при статических нагрузках;

- провести компьютерное моделирование механического поведения системы «бедренная кость - костный цемент - ножка эндопротеза» при функциональных нагрузках;

- исследовать влияние термоводородной обработки на структуру, технологические и механические свойства литых фасонных заготовок ножек из титанового сплава ВТ20Л;

- изучить влияние поверхностной механической и последующей термической обработок на сопротивление усталости сплава ВТ20Л;

- провести оптимизацию конструкции и технологии производства ножек эндопротезов цементной фиксации семейства «ИМПЛАНТ-Ц».

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Методом математического компьютерного моделирования установлены параметры биомеханического поведения компонентов системы «ножка эндопротеза - цементная мантия - бедренная кость». Подтверждена механическая совместимость ножек «ИМПЛАНТ-Ц». Установлены характер распределения и уровень максимальных механических нагрузок в

компонентах системы. Определены параметры конструкции ножек, подлежащие оптимизации.

2. Экспериментально определены коэффициенты трения и напряжения сдвига пары «костный цемент - образец из сплава ВТ20» с различной шероховатостью поверхности. Полученные результаты позволяют повысить достоверность математического моделирования биомеханики эндопротезов цементной фиксации и научно обосновать выбор конструктивных параметров ножек бедренных компонентов эндопротезов цементной фиксации.

3. Экспериментально установлены параметры ползучести и релаксации напряжений в костных цементах различной вязкости при статических нагрузках, близких к функциональным. Полученные математические выражения этих явлений позволяют учитывать их при моделировании биомеханики эндопротезов цементной фиксации.

4. Установлено, что термоводородная обработка повышает предел выносливости образцов сплава ВТ20Л с исходной литой структурой на 6080% вследствие преобразования крупнопластинчатой структуры а-фазы в мелкодисперсную. Термическое воздействие - вакуумный отжиг, имитирующий термический цикл вакуумного ионно-плазменного азотирования образцов с шероховатой поверхностью (11а 1,3....Кг 60 мкм), формируемой абразивной обработкой, приводит к резкому снижению прогнозируемого предела выносливости в 2 - 2,5 раза по сравнению с термоводородной обработкой вследствие устранения поверхностного упрочнения и наличия поверхностных концентраторов напряжений.

Практическая значимость работы.

Проведена оптимизация конструкции - геометрии шейки посадочного конуса, протяженности полированной дистальной части ножки, параметра шероховатости и длины проксимальной части, радиуса ее сопрягающей дуги, а также технологии производства - последовательности и параметров технологических процессов обработки, позволившие повысить надежность ножек бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава семейства «ИМПЛАНТ-Ц», которая обеспечивается отсутствием износа металла ножки, 3-х -4-х кратным запасом ее усталостной прочности, механической совместимостью, что подтверждено математическим компьютерным моделированием, техническими и клиническими испытаниями. Разработанные рекомендации внедрены в производство ЗАО «Имплант-МТ», что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены на Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (1998, 2000, 2002 гг.), Всероссийской конференции «Новые материалы и технологии» г. Москва (2002 г.), научно-практическом семинаре с международным участием «Применение биологически и механически совместимых имплантатов в ортопедии и травматологии» (г. Великий Новгород, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 работах, в том числе в 2-х статьях в журналах из перечня ВАК РФ и 5 тезисах докладов. Список публикаций приведен в конце '

автореферата.

Объем диссертации, ее структура. Диссертация содержит 106 страниц <

машинописного текста, 51 рисунок, 28 таблиц. Работа состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов, списка литературы из 97 наименований и приложения.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В главе рассмотрены биомеханические аспекты функционирования бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава человека. Приведены данные о величине и характере основных нагрузочных факторов при различных функциональных движениях, механических свойствах костных структур, физико-механических и биологических свойствах материалов, применяемых при эндопротезировании. Показаны преимущества титана и сплавов на его основе в качестве материала для высоконагруженных имплантатов перед другими применяемыми металлическими материалами -нержавеющими сталями и сплавами системы Со-Мо-Сг, в частности, по сопротивлению коррозии, токсичности, комплексу механических свойств.

Приведены основные требования международных стандартов к структуре и свойствам материалов эндопротезов, в том числе требования к надежности. Описан стандартный метод технических испытаний эндопротезов тазобедренного сустава.

Описана система БМСИ (биологически и механически совместимые имплантаты) - новая идеологическая концепция проектирования, производства и применения биологически и механически совместимых имплантатов, представляющая собой систему взаимосвязанных принципов: выбора материалов, разработки конструкции и технологии производства, применения комплекса испытаний и контроля качества материалов и изделий, технологии применения изделий в медицинской практике. 6

В качестве примера одной из эффективных технологий обработки эндопротезов приведена технология термоводородной обработки (ТВО), основанная на сочетании обратимого легирования водородом с термическим воздействием. Описаны основные физико-химические эффекты, обеспечивающие возможность целенаправленного преобразования структуры титановых сплавов в широких пределах. Проиллюстрированы возможности использования ТВО для преобразования структуры и повышения комплекса механических свойств сплавов. Сделан вывод о высокой эффективности ТВО для обработки фасонных отливок, в частности, литых заготовок ножек эндопротезов.

Дано заключение по литературному обзору, сформулирована цель и поставлены задачи работы.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе обоснован выбор сплава ВТ20Л для изготовления ножки бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава. Сплав разрешен Минздравом РФ для имплантации. Показано, что основными преимуществами сплава ВТ20Л перед наиболее широко применяемым сплавом ТьбА1-4У являются более низкое содержание токсичного ванадия и лучшие литейные свойства, что обеспечивает более высокое качество фасонных отливок, используемых в качестве заготовок ножек. Химический состав сплава приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав исследованных фасонных отливок (плавка №44201)

Ti Легирующие элементы, масс. % Примеси, масс. %

А1 V Мо Zr Fe Si О С N Н

основа 6,16 1,79 1,57 2,23 0,07 0,03 0,07 0,04 0,04 0,008

Исследования свойств костных цементов на основе полиметилметакрилата проводили на цементах марок Palamed (Германия), Lima СМТ-1 (Италия) - средней вязкости и Lima СМТ-3 - низкой вязкости.

Термоводородную обработку образцов и заготовок изделий (насыщение водородом и вакуумный отжиг) проводили в установках Сивертса с рабочими ретортами из кварцевого стекла и нержавеющей стали. Высокочистый молекулярный водород получали методом вакуумного термического разложения гидрида титана. Содержание водорода в образцах

после гидрирования определяли по изменению давления в вакуумной системе известного объема и взвешиванием на электронных аналитических весах с точностью, обеспечивающей абсолютную погрешность в содержании водорода не более 0,02% по массе.

Вакуумный отжиг заготовок изделий проводили в вакуумной печи марки СНВЭ-1.3.1/16 ИЗ, а также в вакуумно-водородной установке на базе вакуумной системы печи СНВ-1.3.1/16 И1. Контроль остаточного содержания водорода в образцах и изделиях осуществляли спектральным методом на модернизированном спектрографе ИСП-51 с фотоэлектронной регистрацией аналитической линии водорода с длиной волны 656,28 нм и автоматическим измерением ее интенсивности.

Анализ микроструктуры образцов и заготовок проводили стандартным металлографическим методом с использованием оптического микроскопа «NEOPHOT-30» при увеличениях до 1000 крат.

Кратковременные механические испытания металлических образцов на растяжение, а также образцов костных цементов на сжатие проводили по стандартным методикам на универсальной испытательной машине TIRAtest-2300. Сопротивление усталости металлических образцов определяли по схеме изгиба вращением с частотой нагружения 100 Гц и коэффициентом асимметрии цикла R=-l на машине Р-5.

Измерение твердости проводили на твердомере Роквелла с алмазным конусом.

Специальные методики механических испытаний описаны в главах III и IV.

Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики.

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ «НОЖКА ЭНДОПРОТЕЗА - КОСТНЫЙ ЦЕМЕНТ - БЕДРЕННАЯ КОСТЬ» ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ

В главе дан критический анализ конструкции, технологии производства и применения ножек бедренного компонента цементной фиксации эндопротезов тазобедренного сустава типа «ИМПЛАНТ-Ц», разработанных в инженерно-медицинском центре «МАТИ-Медтех» и производимых ЗАО «Имплант МТ» (рис. 1). Показано, что, несмотря на 5-летний опыт безотказного клинического использования и установку около 400 эндопротезов этого типа в медицинских учреждениях Москвы, регионов 8

России и стран СНГ, некоторые элементы конструкции, параметры и последовательность выполнения технологических операций, способы цементирования при установке не являются оптимальными. Это снижает запас надежности ножки и работоспособность цементной мантии.

L, мм А, мм В, мм Типоразмер

141 40 32 12

151 43 35 14

160 46 38 16

170 49 41 18

Рис. 1. Ножка бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава

«ИМПЛАНТ-Ц».

Проведены статические испытания бедренного компонента эндопротеза «ИМПЛАНТ-Ц» в соответствии с международными стандартами ISO 7206. По тензометрическим данным статических испытаний определены напряжения в различных участках поверхности ножки и на поверхности цементной массы, обеспечивающей фиксацию ножки в оснастке, а также глубину внедрения ножки в цемент под нагрузкой и при разгрузке. Компьютерные расчеты напряжений и деформаций геометрически и

физически подобной модели испытательной оснастки показали удовлетворительное совпадение напряжений в ножке. Однако полученные результаты обусловили также необходимость более точного экспериментального определения коэффициентов трения пары костный цемент - поверхность ножки с различной шероховатостью, а также механических свойств костного цемента, включая ползучесть и релаксацию напряжений при нагружении.

Для определения коэффициентов трения были использованы методы: поступательного движения по горизонтальной плоскости; вращательного скольжения торца цилиндрического образца по плоскости; испытания на вибротрибометре «Optimol SRV». Во всех методах подвижным элементом пары был образец из костного цемента с параметром шероховатости рабочей поверхности, соответствующим параметру поверхности металлического компонента пары трения. В качестве этого компонента использовались образцы сплава ВТ20 с различной поверхностной обработкой. Результаты измерения для цемента Lima СМТ-3 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты трения* пары костный цемент - сплав ВТ20

№ п.п. ^\Qnoco6 обработки, пара-Метод\ж;тр шероховатос-определения^\ти поверх-нормальное ^\ностей напряжение Механическая полировка, Ra=0,l мкм Матирование, Ra=l,2 мкм Пескоструйная обработка, Rz=20 мкм Пескоструйная обработка, Rz=60 мкм

1 Поступательное скольжение по плоскости, 0,015 МПа 0,11 0,24 0,40 0,69

2 Вращательное торцевое скольжение, 5 МПа 0,14 0,29 0,44 0,76

3 Вибротрибометр, 5 МПа 0,17 0,31 0.47 0,82

*В таблице приведены средние значения коэффициентов трения установившегося скольжения по 5-10 образцам.

Заметное увеличение коэффициентов трения во 2-м и 3-м методах связано, по-видимому, с увеличением адгезионной составляющей трения при повышении контактного давления. Однако, как показали расчеты, в реальной конструкции реализуются именно такие средние уровни контактных нормальных напряжений на поверхности цементной мантии.

Кратковременные механические (статические) свойства костных цементов, ползучесть и релаксацию напряжений изучали при испытаниях на сжатие цилиндрических образцов диаметром 12 и высотой 22 мм. По результатам статических испытаний были определены модули нормальной упругости и напряжения разрушения указанных в главе II марок цементов. Эти данные позволили повысить достоверность компьютерных расчетов и прогноза работоспособности системы «эндопротез - цементная мантия -бедренная кость».

Типичные кривые релаксации напряжений и ползучести при различных начальных напряжениях сжатия, реализующихся в процессе эксплуатации, приведены на рис. 2 для костного цемента LIMA СМТ-3.

Экспериментальные зависимости аппроксимированы уравнениями вида: о = с0(1+х)'а - для релаксации напряжений;

е = е0(1+кт)т - для относительной деформации сжатия

при ползучести,

где ст0 - начальное напряжение; Ео - начальная («мгновенная») деформация; е0 = сго/Е, Е - модуль нормальной упругости; а, к, ш -материальные константы, значения которых для данной марки цемента составили: а = 0,024; к = 0,1; m = 0,07, т - время.

Полученные уравнения удовлетворительно описывают деформационное поведение костных цементов, что позволяет учитывать временное изменение напряжений и деформаций цемента при компьютерных расчетах биомеханики системы.

Экспериментально определены напряжения сдвига мантии из костных цементов марок LIMA СМТ-3 и Palamed относительно цилиндрических образцов из сплава ВТ20 с различной шероховатостью поверхности. Установлено, что с увеличением параметров шероховатости от Ra = 0,1 мкм до Rz = 60 мкм напряжения сдвига возрастают с 0,5 МПа до 23 МПа. Полученные результаты имеют важное значение для прогнозирования работоспособности цементируемых ножек эндопротезов и оптимизации их конструкции.

Проведено математическое компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния и механического поведения системы «бедренная кость - цементная мантия - ножка эндопротеза» при функциональных нагрузках. Для расчета использован метод конечных элементов и универсальная компьютерная программа ANSYS. Разработан ряд анатомически подобных объемных моделей системы, соответствующий

типоразмерному ряду ножек эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц», а также размерный ряд моделей здоровой бедренной кости. В расчетах кроме исходных данных о свойствах материалов, нагрузках и т.д., взятых из литературных источников, использованы физико-механические параметры, определенные или уточненные в работе - коэффициенты трения, модули упругости, уравнения ползучести цемента и другие.

ст, МПа

10

8

6

4

О 500 1000 1500 2000 2500 т. сек

а)

Е, % 1,2 1,0 0,8 0,6

0,4

0,2

1 100 10000 1)МИн Ю00000

б)

Рис. 2. Расчетные и экспериментальные кривые релаксации напряжений (а) и ползучести (б) костного цемента LIMA СМТ-3.

j >

с*0 1 0 мг la i

Л У/ !

У? 4 »

а- <г у- Яо — V ^ 1Г 1с

—г ......

Сравнительный анализ распределения и величины напряжений в эндопротезированной и здоровой бедренной кости, их биомеханических параметров (смещения центра естественной и искусственной бедренной головки, максимальный прогиб кости в истмусе и др.) показал удовлетворительное подобие их механического поведения, что свидетельствует о механической совместимости эндопротеза (рис. За).

Уровень и распределение растягивающих напряжений в ножке эндопротеза показаны на рис. 36 на примере ножки 12-го типоразмера. Максимальная величина напряжений наблюдается в шейке конуса для фиксации головки бедренного компонента и в зоне сопряжения проксимальной и дистальной частей ножки. Величины этих напряжений для ножек разных типоразмеров с номинальным и максимальным офсетами (размер А на рис. 1) приведены в таблице 3.

Таблица 3

Максимальные напряжения в ножках эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц» при

расчетной нагрузке 3300 Н

Типоразмер ножки Офсет, мм ном./макс. Максимальный диаметр дистальной части, мм Напряжения растягивающие*, МПа

В шейке В «критическом» сечении

12 40/47,7 10 180/195 120/144

14 43/50,5 12 192/208 116/138

16 46/53,5 14 194/218 109/127

18 49/56,5 16 196/224 98/114

* - в числителе - для номинального офсета, в знаменателе - для максимального офсета.

Исследования напряжений и деформаций в костном цементе, а также смещений ножки относительно цементной мантии дали следующие результаты. Нормальные к образующей поверхности ножки (радиальные) сжимающие напряжения в цементе достигают максимальных значений (5-8 МПа) в области дуги Адамса вблизи опорного воротника (7-я зона Груена) и с латеральной стороны дистальной части ножки (2,5- 3,5 МПа, 2-я и 3-я зоны Груена). Амплитуда относительных циклических смещений ножки в цикле нагрузка - разгрузка имеет максимальные значения (15-30 мкм в зависимости от типоразмера и офсета ножки) во 2-й и 3-й зонах Груена, причем эти смещения реализуются не только в «гладкой», но и в «шероховатой» части ножки. Так как эти параметры определяют работу фрикционных сил, а, следовательно, износ контактирующих поверхностей, то их минимизация

является одним из способов увеличения износостойкости, стабильности и надежности системы.

Рис. 3. Распределение осевых напряжений в кортикале здоровой (■) и эндопротезированной (а) бедренной кости, смещение центра бедренной головки (а), осевые напряжения в ножке «ИМПЛАНТ-Ц» 12-го типоразмера (б) при нагрузке 3300 Н.

Растягивающие напряжения осевого и тангенциального направления не превышают 2 -4 МПа. Учитывая, что предел выносливости костных цементов по данным фирм-производителей составляет 8 - 10 МПа, возникающие напряжения обеспечивают достаточный запас по усталостной прочности. Однако наличие несплошностей (пор, «складок», разрывов) цементной мантии, как показали расчеты, создает 2-3 -кратное повышение напряжений вблизи концентратора, что может привести к усталостному разрушению мантии и потере стабильности системы.

Сдвиговые напряжения в цементе на границе с ножкой достигают максимальных значений 3,5 - 5 МПа в верхней части 2-й и 6-й зон Груена. С учетом погрешностей моделирования, возможных перегрузок при эксплуатации и других неучтенных факторов, такой уровень напряжений, близкий к экспериментально определенным напряжениям сдвига цемента относительно поверхности имплантата с параметром шероховатости Rz < 20 мкм, может привести к нежелательному трению и износу цемента на границе с проксимальной частью ножки. Это диктует необходимость строгой регламентации параметра шероховатости Rz проксимальной части на уровне не менее 50 мкм.

Глава IV. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ И КОМПЛЕКС МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НОЖЕК ЭНДОПРОТЕЗОВ «ИМИЛАНТ-Ц» ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ20Л

В главе исследовано влияние термоводородной обработки на структуру, технологические и механические свойства заготовок ножек эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц», полученных методом фасонного литья. Установлено влияние размеров поперечного сечения дистальной и проксимальной частей отливок разных типоразмеров на их структуру после литья, ГИП и ТВО. Показано, что увеличение диаметра дистальной части отливок от 14 до 22 мм приводит к переходу от структур «корзиночного плетения» с тонкими (1-4 мкм) пластинами а-фазы к структурам, представленным колониями а-пластин большей толщины (3 -10 мкм) после литья и ГИП. Структура проксимальной части отливок от их типоразмера практически не зависит. Установлено, что для получения одинакового типа и близких параметров структуры ножек всех типоразмеров разработанные ранее в ИМЦ «МАТИ-Медтех» режимы ТВО должны быть скорректированы с учетом разной массы и размеров отливок, а также экономически обоснованной продолжительности обработки. Так при наводороживающем отжиге до концентрации водорода в

отливках 0,S% длительность изотермической выдержки после поглощения водорода должна варьироваться от 30 минут для минимального до 120 минут для максимального типоразмера отливки. Это позволяет достичь равномерного распределения водорода и завершенности фазовых и структурных превращений по всему объему отливок. Аналогично должна варьироваться продолжительность выдержек ступеней вакуумного отжига. Разработанные рекомендации позволяют сформировать в отливках всех типоразмеров однородную структуру с глобулярно-пластинчатой а-фазой размерами 2-5 мкм, соответствующую требованиям стандарта ISO 5832-3, достичь безопасной концентрации водорода в интервале 0,006 - 0,009% и сократить суммарную продолжительность ТВО для ножек 12 и 14 типоразмера соответственно на 2 и 1 час.

Полируемость сплава BT20JI до достижения требуемого техническими условиями на эндопротезы «ИМПЛАНТ-Ц» параметра шероховатости Ra < 0,1 мкм исследовали на дистальной части заготовок ножек в состоянии после литья, ГИП, ТВО, токарной обработки и шлифования на абразивной ленте. Исходный (перед механической полировкой алмазными пастами) параметр шероховатости составлял Ra = 0,5 - 0,8 мкм. Установлено, что проведение ТВО обеспечивает достижение лучшей чистоты поверхности и сокращение продолжительности полирования за счет повышения твердости и снижения вязкости материала (табл. 4).

Таблица 4

Влияние ТВО на полируемость дистальной части ножек «ИМПЛАНТ-Ц»

Состояние, обработка образцов Шероховатость* поверхности Ra, мкм Средняя длительность полирования**, мин.

Типоразмер ножки Типоразмер ножки

12 18 12 18

Литье, ГИП, мех. обработка 0,7/0,09 0,8/0,1 35 45

Литье, ГИП, ТВО, мех. обработка 0,5/0,06 0,5/0,07 20 25

* - в числителе - исходное значение Ra, в знаменателе Ra - после полировки;

** - по 5 -10 изделиям.

Кратковременные механические свойства, определенные на образцах, вырезанных из дистальной части отливок, приведены в таблице 5.

Полученный после ТВО уровень механических свойств удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам ножек эндопротезов международными стандартами.

Таблица 5

Механические свойства* образцов сплава ВТ20Л, вырезанных из дистальной

части заготовок ножек 18 типоразмера

Состояние, обработка образцов Ов, МПа оо,2, МПа 5,% KCU, МДж/м2 HRC

Литье + ГИП 875 830 10,0 0,59 28

Литье+ ГИП +ТВО 1010 960 8,2 0,52 40

* В таблице приведены средние значения по 3 * 5 образцам.

Для определения усталостных свойств проводили испытания образцов, вырезанных из дистальной части заготовок ножек разных типоразмеров, на циклическую долговечность при различной амплитуде напряжений. Параметр шероховатости Ra образцов составлял 0,1 - 0,15 мкм. Амплитуды напряжений - 300, 450 и 550 МПа, базы испытаний - 10000, 10000, 1000 тысяч циклов соответственно. Испытания прекращались при достижении базового числа циклов без разрушения. Результаты испытаний приведены в таблице 6.

Таблица 6

Влияние ТВО на циклическую долговечность образцов из заготовок ножек

«ИМПЛАНТ-Ц»

Состояние, обработка образцов Число тысяч циклов до разрушения* при амплитуде напряжений

300 МПа 450 МПа 550 МПа

Литье, ГИП, мех. обработка, полировка 8200 (3620- 10000) 560 (210-780) 61 (18-97)

Литье, ГИП, ТВО, мех. обработка, полировка 10000 10000 850 (680-970)

* В таблице приведены средние значения и разброс значений по 3 - 5 образцам (в скобках).

Полученные результаты позволяют прогнозировать предел выносливости (на базе 107 циклов) после ТВО на уровне 500 МПа. Учитывая, что в качестве финишной операции изготовления ножек применяется вакуумное ионно-плазменное азотирование, резко упрочняющее

поверхность, предел выносливости полированной дистальной части будет еще выше.

В конструкции ножки бедренного компонента эндопротеза «ИМПЛАНТ-Ц» проксимальная часть имеет параметр шероховатости Кг = 10 - 60 мкм, а шейка посадочного конуса - Яа = 1,3 мкм. Поэтому в работе было исследовано влияние шероховатости поверхности и последующего термического воздействия, имитирующего термический цикл вакуумной ионно-плазменной обработки, на сопротивление усталости образцов из сплава ВТ20Л. Для получения различных значений Яа и Яг образцы после ТВО подвергались пескоструйной обработке корундом с зернистостью 380 и 1200 мкм или матированию стеклянными шариками размером 40 - 60 мкм. Результаты испытаний приведены в таблице 7.

Таблица 7

Влияние шероховатости поверхности и термического воздействия на

циклическую долговечность образцов из заготовок ножек «Имплант-Ц»

Обработка, параметр шероховатости Число тысяч циклов до разрушения при амплитуде напряжений

300 МПа 450 МПа 550 МПа

Пескоструйная, Ег = 60 мкм 10000 10000 320 (98-780)

Пескоструйная, = 30 мкм 10000 10000 407 (130-705)

Матирование, 11а = 1,3 мкм 10000 10000 410 (270-665)

Пескоструйная, Яг 60 + вакуумный отжиг 600°С, 1 час 120 (25-281) 54 (6-97) Не испытывались

Матирование, 11а 1,3 + вакуумный отжиг 600°С, 40 мин. 6450 (970-10000) 112 Не испытывались

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

Применяемые виды поверхностной обработки практически не снижают сопротивление усталости вследствие упрочнения поверхности образцов (наклепа). Однако последующий нагрев вызывает разупрочнение поверхности, а сформированные концентраторы напряжений приводят к резкому снижению работы зарождения трещины и, соответственно, циклической долговечности. Дополнительные эксперименты с меньшими амплитудами напряжений показали, что предел выносливости отожженных

образцов с Яг мкм можно прогнозировать на уровне 200-230 МПа, а отожженных образцов с Яа = 1,3 мкм - на уровне 270 - 300 МПа. Учитывая величину расчетных напряжений в разных частях ножки, погрешности компьютерного моделирования, возможные перегрузки при эксплуатации и другие факторы, такие значения предела выносливости обеспечивают достаточно низкий (< 2) запас надежности ножек «ИМПЛАНТ-Ц.

Глава V. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НОЖКИ БЕДРЕННОГО КОМПОНЕНТА ЭНДОПРОТЕЗА «ИМПЛАНТ-Ц» ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ЕЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

На основании проведенных исследований разработаны следующие рекомендации по оптимизации конструкции и технологии производства ножек эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц» (рис. 4):

для снижения напряжений в шейке посадочного конуса увеличен радиус ее сопряжения с проксимальной частью ножки, что обеспечивает значительное увеличение площади сечения шейки в зоне действия максимальных напряжений;

с 70 до 50 мм уменьшена длина поверхности проксимальной части ножек с параметром шероховатости Яг 60, что позволяет значительно повысить запас усталостной прочности материала ножки в зоне действия наиболее высоких напряжений; введена более строгая регламентация параметра шероховатости проксимальной части ножек - Яг > 50 мкм, что позволяет исключить сдвиг цементной мантии относительно шероховатой части поверхности ножки, снизить общую амплитуду смещения ножки при функциональных нагрузках, а соответственно износ цементной мантии, повысить стабильность фиксации;

изменена последовательность проведения финишных операций: вакуумное ионно-плазменное азотирование проводится перед пескоструйной обработкой проксимальной части ножек и матированием шейки и только на полированной дистальной части ножек, для чего разработана специальная технологическая оснастка.

Кроме того дана рекомендация использовать только ретроградный шприцевой способ введения цементной массы в канал бедренной кости, что исключает образование несплошностей цементной мантии при условии

выполнения других рекомендаций эндопротеза.

по

установке бедренного компонента

Ъ, мм А, мм В, мм Типоразмер

141 40 32 12

151 43 35 14

160 46 38 16

170 49 41 18

Рис. 4. Модернизированная ножка «ИМПЛАНТ-Ц».

Эффективность предложенных мероприятий была подтверждена компьютерными расчетами напряженно-деформированного состояния и механического поведения ножки эндопротеза, проведенном с использованием физико-механических параметров, определенных в работе. Так, на 40 - 50% снижены максимальные растягивающие напряжения в шейке посадочного конуса. Достигнуто более равномерное распределение напряжений в дистальной и проксимальной частях ножки при снижении их максимального уровня на 10 -20%. Смещение ножки относительно

цементной мантии в проксимальной (шероховатой) части отсутствует, а в дистальной не превышает 12 мкм.

Полученные результаты позволяют прогнозировать не менее, чем 3-х -4-х кратный запас усталостной прочности ножек при правильной установке и нормальной эксплуатации.

Таким образом, комплекс разработанных конструкторско-технологических мероприятий позволяет существенно повысить качество и надежность бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава «ИМПЛАНТ-Ц».

Разработанные рекомендации внедрены в производство ЗАО «Имплант-МТ», что подтверждено соответствующими документами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально установлены коэффициенты трения пар «костный цемент - образец из сплава ВТ20», а также напряжения сдвига образцов относительно цементной мантии для различных значений параметров шероховатости поверхности и марок костных цементов. Полученные результаты позволяют повысить достоверность расчетов механического поведения бедренных компонентов эндопротезов цементной фиксации и более обоснованно подходить к проектированию этих изделий и прогнозированию их работоспособности.

2. Экспериментально исследованы явления ползучести и релаксации напряжений в костных цементах различных марок при статических нагрузках. Получены математические выражения, позволяющие учитывать эти явления при моделировании эндопротезов цементной фиксации.

3. Методом математического компьютерного моделирования определены параметры напряженно-деформированного состояния и механического поведения костных структур при эндопротезировании тазобедренного сустава с использованием ножки цементной фиксации «ИМПЛАНТ-Ц». Показана близость этих параметров к параметрам здоровой бедренной кости при функциональных нагрузках, что подтверждает механическую совместимость эндопротезов.

4. Рассчитаны напряжения и деформации всех типоразмеров ножек «ИМПЛАНТ-Ц», а также величина их циклического смещения относительно цементной мантии. Установлено, что максимальные напряжения растяжения в ножках формируются в шейке посадочного конуса головки и во 2-й и 3-й зонах Груена. Расчетные напряжения сдвига цементной мантии относительно

поверхностей ножки с параметром шероховатости Rz < 20 мкм близки к экспериментальным, что создает опасность циклической миграции и развития износа костного цемента в области перехода дистальной части ножки в проксимальную.

5. Установлено влияние термоводородной обработки на структуру, кратковременные механические свойства и сопротивление усталости литых заготовок ножек «ИМПЛАНТ-Ц». Показано, что преобразование крупнопластинчатых структур всех типоразмеров заготовок в мелкодисперсную повышает прочностные характеристики на 15% и позволяет прогнозировать предел выносливости на базе Ю7 циклов на уровне 500 МПа.

6. Показано, что формирование мелкодисперсной структуры ножек существенно улучшает полируемость дистальных частей, что позволяет достичь необходимую чистоту поверхности (Ra S 0,1 мкм) и сократить на 40% время полировки.

7. Установлено, что термическое воздействие, имитирующее термический цикл вакуумной ионно-плазменной обработки, приводит к резкому снижению сопротивления усталости материала ножек в частях конструкции, имеющих шероховатую поверхность, вследствие снятия наклепа и наличия концентраторов напряжений. Это приводит к низкому запасу надежности ножек.

8. Разработаны рекомендации по оптимизации конструкции и технологии производства ножек эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц», позволяющие прогнозировать не менее, чем 3-х - 4-х кратный запас усталостной прочности ножек и минимизацию износа цементной мантии. Рекомендации внедрены в производство ЗАО «Имплант-МТ».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ильин A.A., Мамонов А.М., Скворцова C.B., Пермякова Г.В., Курников Д.А. Влияние термоводородной обработки на структуру и свойства отливок из титановых сплавов // МиТОМ, 2002, №5, с. 8-10.

2. Ильин A.A., Мамонов А.М., Скворцова C.B., Гуртовая Г.В., Курников Д.А. Управление комплексом механических свойств титановых сплавов путем модифицирования структуры методами термоводородной обработки // Титан, 2004, №1, с. 25-29.

3. Петров В.А., Курников Д.А., Анохин С.Н. Влияние термоводородной обработки на малоцикловую усталость литого титанового сплава BT20JI // «XXIV Гагаринские чтения» Тезисы докл. Международной молодежной научной конференции, М.: ЛАТМЭС, 1998, с. 127.

4. Курников Д.А., Киселев А.И., Частная В.Г. Статические испытания эндопротеза тазобедренного сустава из титанового сплава ВТ6. // «XXVI Гагаринские чтения» Тезисы докл. Международной молодежной научной конференции, М.: ЛАТМЭС, 2000, с. 115-116.

5. Курников Д.А., Горбовец H.A., Амочкин И.А. Циклические испытания эндопротеза тазобедренного сплава ВТ6 цементной фиксации. // «XXVIII Гагаринские чтения» Тезисы докл. Международной молодежной научной конференции, М.: ЛАТМЭС, 2002, т.1, с. 111-112.

6. Мамонов A.M., Курников Д.А., Горбовец H.A., Харламов A.A. Исследование напряжений и деформаций в материалах компонентов эндопротезов тазобедренного сустава при статических испытаниях. // «Новые материалы и технологии. НМТ-2002». Тезисы докл. Всероссийской научно-технической конференции. М.: ИТЦ «МАТИ»-РГТУ, 2002, т. 1, с. 32-33.

7. Мамонов A.M., Карпов В.Н., Курников Д.А., Палтиевич А.Р. Компьютерное моделирование механического поведения ножки эндопротеза тазобедренного сустава цементной фиксации. // «Применение биологически и механически совместимых имплантатов в ортопедии и травматологии. Внедрение новых технологий в регионах» Материалы научно-практического семинара с международным участием, г. Великий Новгород 5-7 сентября 2006 г., с. 47-48.

Подписано в печать 21.11.2006г. Объем - 1 п.л. Тираж - 100 экз. Издательско-типографский центр МАТИ, Берниковская набережная, 14

Введение.

Глава I. Состояние вопроса.

1.1. Биомеханические аспекты функционирования бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава человека и требования к их надежности.

1.2. Физико-механические и биологические свойства костных структур и материалов, применяемых при эндопротезировании . 19 1.2.1. Строение и физико-механические свойства костных структур.

1.2.2 Физико-механические и биологические свойства материалов, применяемых при эндопро1езировании.

1.3. Методы испытаний эндопротезов тазобедренного сустава.

1.3.1. Статические испытания бедренных компонентов эндопротезов.

1.3.2. Ресурсные испытания тотального эндопротеза тазобедренного сустава.

1.4. Система проектирования, производства и применения биологически и механически совместимых имплантатов (БМСИ)

1.5. Темоводородная обработка как эффективный способ оптимизации структуры и свойств изделий из титановых сплавов

1.5.1 Взаимодействие титана и его сплавов с водородом.

1.5.2 Основы термоводородной обработки титановых сплавов.

Актуальность проблемы

При создании надежных эндопрснезов для замещения пораженных элементов опорно-двигательного аппарата человека, в частности эндопро1езов крупных высоконагруженных суставов, возникает целый ряд материаловедческих, конструкторских, технологических и других проблем. Их рациональное решение возможно только в рамках научно-обоснованного подхода, учитывающего все аспеюы функционирования эндопротеза в новой для организма биомеханической и биохимической системе. Компонентами этой системы являются как сам имплаптат, так и взаимодействующие с ним живые сфуктуры организма (костные, связочные, мышечные), а также материалы, играющие роль механического связующего между элементами эндопротеза и костной тканью. Работоспособность такой системы зависит от уровня и распределения механических напряжений в ее компонентах, их структурного состояния, физико-механических и биологических свойств, геометрических параметров эндопротеза, условий взаимодействия компонентов на контаюирующих поверхностях.

Несмотря на насыщенность рынка эндопротезов, в частности эндопротезов тазобедренного сустава, большое многообразие предлагаемых конструкций, далеко не все из них обеспечивают длительное и безопасное функционирование в организме, что обусловлено в основном неоптимальным выбором материалов и несовершенством технологии производства. Наряду с высокой стоимостью импортных эндопротезов, неразвитостью отечественного эндонротезостроения, другими фаеторами, это создает значительные трудности в развитии данной отрасли здравоохранения.

В последние годы в инженерно-медицинском центре «МАТИ-Медтех» развиваются новые комплексные подходы к выбору материалов, проектированию конструкций, технологии производства и применения эндопротезов тазобедренного сустава. Важнейшими результатами реализации этих подходов являются: использование только титановых сплавов для металлических компонентов эндопротезов (в том числе компонентов, испытывающих значительные циклические и фрикционные нафузки), что позволяет наиболее полно реализовать в изделии важнейшие преимущества титановых сплавов - наилучшую биологическую совместимость, сравнительно низкий модуль упруюсти, высокую удельную прочность и др.; применение новых высокоэффективных технологий обработки, позволяющих управлять объемной и поверхностной структурой изделий и создавать необходимый комплекс физико-механических и функциональных свойств; разработка и внедрение в производство конструкций эндопротезов тазобедренного сустава, не уступающих, а по некоторым важнейшим функциональным параметрам превосходящих зарубежные аналоги.

Для дальнейшего развития этих подходов, расширения номенклатуры, повышения качества и надежности разрабатываемых эндопротезов необходимо исследовать ряд малоизученных аспектов биомеханики, параметров взаимодействия компонентов, влияния процессов изготовления и обрабо1Ки на структуру, технологические и эксплуатационные свойства изделий с целью оптимизации их конструкции и технологии производства, обеспечения высокой надежности и безопасности при значительно более низкой, по сравнению с зарубежными аналогами, стоимостью. Это определяет актуальность темы настоящей работы, выполненной в рамках Научной школы России, руководимой членом-корреспондентом РАН, профессором, д.т.н. А.А. Ильиным.

Целью диссертационной работы являлось исследование материаловедческих аспектов проектирования компонентов эндопротезов из титановых сплавов и оптимизация на этой основе конструкции и технологии производства ножек эндопротезов тазобедренного сустава.

Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи: установить особенности формирования напряженно-деформированного состояния ножки эндопротеза при статических испытаниях; определить коэффициенты фения и напряжения сдвига пары костный цемент - поверхность ножки с различной шероховатостью; исследовать ползучесть и релаксацию напряжений в костных цементов при статических нагрузках; провести компьютерное моделирование механического поведения системы «бедренная кость - костный цемент - ножка эндопротеза» при функциональных нагрузках; исследовать влияние термоводородной обработки на структуру, технологические и механические свойства литых фасонных заготовок ножек из титанового сплава BT20JI; изучить влияние поверхностной механической и последующей термической обработок на сопротивление усталости сплава BT20JI; провести оптимизацию конструкции и технологии производства ножек эндопротезов цементной фиксации семейства «ИМПЛАНТ-Ц».

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Методом математического компьютерного моделирования установлены параметры биомеханического поведения компонентов системы «ножка эндопротеза - цементная мантия - бедренная кость». Подтверждена механическая совместимость ножек «ИМПЛАНТ-Ц». Установлены характер распределения и уровень максимальных механических нагрузок в компонентах системы. Определены параметры конструкции ножек, подлежащие оптимизации.

2. Экспериментально определены коэффициенты трения и напряжения сдвига пары «костный цемент - образец из сплава ВТ20» с различной шероховатостью поверхности. Полученные результаты позволяют повысить достоверность математическою моделирования биомеханики эндопротезов цементной фиксации и научно обосновать выбор конструктивных параметров ножек бедренных компонентов эндопротезов цементной фиксации.

3. Экспериментально установлены параметры ползучести и релаксации напряжений в костных цементах различной вязкости при статических нагрузках, близких к функциональным. Полученные математические выражения этих явлений позволяют учитывать их при моделировании биомеханики эндопротезов цементной фиксации.

4. Установлено что термоводородная обработка повышает предел выносливости образцов сплава BT20JI с исходной литой структурой на 60 - 80% вследствие преобразования крупнопластинчатой структуры а-фазы в мелкодисперсную. Термическое воздействие - вакуумный отжиг, имитирующий термический цикл вакуумного ионно-плазменного азотирования, образцов с шероховатой поверхностью (Ra 1,3.Rz 60 мкм), формируемой абразивной обработкой, приводит к резкому снижению прогнозируемого предела выносливости в 2 - 2,5 раза по сравнению с термоводородпой обработкой вследствие устранения поверхностного упрочнения и наличия поверхностных концентраторов напряжений.

Практическая значимость работы

Проведена оптимизация конструкции - геометрии шейки посадочного конуса, протяженности полированной дистальной части ножки, параметра шероховатости и длины проксимальной части, радиуса ее сопрягающей дуги, а также технологии производства - последовательности и параметров технологических процессов обработки, позволившие повысить надежность ножек бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава семейства «ИМПЛАНТ-Ц», которая обеспечивается отсутствием износа металла ножки, 3-х -4-х кратным запасом ее усталостной прочности, механической совместимостью, что подтверждено математическим компьютерным моделированием, техническими и клиническими испытаниями.

Разработанные рекомендации использованы ЗАО «Имплант МТ» для усовершенствования конструкции и технологии производства эндопротезов тазобедренного сустава, что подтверждено соответствующим документом.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально установлены коэффициенты трения пар «костный цемент - образец из сплава ВТ20», а также напряжения сдвига образцов относительно цементной мантии для различных значений параметров шероховатости поверхности и марок костных цементов. Полученные результаты позволяют повысить достоверность расчетов механического поведения бедренных компонентов эндопротезов цементной фиксации и более обоснованно подходить к проектированию этих изделий и прогнозированию их работоспособности.

2. Экспериментально исследованы явления ползучести и релаксации напряжений в костных цементах различных марок при статических нагрузках. Получены математические выражения, позволяющие учитывать эти явления при моделировании эндопротезов цементной фиксации.

3. Методом математического компьютерного моделирования определены параметры напряженно-деформированного состояния и механического поведения костных структур при эндопротезировании тазобедренного сустава с использованием ножки цементной фиксации «ИМПЛАНТ-Ц». Показана близость этих параметров к параметрам здоровой бедренной кости при функциональных нагрузках, что подтверждает механическую совместимость эндопротезов.

4. Рассчитаны напряжения и деформации всех типоразмеров ножек «ИМПЛАНТ-Ц», а также величина их циклического смещения относительно цементной мантии. Установлено, что максимальные напряжения растяжения в ножках формируются в шейке посадочного конуса головки и во 2-й и 3-й зонах Груена. Расчетные напряжения сдвига цементной мантии относительно поверхностей ножки с параметром шероховатости Rz < 20 мкм близки к экспериментальным, что создает опасность циклической миграции и развития износа костного цемента в области перехода дисталыюй части ножки в проксимальную.

5. Установлено влияние термоводородной обработки на структуру, кратковременные механические свойства и сопротивление усталости литых заготовок ножек «ИМПЛАНТ-Ц». Показано, что преобразование крупнопластинчатых структур всех типоразмеров заготовок в мелкодисперсную повышает прочностные характеристики на 15% и позволяет прогнозировать предел выносливости на базе 107 циклов на уровне 500 МПа.

6. Показано, что формирование мелкодисперсной структуры ножек существенно улучшает полируемость дистальных частей, что позволяет достичь необходимую чистоту поверхности (Ra < 0,1 мкм) и сократить на 40% время полировки.

7. Установлено, что термическое воздействие, имитирующее термический цикл вакуумной ионно-плазменной обработки, приводит к резкому снижению сопротивления усталости материала ножек в частях конструкции, имеющих шероховатую поверхность, вследствие снятия наклепа и наличия концентраторов напряжений. Это приводит к низкому запасу надежности ножек.

8. Разработаны рекомендации по оптимизации конструкции и технологии производства ножек эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц», позволяющие прогнозировать не менее, чем 3-х - 4-х кратный запас усталостной прочности ножек и минимизацию износа цементной мантии. Рекомендации внедрены в производство ЗАО «Имплант-МТ».

-158

1. Agins H.J., Alcock N.W., Bansal M., Salavati E.A., Wilson P.D. Ir., Pellicei P.M., Bullough P.G., J. Bone Joint Surg., 1988, v. 70 (3), p. 347-356.

2. Жаденов И.И., Ковалева И. Д. Некоторые биомеханические аспекты тотального эндопротезирования тазобедренного сустава (обзор литературы) // Ортопедия и травматология. 1991, №8, с. 71-77.

3. Корж А.А., Танькут В.А. Эндопротезирование тазобедренного сустава (актуальность и перспективы) // Ортопедия и травматология. 1995, № 4, с. 4-8.

4. Gotman Irena. Characteristics of metals used in implants. J. of Endourology, 1997, v. 11, №6, p. 383-388.

5. Кузьменко B.B., Фокин В.А. Ортопедия, травматология и протезирование, 1991, № 10, с. 74-78.

6. Воронович И.Р., Никитин Г.М., Воронович А.И. Эндопротезирование тазобедренного сустава//Здравоохранение, 1997, №112, с. 12-14.

7. Мовшович И.А., Виленский В.Я. Полимеры в травматологии и ортопедии. -М.: Медицина, 1978. 320 с.

8. Charneley J. Low Friction Arthroplasty of the Hip. Berlin: Springer-Verlag, 1979. -355 p.

9. Кузьменко B.B., Фокин В.А. Эндопротезирование тазобедренного сустава, современное состояние и перспективы развития метода // Ортопедия и травматология. 1991, №10, с. 74-78.

10. Кулиш Н.И., Танькут В.А. Еще раз об эндопротезировании тазобедренного сустава (суждения и предположения) // Ортопедия и травматология. 1992, №2, с. 71-73.

11. ИСО 7206-2-01 «Имплантаты для хирургии. Эндопротезы тазобедренного сустава частичные и тотальные. Суставные поверхности, изготовленные из металлических, керамических и полимерных материалов»

12. Williams D.F. Biofunctionality and biocompatibility. In: Williams D.F. (ed): Medical and Dental Materials, vol. 14 of Cahn R.W., Haasen R., Kramer E.J. (eds): Materials Science and Technology. Weinheim. Germany: VCH, 1991, pp. 1-27.

13. Hoar T.P., Mears D.S. Corrosion-resistant alloys in chloride solutions: materials for surgical implants. Proc. R. Soc. London Ser. A 1966, 294, pp. 486-510.

14. Кукош H.B. и др. Конструкция эндопротеза головки тазобедренного сустава / Н.В. Кукош, В.П. Малков, Ю.И. Ежов и др. // Биомеханика на службе жизни и здоровья человека: Тезисы докладов. Ч. II. Н.Новгород, 1992, с. 157-159.

15. Rosso R. Five-year review of the isoelastic PM total hip endoprothesis // Arch. Orthop. Trauma Surg, 1988, v. 107, №2, p. 86-88.

16. Ninimaki Т., Puranen J., Jalovaara P. Total hip arthroplastiy unsing isoelastic femoral stems // J. Bone Jt. Surgery, 1994, v. 76-B, №3, p. 413-418.

17. J.D. Bobyn, A.H. Glassman, H. Goto, J. Krigier, J. Miller and C. Brooks, Clin. Orthop. Relat. Res., 261 (1990), p. 196-213.

18. J.D. Bobyn, A.H. Glassman, C.A. Engh, J. Miller and C. Brooks, Clin. Orthop. Relat. Res., 274 (1992), p. 79-96.

19. И.В. Кнетс, Т.О. Пфафрод, Ю.Ж. Саулгозис. Деформирование и разрушение твердых биологических тканей. Рига, «Зинатне», 1980, 319с.

20. А.А. Утенькин. Иииледование механических свойств компактного веществакости как анизотропного материала. Дис. на соис. учен. степ. канд. кехн. наук. Рига, 1974. 199 с.

21. W.T. Dempster, R.T. Liddicoat. Compact bone as a non-isotropic material. Amer.

22. J. Anat. 1952, vol. 91, N3, p. 331-362.- 16024. R.A. Melick, D. R. Miller Variations of tensile strength of human cortical bone withage. Clin. Sci., 1966, vol. 30, p. 243-248.

23. W.T. Dempster, R. F. Coleman Tensile strength of bone along and across the grain.

24. J. Appl. Physiol., 1961, vol. 16, N 2, p. 355-360.

25. Donson D. Medical engineering the multi-disciplinary challenge // Proc. Inst. Mech. Eng. - 1991.-V. 205.-P. 1-10.

26. Sokoloff L. Elasticity of aging cartilage // Fed. Proceeedings. 1966. - V. 25, №3. -P. 1089-1095.

27. McCutchen C.W. The fricional properties of animal joints // Wear. 1962. -V. 5. -P. 1-17.

28. Hayers W.G., Mocros L.F. Viscoelastic properties of human articular cartilage // J. Appl. Physiol. 1971. - V. 31. - P. 562-568.

29. Linn F.C. Lubrication of animal joints. The arthrotripsometer // J. Bone Joint Surg. - 1967. - V. 49A. - P. 1079-1098.

30. Leventhal G.S. J. Bone Joint Surg., 1951, v. 33A., p. 473-480.

31. Глазунов С.Г., Важеннн С.Ф., Зюков-Батырев Г.Д., Ратнер Я.Л. Применение титана в народном хозяйстве Киев, Техника, 1975,200 с.

32. Бочвар Г.А. Струю-ура и свойства литых титановых сплавов и их связь с условиями фазовой перекристаллизации. Автореферат кандидатской диссертации. М. 1966.

33. Вильяме Д.Ф., Роуф Р. Имплантаты в хирургии. Перевод с англ. // М.: Медицина. 1978.552 с.

34. Poss P., Brick G.M., Wright R.j. Prostheses: Materials, design and strategies for implant fixation // Orthopaedic knowledge updates 3. 1990. 185-200.

35. Ventzkev V., Torster F., Biologisch vertmgliche Werkstoffe in der Medizintechnik und Endochirurdie Liteeraturrecherche // GKSS - Forshungzentrum Geesthacht Gmbh. Geesrtacht, 1997.49 c.

36. Титан: совместное издание программы ООН по окружающей среде // (пер. с англ.) М.: Медицина. 1986 г.

37. Nillert H.G., Broback L.G. Crevice corrosion of cemented titanium alloy stems in total hip replacements // Clinical orthopaedics and related research. 1996. N 333. PP. 51-75.

38. International standard. ISO. 5832.

39. Stenemann S. G. Titanium and titanium alloys for surgical implants // Proc. of 5th world conf. on titanium. 1984. V2. PP. 1373-1379.

40. Okazaki Y., Sshimura E. Corrosion Resistance, Mechanical properties, corrosion fatigue strength and biocompatibility of new Ti alloys without V for medical implants // Proc. of 9th world conf. on titanium. St. Peterburg. 1999. PP. 1135-1150.

41. Semlitsh M., Staub F., Weber H. Titanium-aluminum-niobium alloy, development for biocompatible, high strength surgical implants // Sonderdruck aus biomedizinische technik. N30 (12). 1985. PP.334-339.

42. Niinomi M., Kobayashi T. Fatigue characteristics of Ti-5Al-2,5Fe for orthopedic Surgery in simulated body environment // Proceedings of the 8th world conference on Titanium. Birmingham. UK. 1995. PP.1768-1775.

43. Scinemann S.G., Perren S.M. Titanium alloys as metallic biomaterials // Proc. of 5th world conf. on titanium. 1984. V2. PP. 1327-1334

44. Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран. Справочник // М.ВИЛС. 2000.316с.

45. Загородний Н.В., Ильин А.А., Карпов В.Н., Надежин A.M., Скворцова С.В., Сергеев С.С., Плющев А.А., Гаврюшенко Н.С. Титановые сплавы в эндопротезировании тазобедренного сустава // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2000. №2. С.73-76.

46. Nasard R.S., Sedel L., Christel P. Ten years survivorship of cemented ceramic-ceramic total hip prostheses // Clinical Orthopaedics/ 1992. V.282. PP.53-63.

47. Ильин A.A., Петров Л.М., Бецофен С.Я., Луценко А.Н. Влияние ионного азотирования на формирование структуры поверхностных слоев титановых сплавов и сталей // Материалы 15-ой международной конференции

48. Взаимодействие ионов с поверхностью». Звенигород. Москва. 2001. Т.1. С.120-123.

49. Schuller Н.М., Dalstra М., Huiskes R. Total hip reconstruction in acetabular dysplasia //J. bone joint Surg Br. 1993. 75-B. PP. 468-474.

50. Ling R.S.M., Lee A.J.C. Porosity Reduction in Acrylie Cement is Clinically Irrelevant // In book «Clinical orthopadics and related research». №355. 1998. PP. 249-253.

51. Гаврюшенко H.C. Методика испытания качества узлов трения эндопротезов тазобедренного сустава человека // Материалы VI съезда травматологии и ортопедии. Н.-Новгород. 1997. С.537-538.

52. Fowler J.L., Gie G.A., Lee A.J.C., Ling R.S.M. Experience with the Exeter total hip replacement since 1970 // Orthopedic clinics of North America. 1988. V.19. N 3. PP.477-489.

53. Wroblewski B.M. 15-21 year results of the Charnley low friction arthroplasty// Clin.Orthop. Clin. Res. 1986. PP.30-35.

54. Ильин A.A., Колачев Б.А., Носов B.K., Мамонов A.M. Водородная технология титановых сплавов. М.: «МИСИС», 2002, 392 с.

55. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах: М. Наука. 1994. 303с.

56. Ильин А.А., Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах, легированных водородом// Изв. вузов. Цветная металлургия. 1987. №1. С.96-101.

57. Колачев Б.А., Носов В.К., Ильин А.А. Водородная технология титановых сплавов// Материалы научно-технического семинара «Технология-91». Донецк: ДПИ.1991. с. 64-65.

58. Керр В.Р и др. Использование водорода в качестве легирующего элемента.// Титан-80: Наука, технология, применение. Труды IV Международной конференции по титану. Япония, Киото: Пер. с англ. М.: ОНТИ ВИЛС, 1981. т.4. с. 216-236.

59. Колачев Б.А., Ильин А.А., Лавренко В.А., Левинский Ю.В. Гидридные системы: Справочник. М.: Металлургия. 1992. 352 с.

60. Kerr W.R. The effect of hydrogen as a temporary alloying element on the microstructure and tensil properties of Ti6A14V// Met. Trans. A. 1985. Vol. 16. p. 1077-1087.

61. Назимов О.Г1., Ильин A.A., Мальков A.B., Звонова Л.П. Влияние водорода на структуру и физические свойства а-сплавов титана.// Физ.-хим. Механика материалов. 1979. Т.15.№3. с. 24-30.

62. Гельд П.В., Рябов Р.Ф., Мохрачева Л.П. Водород и физические свойства металлов и сплавов: Гидриды переходных металлов. М.: Наука. 1985. 232 с.

63. Назимов О.П., Ильин А.А., Коллеров М.Ю. О состоянии водорода в титане.// Журнал физ. Химии. 1980. т.54. с. 2774-2777.

64. Колачев Б.А., Назимов О.П., Ильин А.А., Мальков А.В. Влияние водорода на электронное строение и свойства р-сплавов.// Электронное строение и физико химические свойства тугоплавких соединений и сплавов: Докл. Всесоюз. Симпоз. Киев. 1979. с. 263-268.

65. Макквиллан А.Д. Растворы элементов внедрения в переходных металлах IVA и VA подгрупп с ОЦК решеткой.// Устойчивость фаз в металлах и сплавах: Пер. с англ. М: Мир. 1974. с.314-330.

66. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия. 1985. С. 216.

67. Колачев Б.А. Водородная хрупкость титана и его сплавов.// Титан. Металловедение и технология. М.: ВИЛС. 1977.Т. 1. с. 443-448.-16470. Колачев Б.А., Водородная хрупкость цветных металлов. М.: Металлургия.1966. 25 с.

68. Ливанов В.А., Буханова А.А., Колачев Б.А. Водород в титане. М.: Металлургия. 1962. с. 246.

69. San Martin A., Manchester F.D. The hydrogen-titanium system.// Bulletin of alloy phase Diagrams. 1987. V.85 4. p. 30-42.

70. Shin D.S., Birnbaum H.K. Evidence of Fee titanium alloy.// Scripta Met. 1986. V.20. №9. p.1261-1264.

71. Колачев Б.А., Ливанов B.A., Буханова A.A. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1974. 544 с.

72. Колачев Б.А., Садков В.В., Талалаев В.Д., Фишгойт А.В. Вакуумный отжиг титановых конструкций. М.: Машиностроение. 1991. с. 217.

73. Ильин А.А., Мамонов A.M. Высокотемпературные рентгеновские исследования водородосодержащего титанового сплава ВТ18У // Изв.вузов. Цв. металлургия. 1989. № 2. С.88-93.

74. Ильин А.А., Мамонов A.M. Температурно-концентрационные диаграммы фазового состава водородосодержащих многокомпонентных сплавов на основе титана // Металлы (РАН). 1994. № 5. С.71-78.

75. Ильин А.А., Мамонов A.M. Фазовые равновесия в водородосодержащих многокомпонентных системах на основе титана.//Титан. 1993. №3. с. 25-33.

76. Ильин А.А., Мамонов A.M. Фазовые превращения и механизм структурообразования в титановых сплавах, легированных водородом // Тезисы докладов Всероссийского семинара «Водород в металлических материалах». М.:МАТИ, 1993. С. 3-5.

77. Ильин А.А., Михайлов Ю.В., Носов В.К., Майстров В.М. Влияние водорода на распределение легирующих элементов между а- и р-фазами в титановом сплаве ВТ23// Физ.-хим. механика материалов. 1987. т. 23, №1. с.112-114.

78. Колачев Б.А., Ильин А.А. О термоводородной обработке титановых сплавов.// Термическая, химико-термическая и лазерная обработка сталей и титановых сплавов. Пермь: ППИ. 1989. с. 97-101.

79. Мамонов A.M., Ильин А.А., Гришин О.А. Исследования фазовых превращений при дегазации водородосодержащих титановых сплавов.// Тезисы докладов научно-технического семинара «Водород в металлических материалах.» М.: МАТИ, 1993. с. 30-31.

80. Ильин А.А., Мамонов A.M., Коллеров М.Ю. Научные основы и принципы построения технологических процессов термоводородной обработки титановых сплавов.// Металлы. 1994. '4. с. 44-45.

81. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов A.M., Карпов В.Н.Применение материалов на основе титана для изготовления медицинских имплантатов.// Металлы. 2002. №3. с. 97-104.

82. Коростелев П.П. Лабораторные приборы технического анализа. Справочник. М., Металлургия. 1987. с.115-117.

83. Назимов О.П., Буханова А.А. Спектральное определение водорода в металлах. Журнал прикладной спектроскопии. 1977. т.27. с.963-973.

84. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970,2-е изд., 366 с.

85. Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран. М., ВИЛС. 2000.316 с.

86. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. и др. Конструкционные титановые сплавы. М., Металлургия. 1974.368с.

87. Левочкин А.А. Материаловедческие аспекты технологии производства компонентов эндопротезов из титановых сплавов Автореферат кандидатской диссертации. М. 2003.

88. Воронков И.М. Курс теоретической механики. М.: Физматиз. 1959. 596с.

89. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов A.M. Влияние термоводородной обработки на структуру и свойства отливок из титановых сплавов. // МиТОМ, 2002, №5, с. 10-13.