автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Технологические методы управления характеристиками работоспособности имплантатов из никелида титана с эффектом запоминания формы

На правах рукописи УДК 669.295*245:615.472

?гб од з о гшз

АСПИРАНТ Гусев Дмитрий Евгеньевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИМПЛАНТАТОВ

г

ИЗ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТОМ ЗАПОМИНАНИЯ ФОРМЫ

Специальности: 05.16.01. - «Металловедение и термическая обработка металлов» 05.02.01. - «Материаловедение (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

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

Научные руководители: - член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор Ильин Александр Анатольевич, -доктор технических наук, профессор Коллеров Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Чернов Дмитрий Борисович (НИИСУ) - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Хмелевская Ирина Юрьевна (МИСИС)

Ведущее предприятие - ОАО НИАТ

Защита диссертации состоится 22 июня 2000 года в 15й часов на заседании

технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, материаловедения (в машиностроении) в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанская, 3, «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, ауд. 205А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 19 мая 2000 года.

диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук

С.В. Скворцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рабугы. Сплавы на основе никелида титана, обладающие эффектом запоминания формы (ЭЗФ) и сверхупругостыо (СУ), находят все более успешное применение в медицине для изготовления инструментов и имплантатов, Помимо высокого комплекса механических свойств и характеристик ЭЗФ, сплавы на основе никелида титана обладают высокой коррозионной стойкостью н биологической совместимостью с тканями организма человека. В отличие от имплантатов из традиционных конструкционных материалов (сталей, сплавов на основе титана, кобальта и др.), имплантаты из материалов с ЭЗФ отличаются простотой установки и меньшим травмированием при операциях. Кроме того, нх механическое поведение при эксплуатационных нагрузках может быть приближено с помощью выбора конструкции и технологии обработки к поведению различных естественных структур организма (костных, хрящевых, связочных и др.). Так, например, на производственной базе МАТИ-РГГУ им К.Э. Циолковского организовано серийное производство имплантатов из сплавов на основе никелида титана с саморегулирующимся уровнем компрессии, использующихся при проведении ортопедических, кардиологических и нейрохирургических операций.

Особенностью использования сплавов с ЭЗФ в медицине является необходимость точного соответствия температурного интервала проявления ЭЗФ с температурой человеческого тела. Учитывая сильную зависимость температур мартенситного превращения от содержания никеля в сплавах на основе никелида титана, перед разработчиками конструкций, применяемых в медицине, возникает острая проблема выбора оптимального химического состава сплавов, в которых методами термической обработки можно обеспечить требуемый интервал температур восстановления формы. Кроме того, еще не достаточно полно изучена связь характеристик ЭЗФ сплавов на основе никелида титана с их химическим составом и структурой, а также с условиями деформации, такими, как температура, схема и степень деформации. Отсутствие этих данных затрудняет выбор конструкции имплантатов и приводит к необходимости последовательной коррекции конструкции на основании результатов опытной эксплуатации.

С другой стороны, в настоящее время еще не существует методов определения характеристик работоспособности таких имплантатов, что затрудняет

как их разработку и производство, так и правильное применение в клинической практике.

Таким образом, изучение закономерностей температурно-деформациокного поведения сплавов на основе никелида титана, направленное на обеспечение требуемого уровня характеристик работоспособности имплантатов, является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение.

Цель настоящей работы состояла в разработке технологических методов управления характеристиками работоспособности имплантатов из никелида титана с саморегулирующимся уровнем компрессии на основе изучения влияния химического состава сплавов и термической обработки на их структуру и температурно-деформационные характеристики эффекта запоминания формы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние химического состава сплава и термической обработки на характеристики эффекта запоминания формы сплавов на основе никелида титана.

2. Изучить влияние характеристик эффекта запоминания формы материала и геометрии конструкций на характеристики работоспособности имплантатов.

3. Разработать принципы выбора оптимальных химического состава и структуры сплавов, а также геометрии конструкции и технологии применения имплантатов в зависимости от медико-технических требований.

Научная новизна:

1. Показано, что одной из важнейших характеристик эффекта запоминания формы материала является температурная зависимость критической степени деформации, отвечающей смене механизма формоизменения от сдвигового (мартенситного или двойникования) к скольжению. Разработана методика определения критической степени деформации и определено влияние на нее схемы деформации, а также химического состава и структуры сплавов на основе никелвда титана

2. Разработана методика определения характеристик работоспособности имплантатов из никелида титана с эффектом запоминания формы, включающих температурные (температура изменения формы для установки имплантата и температуры начала и конца восстановления формы) и деформационно-силовые

(усилие, развиваемое имплаитатом при его установке, допустимая величина деформации и жесткость противодействия имплантата внешним нагрузкам) параметры.

3. Разработаны принципы управления характеристиками работоспособности имплантатов с саморегулирующимся уровнем компрессии путем оптимизации их конструкции, а также химического состава и структуры сплавов на основе никелида титана. Результаты расчетов с использованием компьютерного моделирования и экспериментальных испытаний показали, что оптимальной формой имплантатов, предназначенных для остеосинтеза грудины, является волнообразная конструкция, которая обеспечивает оптимальное соотношение силовых и деформационных характеристик.

Практическая значимость;

1. Определена область концентраций сплавов на основе никелида титана, предназначенных для изготовления имплантатов, в которых методами термической обработки можно обеспечить температуры восстановления формы в интервале 25-f45°C. Содержание никеля в этих сплавах не должно выходить за рамки 54,8-55,8 вес.% Ni.

2. Разработаны режимы термической обработки, позволяющие управлять температурными характеристиками имплантатов с ЭЗФ из сплавов на основе никелида титана. Установлено, что ступенчатое старение полуфабрикатов при изготовлении имплантатов, включающее предварительную выдержку при температуре 500°С (30 мин) и окончательную при 450°С (10-20 мин для сплавов с содержанием никеля 55,7 вес.% и 50-70 мин для сплавов с содержанием никеля 54,8 вес.%), позволяет варьировать температуру конца восстановления формы в интервале температур от +25 до +45°С.

3. Разработана методика расчета геометрических параметров имплантатов, основанная на сравнении деформаций и напряжений, действующих в имплантатах при их установке и эксплуатации, с величинами критических напряжений и деформаций материала при соответствующих температурах и схемах нагружения.

4. Установлено, что наиболее высокие деформационные и силовые характеристики работоспособности при температуре эксплуатации 36-г37°С обеспечиваются у имплантатов, изготовленных из сплавов на основе никелида

титана с нерекристаллизованной структурой. В то же время, для увеличения допустимой деформации при установке имплантатов (при t<10°C) необходимо иметь рекристаллизованную структуру, которая обеспечивается проведением отжига при температурах 700*800°С.

Разработанные рекомендации использованы при создании новых конструкций имплантатов и прошли опытное и серийное опробование в ЗАО «КИМПФ», что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 5 научно-технических конференциях, в том числе международных: «Новые материалы и технологии» (1998 г., Москва), МНТК «Гагаринские чтения» (1999 и 2000 гг., Москва), 9'h World Conf. Titamum'99, (1999 г., Санкт-Петербург), «Современные проблемы аэрокосмической науки» (2000 г., Москва).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 124 наименований. Она изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 12 таблиц.

Глава I. Состояние вопроса.

В главе проанализированы механизмы накопления и возврата деформации при реализации в сплавах ЭЗФ. Описаны классификация и характеристики этого эффекта. Рассмотрено проявление ЭЗФ в сплавах на основе никелида титана и его связь с химическим составом и структурой сплавов, приведены данные об уровне специальных и механических свойств. Рассмотрены методы расчета характеристик ЭЗФ и принципы создания конструкций из сплавов, обладающих ЭЗФ. Показана связь этих характеристик со схемами деформации сплавов. Проведен анализ особенностей и условий работы конструкций, применяемых в медицине.

Установлено, что в настоящее время нет общепринятой терминологии, описывающей феноменологию проявления ЭЗФ, отсутствует общепринятая классификация ЭЗФ и его характеристик. Большая часть предложенных различными авторами характеристик ЭЗФ имеют ряд недостатков, ограничивающих их широкое применение, поскольку они в значительной мере

зависят от методики и условий проведения эксперимента. Это создает значительные трудности в сопоставлении и анализе экспериментальных результатов, полученных различными авторами, а также затрудняет использование этих характеристик для расчета конструкций с ЭЗФ. В то же время анализ

9

литературы показал, что теоретические методы расчета характеристик материалов с ЭЗФ отработаны недостаточно и пока могут ограничено привлекаться к решению только узко специальных проблем.

С другой стороны, в настоящее время накоплено большое количество экспериментальных результатов, описывающих влияние химического состава и структуры сплавов на основе никелида титана на изменение характеристических температур и последовательности мартенситных" превращений, обусловливающих проявление в этих сплавах ЭЗФ. Однако влияние фазового состава и структуры сплавов на весь комплекс характеристик ЭЗФ и СУ изучено еще не достаточно полно. Известно, что небольшое количество упрочняющей фазы благоприятно влияет на характеристики работоспособности при восстановлении формы в условиях внешнего противодействия. Выделение дисперсных частиц интерметаллвдов способствует упрочнению матрицы, что тормозит процесс пластической релаксации напряжений, создаваемых внешним противодействием. В этом отношении более эффективно ступенчатое старение сплавов, которое дает значительное повышение силовых характеристик ЭЗФ не только при однократном, но и при многократном восстановлении формы. В сплавах на основе никелвда титана уровень характеристик ЭЗФ зависит также от структурного состояния матрицы сплава. Особенно заметно это сказывается на последовательности реализации механизмов формоизменения материала при деформации. В частности, в сплавах с рекристаллизованной структурой механизм накопления деформации, обусловленный скольжением, начинает проявляться раньше, чем в сплавах после холодной деформации, что приводит к неполному восстановлению формы при меньших степенях наведенной деформации. В то же время закономерности изменения характеристик ЭЗФ в сплавах на основе никелида титана в зависимости от температуры, определяющей условия работы конструкций, пока не изучались.

Анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день практически не существует методов определения и управления характеристиками работоспособности имплантатов и медицинских инструментов, что связано с отсутствием достаточного опыта конструирования изделий с ЭЗФ.

Поэтому в главе обоснована необходимость исследования влияния химического состава и структуры на температурно-деформационные характеристики ЭЗФ в сплавах на основе никелида титана и разработки конструкций имплантатов с требуемым уровнем силовых и деформационных характеристик. Поставлена цель работы и сформулированы конкретные задачи исследования.

Глава II. Объекты и методы исследования.

В качестве объектов исследования были выбраны листы и проволока из сплавов на основе никелида титана, полученные по промышленной технологии, последним этапом которой были прокатка или волочение при температурах 500+600°С. Химический состав сплавов приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав исследуемых сплавов на основе никелида титана.

N Вид Содержание N1, Содержание примесей, вес.%

сплава полуфабриката вес.% С N О Н

1 лист, толщиной 54,1 0,007 0,01 0,07 0,003

2 1*1,5 мм 54,3 0,008 0,02 0,05 0,002

3 • 54,5 0,007 0,02 0,06 0,004

4 54,8 0,006 0,02 0,0 7 0,002

5 55,1 0,008 0,01 0,04 0,003

6 56,0 0,007 0,02 0,03 0,003

7 проволока 54,8 0,023 0,005 0,12 0,0017

8 55,7 0,012 0,009 0,16 0,0011

Термическую обработку сплавов проводили в лабораторных печах электросопротивления СНОЛ-1,6.2,5.1/9-И4 с воздушной атмосферой и в вакуумных печах СВНЭ-1.31/16-И4. Фазовый состав и структуру изучали методами рентгеноструктурного анализа на дифракгометре ДРОН-4,07 в фильтрованном Ка медном излучении и электронной микроскопии с применением * микродифракции электронов на просвечивающем электронном микроскопе «ТевЬ В5-500». Испытания на растяжение проволочных образцов проводили при нормальной температуре на машине «ТИШея! 2300» с постоянной скоростью

деформирования ¿=2,M0'V. Для определения характеристик ЭЗФ, в том числе температур начала (А,*) и конца (А,*) восстановления формы, степени восстановления формы (СВФ), величин восстановленной (е,) и невосстановленной деформации (ен1), образцы деформировали растяжением, изгибом и кручением на различную степень (е„) в специальных установках, описание которых дано в диссертации. Определение характеристик работоспособности имплантатов проводили на машине «TIRAtest» и в специальной установке, описанной в диссертации.

Полученные в исследованиях экспериментальные результаты были обработаны методами математической статистики.

Глава III. Влияние химического состава и струюуры па характеристики эффекта запоминания формы бинарпых сплавов на основе никелвда тнтапа.

Глава посвящена изучению влияния химического состава, термической обработки и условий деформации (температуры, степени и схемы деформации) на структуру и характеристики ЭЗФ сплавов на основе никелида титана.

На первом этапе было исследовано влияние химического состава и температуры отжига на структуру и характеристики ЭЗФ образцов из горячекатаных листов сплавов с содержанием никеля от 54,1 до 56,0 %*, подвергнутых деформации изгибом. Рентгеноструктурный анализ показал, что в состоянии поставки структура сплавов с содержанием никеля 54,8 % и выше характеризуется содержанием в матрице (В2-фазе и/или мартенсите В19') частиц интерметаллидов TijNi«. Старение этих сплавов в интервале температур 400-500°С приводит к дополнительному выделению частиц иитермегаллида TijNi4, в результате чего матрица сплавов обедняется никелем, и повышаются температуры восстановления формы. При высокотемпературном отжиге в интервале температур от 700 до 900°С происходит растворение частиц интерметаллнда, что приводит к обогащению матрицы сплава никелем и понижению температур восстановления формы. В сплавах с низким содержанием никеля (менее 54,8 %) при высокотемпературном отжиге температуры восстановления формы повышаются, что, по-видимому, связано с протеканием в этих сплавах процессов полигонизации и рекристаллизации.

" - здесь и далее по тексту содержание никеля указано в весовых процентах.

Медицинские нмплаитаты должны восстанавливать исходную форму в интервале температур от +25 до +45°С, т.е. температура начала восстановления формы должна быть не ниже +25°С, а температура конца восстановления формы -не выше +45°С. Проведенные исследования показали, что этим условиям удовлетворяют сплавы, попадающие в интервал концентраций 54,8-55,8 % N1, в которых методами термической обработки можно обеспечить требуемые температуры восстановления формы. При этом степень восстановления формы близка к 100%.

Поэтому для дальнейших исследований были выбраны сплавы с содержанием N1 54,8 н 55,7 %, из которых была получена проволока диаметром от 2 до 3 мм по промышленной технологии. Проволока была подвергнута отжигу в интервале температур от 700 до 900°С с последующим старением в воздушной атмосфере в интервале температур от 300 до 600°С. После отжига в сплавах формируется структура, характеризующаяся наличием в В2-фазе частиц интерметаллида ТЬЫц. В результате старения в интервале температур от 350 до 550°С В2-фаза претерпевает распад с образованием дополнительного количества частиц ТЬЫц, а при температуре 600°С - частиц "П2№з. Изучение структуры сплавов методом просвечивающей электронной микроскопии показало, что морфология частиц интерметаллндов меняется с температурой старения. При температурах старения до 450°С образуются пластинчатые мелкодисперсные когерентные с В2-фазон частицы "ЛзШ», при температурах выше 500°С—крупные глобулярные частицы "П3ЫЦ. В сплавах с высоким и низким содержанием никеля структура отличается только объемной долей интерметаплидов.

Обеднение матрицы сплавов никелем в процессе выделения интерметаллидных частиц при старении приводит к повышению температур мартенситного превращения и восстановления формы. Старение сплавов при температурах от 450 до 500°С в течение одного часа обеспечивает температуры восстановления формы на уровне +-25...+45°С. Переход к более высоким температурам старения приводит к уменьшению объемной доли выделяющегося интерметаллида и понижению температур восстановления формы. Наиболее сильно это выражено в сплаве Т)-55,7 №.

Благодаря переменной растворимости интерметаллида Т^ЬЩ в В2-фазе, с помощью ступенчатого старения при температурах 450 н 500°С можно изменять

объемную долю и морфологию частиц ИзЫЦ. Это позволяет .варьировать температуру конца восстановления формы (А*") выбранных сплавов в интервале +25...+45°С (табл. 2). Рассмотренные выше закономерности изменения температур восстановления формы были использованы для управления температурными характеристиками имплантатов методами термической обработки.

Таблица 2.

Влияние режимов ступенчатого старения на температуру конца восстановления формы сплавов на основе ТОМ

Режимы Температура А/, °С

старения ТЬ54,8№ Т1-55,7 N1

500°С, 30 мин 26 8

500°С, 30 мин + 450°С, 30 мин 33 42

500°С, 30 мин + 450°С, 30 мин + + 500°С, 30 мин 28 18

500°С, 30 мин + 450°С, 30 мин + + 500°С, 30 мин + 450°С, 30 мин 35 42

На следующем этапе работы термообработанные образцы из проволоки исследуемых сплавов были подвергнуты деформации кручением при температурах от 5 до 50°С. Термообработка включала в себя ступенчатое старение при температурах 450 и 500°С, обеспечивающее образцам температуру конца восстановления формы АК'=35°С. После деформации образцы нагревали и определяли величину восстановленной и невосстановленной деформации. Величина наведенной деформации, после которой появляется невосстановленная деформация, является важной характеристикой, которую следует использовать при анализе работоспособности конструкций. При этом необходимо учитывать зависимость этой характеристики от температуры. В настоящей работе было предложено в качестве предельно допустимой критической величины наведенной деформации использовать степень деформации, которой соответствует невосстановленная деформация, равная 0,2% (укр0,2). Эта величина находится в пределах допусков на геометрию большинства изделий, и в то же время может

быть достаточно точно измерена в процессе исследований. Согласно полученным результатам (рис. 1), с увеличением температуры испытаний величина у0*2^, уменьшается.

а)

б)

Рис. 1. Зависимость критической степени деформации у^* (а) и критических " напряжений т„р (б) от температуры деформации.

Величина критической степени деформации определяется соотношением напряжений мартенситного превращения и напряжений, при которых в матрице сплава начинают развиваться процессы скольжения. Поэтому по кривым деформации сплавов определяли уровень критических напряжений, соответствующих величине критической деформации (рис. 1, б). В сплаве, богатом никелем, объемная доля упрочняющих матрицу интерметаллвдов больше. Поэтому в этом сплаве уровень критических напряжений значительно выше.

При деформации растяжением и изгибом зависимости критической степени деформации (е^0-2) от температуры подобны зависимости при деформации кручением (рис. 2). При растяжении максимальная величина критической деформации близка к теоретически рассчитанной максимальной кристаллографической деформации при маргенситном превращении для бестекспуриого поликристалла. При реализации схем деформации кручением и изгибом наблюдается значительно более высокий уровень критических деформаций, что связано с особенностями распределения напряжений и

деформаций по сечению образца.

„им

< 7ф

%

9 6

3

°5 15 25 35 45 I, °С

Рис. 2. Влияние схемы деформации проволочных образцов из сплава Ть55,7%М1 на температурную зависимость критической степени деформации.

Результаты проведенных исследований показывают, что величины е„рМ, у^0,2 являются важными параметрами, характеризующими работоспособность сплавов с

кручение

изгиб

Ч|

растяжЕ нив

N

ЭЗФ. При проектировании и эксплуатации изделий, обладающих ЭЗФ, в частности медицинских имплантатов, необходимо добиваться, чтобы уровень напряжений и деформаций, возникающих в материале, не превышал критических. При этом следует учитывать температурную зависимость этих характеристик. Превышение величин Уч,°Д будет приводить к ухудшению характеристик

работоспособности нмплантата и, возможно, к потере функциональных свойств изделия в целом.

Глава IV. Влияние геометрии имплантатов в условий деформации на их характеристики работоспособности.

На следующем этапе рассмотренные выше особенности температурно-деформацнонного поведения сплавов с ЭЗФ были использованы при анализе конструкций имплантатов. При этом были рассмотрены наиболее часто встречающиеся в медицине «С»- и «Г1»-образные формы фиксаторов связочно-хрящевых и костных структур организма (рис. 3). Анализ конструкций начинался с компьютерного моделирования и расчета напряженно-деформированного состояния имплантатов при действии внешней нагрузки с применением метода конечных элементов. При расчете конструкций максимально действующие деформации приводились к величине критической степени деформации для соответствующих схем и температур деформации. При этом определяли максимальную величину перемещения элементов конструкции (рабочий ход конструкции) и соответствующие им развиваемые усилия.

Результаты расчетов параметров конструкций показали, что у «П»-образных фиксаторов деформации и напряжения сконцентрированы в вершине петли, а у «С»-образных фиксаторов они распределены по длине конструкции более равномерно. У таких конструкций при нагружении работает больший объем материала, а опасность возникновения критических деформаций и напряжений ниже. При этом повышается уровень развиваемых при эксплуатации усилий. Недостатком таких конструкций является небольшая величина рабочего хода -увеличения исходной длины Ь при установке фиксатора в охлажденном (мартенситом) состоянии (при 1=+5...+Ю°С). Величина рабочего хода «Сообразных конструкций, у которых размер Ь лежит в интервале 20+45 мм,

составляет 5+8 мм, тогда как у «^»-образных фиксаторов при тех же размерах он составляет 8-М 5 мм.

Рис. 3. Фиксаторы для остеосинтеза грудины: а) варианты конструкций (сверху вниз): "П"-образный фиксатор, волнообразный фиксатор, «С»-образный фиксатор; б) "0"-образные фиксаторы, установленные на грудину.

Для определения характеристик работоспособности имплантатов и проверки адекватности модели было изучено механическое поведение «П»-образных фиксаторов, применяемых для остеосинтеза грудины при проведении кардиологических операций (см. рис. 36). Температура конца восстановления формы имплантатов составляла 35±2°С. При деформации в мартенснтном состоянии фиксатор характеризуется хорошей пластичностью (низким уровнем деформирующих усилий) и высокой критической степенью деформации (£Кр0-2=9-н11,5 %), что обеспечивает имплантату большой рабочий ход и позволяет достаточно легко установить его на соединяемые части грудины (рис. 4). При температуре эксплуатации (36,6°С) имплантаты демонстрируют сверхупругое поведение.

Результаты испытаний показали, что после нагрева до температуры эксплуатации уровень усилий, развиваемых имплантатом, определяется по кривой разгрузки в сверхупругом состоянии. Развиваемое усилие меняется в зависимости от выбранного установочного размера, равного разности размеров грудины (ЬгрУД) и имплантата (АЬуст =Ьгруд -Ь). После установки имплантаты подвергаются

циклическим внешним нагрузкам в сверхупругом состоянии. При этом их механическое поведение (взаимосвязь деформаций и развиваемых усилий) стабилизируется на замкнутой петле, а максимальные усилия, развиваемые имплантатом, приближаются к соответствующим значениям на кривой нагрузки (см. рис. 4).

Рис. 4. Механическое поведение «0»-образных фиксаторов при деформации по следующей схеме: деформация при 10°С (1), нагрев до Зб,6°С при внешнем противодействии восстановлению формы (2) и деформация при Зб,б°С при циклических внешних нагрузках (3).

Поэтому при установке фиксатора установочный размер следует выбирать таким образом, чтобы при последующей эксплуатации деформации, возникающие в материале, не превышали критических деформаций при соответствующей температуре. Проведенные испытания показали хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами расчетов.

Одним из способов регулирования характеристик работоспособности " имплантатов является оптимизация их конструкции. Подбором диаметра проволоки и формы рабочих элементов можно разрабатывать конструкции имплантатов, отвечающих механическому поведению костных и связочных

структур организма человека. Выбор геометрии осуществлялся с помощью компьютерного моделирования. Уменьшение диаметра проволоки или увеличение диаметра петли «^»-фиксаторов приводит к увеличению рабочего хода конструкции, соответствующего критической деформации, но в то же время и к уменьшению развиваемых усилий. Поэтому в работе было предложено использовать волнообразную форму конструкции (см. рис. За). Подбором геометрии волны можно добиться оптимального сочетания силовых характеристик и величины максимального рабочего хода конструкции.

Помимо оптимизации конструкции, управлять характеристиками работоспособности имплантатов можно с помощью изменения структуры сплавов. В. частности, процессы полигонизации и рекристаллизации в сплавах оказывают влияние на величины критической степени деформации и соответствующие им напряжения. В сплавах, подвергнутых отжигу при 700вС и имеющих рекристаллизованную структуру, при температуре деформации ниже температуры начала обратного мартенситного превращения величина критической степени деформации выше, чем в сплавах с нерекристаллизованной структурой. Но в то же время, при температуре эксплуатации имплантатов - эта величина ниже.

Поэтому в тех случаях, когда при установке имплантата требуется большая величина рабочего хода, рекомендуется применять ре кристаллизационный отжиг. При этом следует учитывать, что величина допустимой деформации под действием внешних эксплуатационных нагрузок имплантата уменьшится. Если возможны большие перемещения во время эксплуатации под действием внешних нагрузок, то имплантата следует изготавливать без применения ре кристаллизационного отжига.

Глава V. Оптимизация геометрии, состава и структуры имплантатов из никелида титана для повышения характеристик их работоспособности.

Характеристики работоспособности имплантатов из сплавов на основе никелида титана целесообразно разделить на две группы:

1) температурные характеристики, включающие в себя:

-температуру изменения (деформации) формы (Тд);

- температуры начала и конца восстановления формы (Ан*, А.*);

2) силовые и деформационные характеристики (рис. 5):

уст

1=37°С>

и 1 Г ^^ 1 А 1=10°С ¥ 1 Г 1

/ ^^ 1 {у^ 1 / 1

¿Чет!— X АЦцеф Д1-

Рис. 5. Силовые и деформационные характеристики фиксаторов, предназначенных для остеосшпеза грудины.

- максимальная деформация ЛЬдф (максимальный рабочий ход) имплантата при температуре деформирования Тд, гарантирующая полное восстановление исходной формы при реализации ЭЗФ;

- минимальная и максимальная величина установочного размера ДЬуа;

- минимальная и максимальная сила компрессии Рус1 после установки имплантата при соответствующей величине установочного размера;

- жесткость противодействия внешним нагрузкам К.

Параметр ДЬ^ может быть определен при помощи расчета. Установочный размер выбирается таким образом, чтобы развиваемые при нагреве до Зб,б°С усилия компрессии Р^ обеспечивали надежную фиксацию элементов грудной кости. При движениях человека в послеоперационный период грудина и имплантаты могут подвергаться внешним воздействиям. В этом случае фиксатор, проявляя сверхупругое поведение, развивает соответствующую компрессию Рк. При этом возникающие в имплантате деформации не должны превышать критической степени, а имплангат должен обеспечивать усилия, достаточные для противодействия внешним нагрузкам. В качестве параметра противодействия внешним нагрузкам (жесткости), действующим во время эксплуатации имплантата, следует использовать величину К=(Р, - РустУХ, где X - допустимая величина

зазора, который может возникать под действием внешних нагрузок, между двумя половинами грудины, определяемая биомеханическим расчетом и на основе функциональных рентгеновских исследований в послеоперационный период. Во всех случаях при изменении формы имплаитага (при величинах деформации ДЬ*ф и ДЬус+Х) максимальные деформации в критических сечениях конструкции не должны превышать критической степени деформации для соответствующих схем деформации и температуры.

На основе экспериментальных результатов была разработана методика определения перечисленных характеристик работоспособности имплантатов различных конструкций.

Обычно в клинической практике для соединения грудины устанавливают 3-4 фиксатора. Общая величина компрессии, действующая на грудину, зависит от расположения имплантатов на грудине и эпюры распределения внешних сил. Поэтому на следующем этапе работы были проведены испытания на специальном макете, который имитировал рассеченную грудину. При этом определяли общие усилия, развиваемые фиксаторами при установке и последующей эксплуатации в зависимости от количества имплантатов, установочного размера, места расположения имплантатов на грудине и места приложения внешних нагрузок к грудине. Испытания подтвердили результаты расчетов и предварительных измерений усилий, описанные в главе IV. Величина компрессии, действующая на грудину, возрастает с увеличением установочных размеров и количества установленных фиксаторов (таблица 3). Механическое поведение имплантатов зависит также от химического состава сплавов: чем выше содержание никеля, тем выше уровень развиваемых усилий.

На макете были проведены сравнительные испытания волнообразных, «С»-и «П»-фиксаторов. Результаты испытаний показали, что развиваемые усилия и жесткость противодействия «С»-фиксаторов выше, чем у «П»-фиксаторов (таблица 4). Однако «С»-фиксаторы не всегда удается установить на грудину из-за небольшого рабочего хода конструкции (АЬ^). Особенно трудно устанавливать имплантаты небольшого размера (Ь=20+30 мм). В этом случае целесообразно использовать волнообразную форму конструкции (см. рис. 3), а величину рабочего хода регулировать с помощью изменения кривизны волны. Максимальная величина рабочего хода обеспечивается путем выбора оптимального соотношения

кривизны волны и диаметра проволоки. Усилия, развиваемые волнообразными фиксаторами, и жесткость возрастают с уменьшением кривизны волны и имеют промежуточные значения между «О»- и «С»-образными фиксаторами.

Таблица 3.

Результаты испытания силовых характеристик «^»-образных фиксаторов, установленных на макет фудины.

Количество Общее развиваемое Общая жесткость

Сплав фиксаторов, усилие РД,,Н К£, Н/мм

шт. АЬусг=3,5мм ДЬусг^.Омм Д17СТ=3,5мм ЛЬуст^.Омм

3 30 60 47 47

Ti-54,8%Ni 4 50 120 47 67

3 30 90 53 53

Ti-55,7%Ni 4 110 150 67 67

Таблица 4.

Результаты испытания силовых характеристик при установке на макет грудины 3-х фиксаторов (ДЬус^.О мм).

Тип фиксаторов Общее развиваемое Общая жесткость

усилие Р^,, H К£, Н/мм

«С»-образный 120 67

«П»-образный 90 53

Волнообразный 110 60

Повысить величину рабочего хода конструкции также можно, если при изготовлении полуфабриката имплантата применить рекристаллизационный отжиг при температуре 700+800°С в течение одного часа. Однако при этом следует учитывать, что, по сравнению с имплантатами, выполненными из сплавов с нере кристаллизованной структурой, применение рекристаллизационного отжига приводит к некоторому снижению деформационно-силовых характеристик имплантатов при температуре эксплуатации.

Результаты работы были использованы при разработке технологии серийного производства и контроля характеристик работоспособности имплантатов на предприятии ЗАО «КИМПФ», а также методических указаний по установке имплантатов, что подтверждено соответствующими документами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследовано влияние химического состава сплавов на основе никелида титана на характеристики ЭЗФ. Установлено, что содержание никеля в бинарных сплавах, предназначенных для изготовления имплантатов, работающих в температурном диапазоне от 25 до 45°С, не должно выходить за рамки интервала 54,8+55,8 %.

2. Установлены оптимальные режимы термической обработки, обеспечивающие требуемые температуры восстановления формы: ступенчатое старение, при температурах 500°С в течение 30 мин и 450°С. Время выдержки при 450°С зависит от химического состава сплава. В сплавах с высоким содержанием никеля (в пределах интервала 54,8+55,8 %) время выдержки должно составлять от 10 до 20 мин, а в сплавах с низким содержанием никеля - от 50 до 70 мин.

3. Установлено, что одной из важнейших характеристик эффекта запоминания формы материала является температурная зависимость критической степени деформации, отвечающей смене механизма формоизменения от сдвигового (мартенситного или двойникования) к скольжению. Разработана методика определения критической степени деформации и определено влияние на нее схемы деформации, а также химического состава и структуры сплавов на основе никелида титана.

4. Показано, что при разработке конструкций имплантатов с ЭЗФ следует учитывать зависимости критической степени деформации от температуры. В процессе изменения формы в охлажденном состоянии (1=н-5...+10°С) и эксплуатации (1=35+37°С) деформация имплантатов не должна превышать критической. Превышение критической степени деформации приводит к накоплению невосстановленной деформации и ухудшению характеристик работоспособности имплантатов.

5. Разработана методика определения характеристик работоспособности имплантатов из никелида титана с эффектом запоминания формы, включающих

температурные (температура изменения формы для установки имплантата и температуры начала и конца восстановления формы) и деформационно-силовые (усилие, развиваемое имплантатом при его установке, допустимая величина деформации и жесткость противодействия имплантата внешним нагрузкам) параметры.

6. Наиболее высокие деформационные и силовые характеристики работоспособности при температуре эксплуатации проявляют имплантаты, изготовленные из сплавов на основе никелида титана с нерекристаллизованной структурой. В то же время, для увеличения допустимой деформации при установке имплантатов (при t<10°C) необходимо иметь рекристаллизованную структуру, которая обеспечивается проведением при изготовлении имплантата отжига при температурах 700+800°С.

7. На основе результатов расчетов с использованием компьютерного моделирования и экспериментальных испытаний показано, что оптимальной формой имплантатов, предназначенных для остеосинтеза грудины, является волнообразная конструкция, которая обеспечивает оптимальное соотношение силовых и деформационных характеристик.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гусев Д.Е., Самсонова М.Б. «Влияние фазового состава и структуры на механизм холодной пластической деформации (а+Р)-титановых сплавов». В сб. "XXIII Гагаринские чтения". Тезисы доклада всероссийской молодежной научной конференции, 1997, М., МГАТУ, с. 62-63

2. Гусев Д.Е., Антонцев Н.Ф. «Расчет изделий с эффектом памяти формы из сплавов на основе TINi, применяемых в медицине». В сб. "Новые материалы и технологии. НМТ-98" Тез. докл. РНТК, М., МАТИ-РГТУ, 1998, с. 16-17.

3. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Шаронов A.A. «Характеристики работоспособности проволочных имплантатов с эффектом запоминания формы из никелида титана». В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского», 1999, вып. 2(74), с. 38-42.

4. Гусев Д.Е. «Исследование закономерностей работы проволочных имплантатов с эффектом запоминания формы из никелида титана». В сб. "XXV Гагаринские чтения". Тезисы доклада международной молодежной научной конференции, 1999, М., МГАТУ, т. 1, с. 256-257.

5. Коллеров М. Ю., Крастилевский А. А., Гусев Д. Е., Матыцин А. В. «Влияние геометрических параметров проволочных имплантатов с эффектом запоминания формы из никелида титана на их характеристики работоспособности». Сб. Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, вып. 3 (75). - М.: Издательство ЛАТМЭС, 2000. С. 37-41.

6. Гусев Д.Е., Матыцин A.B., Гуртовой С.И. «Определение параметров эффекта запоминания формы сплава ТН1 при деформации кручением». В сб. "XXVI Гагаринские чтения". Тезисы доклада международной молодежной научной конференции, 2000, М., МГАТУ, т. 2, с. 107.

7. Гусев Д.Е., Курников Д.А., Матыцин A.B. «Динамические испытания проволочных имплантатов из сплава на основе TiNi с ЭЗФ». В сб. "XXVI Гагаринские чтения". Тезисы доклада международной молодежной научной конференции, 2000, М., МГАТУ, т. 2, с. 108.