автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Влияние структуры на эксплуатационные свойства имплантатов для ортопедии и травматологии из сплавов на основе титана и никелида титана

На правах рукописи

АСПИРАНТ ОРЕШКО Евгений Игоревич

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ ОРТОПЕДИИ И ТРАВМАТОЛОГИИ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И НИКЕЛИДА ТИТАНА

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005533979

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ).

Официальные оппоненты: - Чернов Дмитрий Борисович, доктор технических

Защита диссертации состоится 18 июля 2013 года в 14— на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в двух экземплярах (заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, З, МАТИ.

Факс: (495)417-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 18 июня 2013 года.

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Коллеров Михаил Юрьевич

наук, профессор, ФГУП «НИИСУ», начальник научно - исследовательского отдела

- Курников Дмитрий Анатольевич,

кандидат технических наук, ООО «НПО ДЕОСТ», руководитель отдела

Ведущая организация: - ОАО «ВИЛС»

Ученый секретарь диссертационного Совета

Скворцова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время основной подход при выборе материала и технологии его обработки для конкретной конструкции заключается в пересчете нагрузки, действующей на данную конструкцию, в напряжения и сравнении их с механическими свойствами материала. Напряжения в конструкции оценивают по значениям предела текучести, временной прочности, длительной прочности, усталостной прочности и т.п. Работоспособность конструкции оценивают, как правило, с точки зрения потери устойчивости формы по модулям упругости (Е,С) материала или опасности разрушения по относительному удлинению (5) и сужению

Однако в современных конструкциях зачастую применяются не только материалы с различными физико-механическими свойствами, но и материалы, значительно различающиеся по своему механическому поведению. Например, металлические и полимерные материалы при разных температурах и скоростях нагружения ведут себя неодинаково. Ситуация еще больше осложняется, когда конструкция работает в составе сложной системы из разнородных материалов, например, имплантаты в окружении биологических структур. В этих случаях определить нагрузки на отдельные элементы конструкции практически невозможно, а, соответственно, трудно определить уровень напряжений и оценить требуемые механические свойства. Частично решить эти проблемы пытаются численными методами, моделируя сложные биотехнические системы.

Однако принимаемые приближения при моделировании и возможный разброс исходных данных с учетом возрастных, анатомических и других особенностей конкретного пациента не позволяют получать достаточно точные результаты и использовать их для выбора материала и комплекса его физико-механических свойств, обеспечивающих требуемый уровень рабочих характеристик имплантата. Поэтому существует необходимость разработки критериев оценки работоспособности материалов имплантатов в сложных биотехнических системах, методов их определения и технологических способов их обеспечения в процессе обработки полуфабрикатов и готовых изделий.

В качестве исследуемых биотехнических систем целесообразно рассматривать комплекс костных, хрящевых и связочных структур, обеспечивающих функциональную подвижность опорно-двигательного аппарата человека,

3

стабилизированного имплантированными динамическими конструкциями. Например, позвоночник и грудино-реберный комплекс, травмы и заболевания которых зачастую требуют их укрепления при сохранении необходимой подвижности для выполнения важнейших функций организма. Наиболее перспективными материалами для изготовления таких имплантатов являются сплавы на основе титана, обладающие как высокой коррозионной стойкостью и биологической инертностью, так и хорошим комплексом механических свойств. Сплавы титана выгодно отличаются по этим характеристикам, а также по удельному весу и низкому модулю упругости от применяемых в медицине сплавов кобальта и нержавеющей стали. В последние годы для изготовления имплантатов начали использоваться сплавы на основе никелида титана, обладающие эффектом памяти формы и сверхупругостью, и по своему механическому поведению приближающиеся к поведению биологических тканей. В этих материалах варьированием химического состава и технологией обработки можно значительно изменять комплекс физико-механических и специальных свойств. Однако до сих пор не определен комплекс медико-технических требований к имплантатам для лечения травм и заболеваний позвоночника и грудино-реберного комплекса, а соответственно, нет определенности с оптимальной структурой и технологией обработки этих материалов.

Поэтому целью работы является материаловедческое и биомеханическое обоснование медико-технических требований к динамическим имплантатам из сплавов на основе титана и никелида титана и разработка технологии формирования в них необходимой структуры и комплекса эксплуатационных свойств.

Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:

- рассчитать напряженно-деформированное состояние биотехнических систем с имплантатами из титановых сплавов и сплавов на основе никелида титана методами математического компьютерного моделирования и использовать полученные результаты для анализа работоспособности и надежности исследуемых конструкций и требований к материалам;

- оценить работоспособность имплантатов из сплавов на основе титана и никелида титана и предложить технологические методы улучшения их функциональных свойств;

- разработать рекомендации по выбору химического состава и технологии обработки сплавов на основе титана и никелида титана в зависимости от медико-технических требований к имплантатам для стабилизации позвоночника и грудино-4

реберного комплекса.

Научная новизна:

1) На основе анализа биотехнических систем, включающих позвоночник, грудино-реберный комплекс и имплантируемые конструкции из различных материалов, предложено использовать в качестве критериев работоспособности критические деформации и напряжения, отвечающие максимальной упругой или сверхупругой деформации материала, а также «эффективный» модуль упругости, равный соотношению этих величин.

2) Показано, что максимальные величины критической деформации наблюдаются в том случае, когда в структуре сплава содержится наибольшая объемная доля механически нестабильной (3-фазы. Это обеспечивается в сплавах, закаленных от температур р-области, близких по содержанию р-стабилизаторов ко второй критической концентрации, а также после закалки сплавов с меньшей

- степенью легирования от температуры на 10-20°С ниже критической.

3) Определено, что у сплавов на основе никелида титана максимальные критические напряжения характерны для деформированного состояния, полученного холодной или теплой деформацией. Наибольшие критические деформации наблюдаются у сплава в рекристаплизированном состоянии, а сочетание высоких значений критических напряжений и деформаций - в полигонизованном состоянии.

Практическая значимость:

1. Методом математического компьютерного моделирования установлены параметры биомеханического поведения компонентов системы «имплантат -структуры организма». Подтверждена механическая совместимость отдельных имплантатов из титановых сплавов и сплавов на основе никелида титана. Установлен уровень допустимо возможных деформаций компонентов биотехнической системы «имплантат - структуры организма» и определены медико-технические требования к имплантатам, применяемым при разных заболеваниях позвоночника и при воронкообразной деформации грудной клетки (ВДГК).

2. Разработаны технологические рекомендации по выбору материала и по термической обработке имплантатов для торакопластики и стабилизации позвоночника из сплавов на основе титана и никелида титана, позволяющие получать оптимальные структуры и необходимые эксплуатационные свойства конструкций в зависимости от медико-технических требований.

Рекомендации по выбору материала для имплантируемых конструкций и технологиям их термической обработки использованы ЗАО «КИМПФ» при проектировании и производстве транспедикулярных аппаратов (ТПА) позвоночника и опорных пластин для ВДГК, что подтверждено актом использования.

Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР и НИОКР МАТИ по следующим проектам:

- проект № 2.1.2/11589, АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009

- 2011 годы);

- государственные контракты № 02.740.11.0124, № П380, № П749 в рамках ФЦНТП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 7 международных научных конференциях и семинарах, в том числе: на Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2010-2012 гг.), на XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2011 г.), на Международной конференции «Титан-2011 в СНГ» (Украина, г. Львов, 2011 г.), на X Международной конференции «Ti-2012 в СНГ» (г. Казань, 2012 г.), на VII Международном аэрокосмическом конгрессе (г. Москва, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах, из них 5 - в изданиях из перечня ВАК, список которых приведен в конце автореферата, а также получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 28.03.2013 (заявка №2012110139 от 19.03.2012).

Объем диссертации и её структура. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 23 таблицы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 200 наименований.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В главе рассмотрены медико-технические требования к материалам, используемым для изготовления изделий медицинской техники, в частности имплантатов, применяемых в травматологии, ортопедии и нейрохирургии. Показано, что в настоящее время наиболее широко используются сплавы на основе титана, имеющие высокую коррозионную стойкость, биологическую инертность, низкую плотность и хороший комплекс механических свойств. Перспективными медицинскими материалами также являются сплавы на основе никелида титана, 6

обладающие эффектом запоминания формы, сверхупругостью и механическим поведением, адекватным поведению биологических тканей.

Рассмотрены особенности влияния химического состава, технологии получения и обработки сплавов на основе титана и никелида титана на их структуру и свойства. Показано, что для этих материалов характерна высокая чувствительность к схеме и режимам технологии получения и обработки, позволяющим управлять их структурой и свойствами в широких пределах.

Проведен анализ основных направлений использования сплавов титана и никелида титана в конструкциях имплантатов различного назначения. Показано, что к некоторым медицинским изделиям, в частности, фиксаторам для стабилизации позвоночника, пластинам для исправления воронкообразной деформации грудной клетки, предъявляются медико-технические требования, определяющие необходимость реализации высокого уровня противоречащих друг другу характеристик материала, оптимизация которых с использованием стандартных механических свойств (предела текучести, предела прочности, относительного удлинения, предела усталости и т.п.) крайне сложна, а подчас невозможна. Частично решить эту проблему позволяет математическое моделирование биотехнических систем «имплантат - структуры организма», позволяющее сформулировать конкретные условия эксплуатации медицинских изделий и требования к материалам. Рассмотрены основные принципы и методы моделирования биотехнических систем.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ1

В качестве объектов исследования были использованы модельные сплавы системы ТьЫЬ, полученные вакуумно-дуговым переплавом с нерасходуемым электродом с последующей горячей ковкой на прутки диаметром 8 мм, а также промышленные сплавы ВТ20, ВТ6 и ВТ16 (ГОСТ 19807-91), полученные в виде горячекатаных листов и прутков по стандартным технологиям. Также изучали сплавы на основе никелида титана (сплав ТН1 в соответствии с ТУ 1-809-394-84), выплавленные в вакуумной индукционной печи с холодным тиглем и прокатанные в

1 Эксперименты проведены с использованием оборудования ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.

прутки диаметром 6,5 мм и листы толщиной 2 мм. Химический состав исследованных сплавов2 приведен в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Химический состав исследованных титановых сплавов

Сплав Полуфабри кат Содержание легирующих элементов и примесей

А! V Мо 2г 5/ с N О Я

ВТ6 Пруток 0 8 мм 5,3 4,5 - - 0,15 - 0,1 0,05 0,2 0,015

Лист 2 мм 6,2 5,0 - 0,3 0,03 0,30 0,026 0,05 0,2 0,015

ВТ16 Пруток 0 8 мм 2,5 4,5 5,0 - 0,15 - 0,1 0,05 0,15 0,015

ВТ20 Лист 2 мм 6,5 1,5 1,2 1,8 - - - 0,05 0,15 0,015

Примечание: остальное - титан

Таблица 2.

Химический состав исследованных плавок сплава ТН1

Обозначение Содержание легирующих элементов и примесей

М 57 Со С N О н

Партия 1 54,7 0,1 0,1 0,01 0,023 0,009 0,16 0,0017

Партия 2 55,8 0,05 0,01 0,016 0,012 0,006 0,013 0,0011

Примечание: остальное - титан

Кроме того, проводили испытания ТПА позвоночника (ТУ 9438-004-493408942007) и опорных пластин для исправления ВДГК (ТУ 9438-003-49340894-2004) производства ЗАО «КИМПФ».

Из прутков и листов вырезали образцы, которые подвергали термической обработке в вакуумной печи марки СВНЭ-1.3.1/16-ИЗ (900-600°С) и в камерной печи СНОЛ-1,6.2,5.1/Ю-ИЗМ (400-550°С). Исследования образцов проводили методами металлографического, электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализа для определения фазового состава, структуры и субструктуры материала. Механические свойства определяли при растяжении и четырехточечном изгибе на установке Т111А1ез1. Термомеханические свойства

2 Здесь и далее по тексту содержание легирующих элементов и примесей приведено в массовых процентах.

8

образцов сплава ТН1 (температуры начала и конца восстановления формы, восстанавливаемую и сверхупругую деформации, реактивные напряжения) исследовали по специально разработанным методикам при деформации изгибом.

ТПА испытывали в соответствии со стандартом АБТМ ¥\1\1 (рис. 1, а), а пластины для ВДГК в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9585 и АБТМ Р 382 (рис. 1, б).

а б

Рис. 1. Общий вид конструкций для испытаний ТПА (а) и опорной пластины для коррекции ВДГК (б)

Математическое моделирование биотехнических систем осуществляли методом конечных элементов с использованием программы АКБУБ. Был проведен анализ вариантов математического описания механического поведения конструкционных и биологических материалов и определены этапы расчетов и изучаемые параметры систем.

Результаты испытаний подвергали обработке методами математической статистики.

Глава III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Математическое моделирование системы «ТПА - позвоночник» осуществляли путем воспроизведения костных и связочных структур поясничного отдела позвоночника в нормальном и поврежденном в результате травмы, дегенеративно-дистрофического заболевания или операционного воздействия состояниях. ТПА моделировали как винты, проведенные в тела позвонков и соединенные продольными балками из различных материалов (нержавеющая сталь, титановые

сплавы, никелид титана). Позвоночник с ТПА нагружали функциональной нагрузкой (от 50 до 300 Н), имитируя осевую компрессию, флексию, экстензию и ротацию (рис. 2). Определяли отношение смещений отдельных структур в травмированном и исходном состоянии (коэффициент стабильности). Рассчитывали напряженно-деформированое состояние в костных структурах и элементах конструкции ТПА. Определение адекватности модели проводили путем сравнения результатов испытаний анатомических препаратов в различных состояниях с расчетами смещений позвонков при аналогичных нагрузках.

а б

Рис. 2. Конечно-элементная модель поясничного отдела позвоночника LI-LV при флексионном нагружении: а) ламинэктомия на уровне LUI, б) компрессионный перелом LUI с ламинэктомией на этом уровне и транспедикулярной фиксацией LII-LIV

При использовании балок из нержавеющей стали с высоким модулем упругости (200 ГПа) степень стабилизации оперированного сегмента в большинстве случаев повреждений значительно выше нормы, а в смежных сегментах проявляется нестабильность к соответствующим функциональным движениям (табл. 3).

Таблица 3.

Стабильность поврежденных (Ы1- ЫУ) и смежных сегментов (Ы-Ы1 и ЫУ-ЬУ), а также напряжения в позвонках и ТПА

Вид повреждения и стабилизации Коэффициент стабильности при флексии Коэффициент стабильности при экстензии Напряжения, МПа

LI-LII LII-LIV LIV-LV LI-LII L1I-LIV LIV-LV Позв онок Винт Балка

Компрессионный перелом (К/П) и ламинэктомия (Л/Э) 1,52 0,11 0,92 0,53 0,15 1,23 15 - -

К/П+Л/Э + ТПА с балками из стали 12Х18Н10Т 2,12 3,71 0,57 0,38 0,93 3,78 1,9 137 123

К/П+Л/Э + ТПА с балками из никелида титана 2,12 0,91 1,01 0,84 0,62 1,78 1,2 111 88

К/П+Л/Э + ТПА с балками из титанового сплава 3,87 1,68 0,97 0,49 0,72 3,18 1,4 130 114

Ламинэктомия 3,64 0,26 0,69 0,32 0,79 1,24 1,6 - -

Л/Э + ТПА с балками из никелида титана 1,36 1,50 1,31 1,03 1,44 1,38 0,9 86 65

Л/Э + ТПА с балками из титанового сплава 2,41 3,95 0,93 1,16 2,94 1,54 1,0 139 122

Л/Э + ТПА с балками из стали 2,78 5,02 0,92 1,16 2,96 1,65 1,4 146 132

Применение балок из титановых сплавов (Е = 110 ГПа) несколько сглаживает стабильность оперированного и смежных сегментов.

Балки из сплавов на основе никелида титана, находящиеся в состоянии сверхупругости, обеспечивают близкую к норме стабилизацию при большинстве дегенеративно-дистрофических заболеваний и неосложненных переломах тел позвонков. Только в случае корпэктомической модели (полное отсутствие тела позвонка и задних структур позвоночника) стабильность поврежденного сегмента, фиксированного транспедикулярным аппаратом с балками из никелида титана, меньше нормы. Следует отметить, что использование для изготовления балок материала с более низким модулем упругости и значительной упругой или сверхупругой деформацией позволяет снизить нагрузки на костную ткань в месте крепления аппарата и напряжения в элементах конструкции. Это значительно уменьшает риск резорбции кости вокруг винтов и усталостного разрушения самого аппарата.

Проведено моделирование работы аппарата для исправления сколиотической деформации позвоночника и опорных пластин для устранения воронкообразной деформации груди (рис. 3).

а б

Рис. 3. Конечно-элементные модели позвоночника со сколиотической деформацией и установленным эндокорректором (а) и грудной клетки с опорной пластиной (б)

Показано, что особенностью применения этих конструкций является их предварительная пластическая деформация для коррекции формы балок или пластины, обеспечивающей установку их в организм и исправление деформации костных и хрящевых структур. Кроме того, в зависимости от характеристик балок и пластин (жесткости, усилий текучести и др.) после установки конструкций может происходить их пластическая деформация или травмирование костных и хрящевых структур организма. Необходимо отметить, что чем выше упругая или сверхупругая деформация материала, тем меньше опасность травмирования структур организма и более прогнозируем итог хирургического вмешательства из отсутствия пластической деформации материала конструкции.

Показано, что расчеты работоспособности конструкции в организме целесообразно проводить по максимальным величинам упругих и сверхупругих деформаций и отвечающим им напряжениям. Возможность управлять этими свойствами технологическими методами позволит оптимизировать характеристики работоспособности имплантатов под различные виды травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата человека без принципиального изменения их конструкции.

Определены медико-технические требования к ТПА, аппаратам для исправления сколиозов и опорным пластинам для коррекции ВДГК.

Глава IV. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ

ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И НИКЕЛИДА ТИТАНА

Были проведены исследования структуры и механического поведения закаленных от температур Р-области образцов сплавов системы ТиТЧЬ. Установлено, что в случае формирования в материале а"-фазы (Ть9,5№>) или механически нестабильной (З-фазы - (Ть18ЫЬ, Ть24№>) образцы проявляют два предела текучести, первый (отн) из которых связан с развитием двойникования а" мартенсита или с его образованием из р„ - фазы, а второй (атв) с интенсификацией формоизменения по механизму скольжения.

В интервале напряжений стгн — атв разгрузка образцов приводит к полному или частичному нелинейному восстановлению формы. Таким образом, в материале проявляется сверхупругая деформация. В результате этого максимальная восстановленная деформация, названная критической (екр), и отвечающие ей критические напряжения (скр) могут значительно превосходить напряжения текучести материала и связанные с ними упругие деформации (рис. 4).

В тех случаях, когда в структуре материала формируется а' - мартенсит, со -фаза или механически стабильная р - фаза, при нагружении образцов развивается практически только скольжение, и значения 8кр и окр не отличаются от предела текучести и максимальной величины упругой деформации.

Повышение значений екр и акр возможно и в промышленных титановых сплавах путем формирования в них структур, содержащих а" или Р„ - фазы. Поэтому на следующем этапе работы было исследовано влияние температуры нагрева под закалку на значения критических деформаций и напряжений сплавов ВТ6 и ВТ16 (табл. 4.).

1000 ..............■> I

900 . ' . 3.5

800 I / ; ■ \

' з

700 : /

600

I 500 ь

400 300

V — я

. <т , 2 5

200 / -........:........., ...........!-.....вт-

'00 ИИй"™

0.5 <

0 I-I-^-:-»......'■■■■*■■■-Ч™-!- 0 -!

Рис. 4. Зависимость напряжений текучести (атн, атв), упругой деформации (еу), критических напряжений и деформаций (скр, екр) закаленных сплавов системы Ть ЫЬ от содержания ниобия

Проведенные исследования показали, что при закалке от температур р-области в сплаве ВТ6 формируется а'-мартенсит, а в ВТ16 а"-фаза, причем формоизменение последней при нормальной температуре протекает по механизму двойникования, обеспечивающему проявление сверхупругости. Снижение температуры нагрева под закалку в (а+Р)-области до критической приводит к появлению в структуре сплавов ВТ6 и ВТ16 механически нестабильной (З-фазы, которая при нагрузке переходит в а"-фазу, а при разгрузке частично или полностью реализуется обратное мартенситное превращение. В соответствии с этим увеличивается критическая степень деформации, а критические напряжения снижаются. Экстремумы этих характеристик наблюдаются после закалки от температуры ниже критической на 1020°С. Следует отметить, что для сплава ВТ16 отмечается максимальная величина екр и минимальная сткр, по сравнению со сплавом ВТ6, в котором объемная доля механически нестабильной Р-фазы значительно ниже. Таким образом, в титановых сплавах можно достичь достаточно высоких значений критической деформации. Для этого они должны иметь структуру механически нестабильной р-фазы. Это обеспечивается использованием сплавов мартенситного или переходного класса с коэффициентом р-стабилизации, близким к единице (второй критической концентрации), закаленных от температур на 10-20°С ниже критической (Ткр).

Таблица 4.

Влияние термообработки на фазовый состав, критические деформации и напряжения титановых сплавов ВТ6 и ВТ16

Термическая Фазовый состав Окр,

Сплав екр, %

обработка,°С МПа

ВТ6 Закалка от 1060 а' 0,9 750

Закалка от 980 а+а" 1,1 700

Закалка от 940 а + Р„ 1,2 700

Закалка от 900 а + рм 1,1 750

Отжиг при 900 а + р 1 850

ВТ16 Закалка от 860 а" 1,2 550

Закалка от 800 а + а"+ рм 1,5 520

Закалка от 770 а + Рм 1,8 520

Закалка от 740 а + рм 1,5 650

Отжиг при 800 а + р 1,1 930

Для сплавов на основе никелида титана увеличение критических значений деформации и напряжений возможно как за счет теплой и холодной пластической деформации, так и за счет термообработки, обеспечивающей дисперсионное упрочнение В2-фазы выделениями интерметаллидов типа ТіїІЧід и Ті2Мі3. В обоих случаях происходит увеличение напряжений скольжения, до достижения которых формоизменение образцов из никелида титана происходит по механизмам мартенситного превращения или двойникования. Исследования влияния химического состава и термообработки на єкр и акр сплавов на основе никелида титана позволили определить диапазон технологических возможностей управления этими характеристиками (табл. 5.).

Таблица 5.

Влияние химического состава и термообработки на фазовый состав, структурное состояние, критические деформации и напряжения, «эффективный модуль упругости» сплава ТН1

Сплав Температура отжига, °С Фазовый состав и структурное состояние % Окр, МПа Еэф, МПа

Ть 54,7№ - В2+Т12№ Деформированное 7,5 430 57

450 В2+Т12№ Полигонизованное 8,0 320 40

500 В2+ТЬ№ Полигонизованное 8,4 270 32

550 В2+Т12№ Рекристаллизованное 8,7 220 25

700* вг+т^ Рекристаллизованное 8,3 210 25

Т\- 55,8№ - В2+Т12№ Деформированное 7,9 460 58

450 В2+Т12№3+ТЬ№ Полигонизованное 8,2 260 32

500 В2+Т12№3+Т12№ Полигонизованное 8,8 250 28

550 В2+Т12№ Рекристаллизованное 9,0 320 36

700* В2+Т!2№ Рекристаллизованное 8,5 360 42

*- Вакуумный отжиг

Для описания механического поведения сплавов на основе титана и никелида титана дополнительно к понятиям предела текучести и модуля нормальной упругости целесообразно применять понятие «эффективного» модуля упругости (ЕЭф), который равен отношению критических напряжений и деформаций. В случаях реализации в сплавах сверхупругости он может значительно отличаться от модуля нормальной упругости.

Таким образом, как для титановых сплавов, так и для никелида титана возможно изменение критических значений деформаций и напряжений в широком

диапазоне значений, обеспечивающих выполнение медико-технических требований к имплантируемым конструкциям различного назначения.

і

Глава V. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СОСТАВА СПЛАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

Результаты исследования структуры и свойств сплавов на основе титана и никелида титана были использованы для оптимизации технологии изготовления имплантатов. Для ТПА были проведены испытания по стандарту ASTM FI717 с использованием продольных балок из различных материалов, обработанных по различным режимам (рис. 5). Было установлено, что наибольшая жесткость имплантатов при минимальном упругом перемещении наблюдается у ТПА с балками из нержавеющей стали. Использование балок из титановых сплавов расширяет область обратимых перемещений (AL) ТПА. Необходимо отметить, что она достигает 10 мм для балок из сплава ВТ16, закаленных от температуры 770°С

(Ткр - 20°С).

Р, Н 800

600 400 ЗОО 200 100

2 4 6 8 10 12 14 16 ДЦ ММ

Рис. 5. Кривые деформации ТПА с балками из различных материалов

Максимальные обратимые перемещения были получены при использовании балок из никелида титана. Наиболее высокие рабочие усилия (до 250 МПа) и перемещения (ДЬ до 14 мм) отмечаются для балок из сплава с повышенным

содержанием никеля в полигонизованном состоянии после отжига при 450°С. Балки, отожженные при более высокой температуре (470-530°С), более полно проявляют эффект запоминания формы (ДЬ=15 мм), но характеризуются низкими значениями развиваемых усилий. Они наиболее эффективно могут использоваться для исправления деформаций позвоночника, например в аппаратах для сколиоза.

В случае титанового сплава ВТ6 отмечаются промежуточные значения.

Совместно с РМАПО были проведены клинические испытания ТПА с балками из сплавов ВТ16 и ТН1, обработанными для обеспечения максимальных критических деформаций и минимальной эффективной жесткости. Анализ функциональных рентгенограмм до и после установки ТПА подтвердил эффективность их применения при неосложненных переломах тел позвонков и дегенеративно-дистрофических заболеваниях (рис. 6).

1 2 3 4

Рис. 6. Функциональные рентгеновские снимки больного со спондилолистезом Ь5-до операции (1,2) и через 36 месяцев после операции (3,4)

Определены характеристики работоспособности опорных пластин для ВДГК. Результаты испытаний пластин для исправления ВДГК показали, что максимальная жесткость, критический изгибающий момент и минимальный критический прогиб характерны для стальных пластин. Противоположные характеристики были

' получены для пластин из никелида титана в рекристаллизованном состоянии (табл. | 6).

Установлено, что в зависимости от показаний и применения (возраст больного, ; величина дефекта грудины и его особенности) и метода коррекции необходимо использовать пластины из различного материала и обработки. Так, для детей в [ возрасте до 14 лет с мобильной грудиной и незначительной величиной дефекта (до 40 мм) наиболее эффективно применять пластины из никелида титана в рекристаллизованном состоянии (отжиг 550-700°С). По мере увеличения ригидности грудины с возрастом пациента необходимо использовать более жесткий материал: никелид титана в полигонизованном состоянии (отжиг 450-500°С) или ВТ6 в отожженном состоянии.

Клинические испытания опорных пластин для исправления ВДГК, произведенные с учетом разработанных рекомендаций, показали их

биомеханическую эффективность (рис. 7).

Рис. 7. Коррекция воронкообразной деформации грудной клетки с использованием опорной пластины из сплава на основе никелида титана

Следует отметить, что только по действующим в настоящий момент российским и международным стандартам на испытания материалов и медицинских изделий невозможно оценить критические значения напряжений (усилий, момента) и деформаций (перемещения, удлинения, прогиба). Они разработаны для конструкционных материалов и предназначены для определения напряжений

19

текучести И модуля нормальной упругости (жесткости изделия). В ТО же время Єкр и акр, характеризующие область работоспособности материала и изделия, могут значительно отличаться от стандартных характеристик (см. табл. 6). Поэтому в работе даны рекомендации по определению критических напряжений и деформаций (усилий, удлинений) при различных схемах нагружения.

Таблица 6.

Механические характеристики опорных пластин для коррекции ВДГК из различных материалов

№ Материал пластины Изгибающий момент Нм Жесткость при изгибе, Н/мм Критический изгибающий момент, Н-м Критический прогиб, мм Упругий прогиб, мм Эффективная жесткость, Н/мм

1 ТН1(|> 3,8 11,0 4 25 10,0 4,4

ТН1и) 4,0 11,8 4,1 25 9,8 4,51

2 ВТ20 4,6 20,4 4,6 7,6 7,6 20,4

3 ВТ6 4,7 18,9 4,7 8,1 8,1 18,9

4 ВТ61" 4,2 18,4 4,5 9,7 7,4 12,4

5 12Х18Н10Т 2,2 23 2,2 3,8 3,8 23

1 - рекристаллизованный при 550°С; 2 - полигонизованный при 450°С; 3 - закаленный от Т,ф.

Полученные рекомендации по выбору материала для имплантируемых конструкций и технологиям их термической обработки использованы ЗАО «КИМПФ» при проектировании и производстве ТПА позвоночника и опорных пластин для ВДГК.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведено математическое моделирование биотехнических систем «поясничный отдел позвоночника - ТПА» и «грудная клетка - опорная пластина», позволившее определить стабильность под действием функциональных нагрузок на костно-хрящевые структуры, при применении имплантатов из различных

материалов. Установлены медико-технические требования к конструкциям имплантатов и материалам, из которых они изготовлены.

2. Показано, что для определения механического поведения биотехнических систем на разных стадиях лечения травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата человека необходимы сведения о критических напряжениях и деформациях материала, а соответственно и о критических усилиях (моментах) и удлинениях (сжатиях, прогибе и т.п.) имплантатов, позволяющие оценить область их работоспособности, в которой формоизменение элементов конструкции при нагрузке полностью устраняется при разгрузке.

3. На примере сплавов на основе титана и никелида титана установлено, что критические напряжения и деформации определяются не только упругим поведением материала, но и сверхупругостью, реализующейся при двойниковании материала или мартенситном превращении под нагрузкой.

4. Исследовано влияние состава и структуры модельных (ТМ^Ь) и промышленных (ВТ20, ВТ6, ВТ16) сплавов титана на критические степени деформации. Показано, что максимальные величины критической деформации наблюдаются в том случае, когда в структуре сплава содержится наибольшая объемная доля механически нестабильной [)-фазы. Это обеспечивается в сплавах, закаленных от температур {3-области, близких по содержанию (3-стабилизаторов ко второй критической концентрации, а также после закалки сплавов с меньшей степенью легирования от температуры на 10-20°С ниже критической.

5. Установлено, что для сплавов на основе никелида титана увеличение критических напряжений происходит в результате деформационного упрочнения при холодной и теплой деформации, а также в результате распада В2-фазы с образованием дисперсных частиц "Пз№4 и Т12№3 при температурах (450-500°С).

6. Определены режимы термической обработки сплава ВТ16, состоящие в закалке от температур 770-780°С, позволяющие повысить критическую деформацию материала до 2,5%, что в 1,5 раза выше значений екр в отожженном состоянии.

7. Проведены испытания ТПА и опорных пластин для ВДГК из различных материалов. Показано, что для получения максимальной динамичности имплантатов (минимальной жесткости) необходимо использовать сплавы на основе никелида титана в полигонизованном состоянии. Повышение жесткости имплантатов обеспечивается переходом к сплавам титана с Кр, близким к единице (ВТ16), и закаленным от температур на 10-20°С ниже критической (770-790°С).

Максимальная жесткость имплантатов наблюдается при использовании титановых сплавов в термоупрочненном состоянии.

8. Даны рекомендации по выбору материалов и технологии их термической обработки для изготовления продольных балок ТПА, аппаратов для исправления сколиоза и опорных пластин для лечения ВДГК. Рекомендации использованы ЗАО «КИМПФ» при проектировании и разработке технологии обработки имплантатов из сплавов на основе титана и никелида титана.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ильин A.A., Скворцова C.B., Спектор B.C., Куделина И.М., Орешко Е.И. Взаимосвязь структуры и комплекса механических свойств в титановом сплаве ВТ6 // Титан 2011. №1(31) с. 26-29.

2. Коллеров М.Ю., Александров A.A., Кузнецов С.Ю., Делло A.C., Константинов В.В., Овчинников A.B., Орешко Е.И., Лобастов В.А. Влияние метода и технологии плавки на структуру и свойства слитков сплавов на основе никелида титана // Титан 2011. №2(32) с. 22-28.

3. Гусев Д.Е., Коллеров М.Ю., Рудаков С.С., Королев П.А., Орешко Е.И. Оценка биомеханической совместимости имплантируемых опорных пластин из сплавов на основе титана и никелида титана методом компьютерного моделирования // Титан 2011. №3(33), с. 39-44.

4. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Чернышова A.A., Орешко Е.И. Влияние термической обработки на структуру и свойства опорных пластин из титановых сплавов для исправления воронкообразной деформации грудной клетки // Титан 2012. №3(37) с. 22-25.

5. Коллеров М.Ю., Усиков В.Д., Куфтов B.C., Гусев Д.Е., Орешко Е.И. Медико-техническое обоснование использования титановых сплавов в имплантируемых конструкций для стабилизации позвоночника // Титан 2013. №1(40) с. 39-45.

6. Орешко Е.И. Анализ биомеханического поведения фиксаторов из сплавов с эффектом памяти формы для хирургической коррекции деформации грудной клетки. В сб. "XXXVII Гагаринские чтения". Тезисы доклада всероссийской молодежной научной конференции, 2011, М., МАТИ, с. 142-143.

7. Орешко Е.И. Исследование влияния транспедикулярного аппарата на подвижность позвоночника. В сб. "XXXVII Гагаринские чтения". Тезисы доклада всероссийской молодежной научной конференции, 2011, М., МАТИ, с. 141-142.

8. Орешко Е.И. Оценка биомеханической совместимости имплантируемых опорных пластин из нержавеющей стали и сплавов на основе титана и никелида титана методом компьютерного моделирования. В сб. научных трудов ФГАОУ ВПО Уральский федеральный университет им. Б.Н.Ельцина. "XII Международная научно-техническая школа-семинар металловедов - молодых ученых". 2011, Екатеринбург, с. 262-264.

9. Орешко Е.И., Нейман А.П. Анализ биомеханического поведения фиксаторов из нержавеющей стали и сплавов на основе титана и никелида титана для хирургической коррекции деформации грудной клетки. В сб. "XXXVIII Гагаринские чтения". Тезисы доклада всероссийской молодежной научной конференции, 2012, М„ МАТИ, с. 88-90.

10. Нейман А.П., Сафарян А.И., Орешко Е.И. Комплексный технологический подход к повышению износостойкости имплантатов из титановых сплавов. В сб. "XXXVIII Гагаринские чтения". Тезисы доклада всероссийской молодежной научной конференции, 2012, М„ МАТИ, с. 81-83.

11. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Шаронов И.А., Орешко Е.И. Прогноз надежности имплантатов из сплавов на основе титана и никелида титана по результатам малоцикловых усталостных испытаний материала. X Международная конференция «Ti-2012 в СНГ», 2012, г. Казань Сб. трудов опубликован в Украине в г. Киеве, РИО ИМФ им. Г.В. Курдюмова HAH. с. 115-117.

12. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Шаронов И.А., Кабанова Ю.А., Орешко Е.И. Влияние технологии производства на структуру и термомеханические свойства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана. VII Международный аэрокосмический конгресс LAC-12, 26-31.08.12 г. Москва, Россия, Тезисы докладов. М. Хоружевский А.И., 486 с. с илл. Международный Фонд попечителей Московского Государственного авиационного технологического университета имени К.Э.Циолковского, 2012. с. 189-190.

13. Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Орешко Е.И. Экспериментально-теоретическое обоснование выбора метода и имплантатов для устранения ВДГК. Сборник «Научные труды (Вестник МАТИ)» 19(91), 2013, М„ с. 331-336.

Подписано в печать 10.06.2013 г. Объем - 1 п.л. Формат60x84 1/16 Тираж-100 экз