Образование оксидной пленки на поверхности титана

Видео: Операция по установке импланта Bio3 на нижнюю челюсть

Как уже неоднократно отмечалось, титан и его сплавы нашли широкое использование в медицинских и стоматологических имплантатах. Успех титановых сплавов обусловлен отсутствием деградации сплава при нахождении в биологической среде и минимальным откликом окружающих тканей на его присутствие (Thull et al., 1992- Thull, 1994- Ciada et al., 1997- Jacobs et al., 1998- Alcantara et al., 1999) Этот уровень коррозионной стойкости и биосовместимости с человеческим телом обусловлен прежде всего наличием чрезвычайно инертной металлооксидной пленки (почти стехиометрический TiO₂), спонтанно образующейся на поверхности титана. Титан является чрезвычайно реакционно-способным металлом, который при воздействии воздуха или воды быстро окисляется (в течение миллисекунд). Именно благодаря наличию этой чрезвычайно тонкой пленки (порядка 10-100 А), которая служит барьером для непрерывного окисления, титан сохраняет свою металлическую форму. Окисление титана (оставляя в стороне на время емкостное заряжение границы раздела) может идти по следующим реакциям с выходом электронов (создавая переходные токи) (Gilbert et al., 1996):

Ti + H₂O TiO₂ + 4H⁺ + 4e^-

и

Ti Ti³⁺ + 3e^-.

Есть и другие возможные реакции, однако весьма вероятно, что здесь представлены основные реакции.

Реакция:



Ti + O₂ TiO₂

не генерирует каких-либо электронов, которых можно зарегистрировать потенциостатическими методами. Таким образом, эта последняя реакция, даже если она присутствует, не будет вносить вклад в генерированные переходные токи.



Вследствие важной роли пассивной оксидной пленки титана для обеспечения биосовместимости (сопротивления коррозии), решающее значение имеет показатель, характеризующий способности диоксида титана сопротивляться механической, химической и электрохимической деградации (Healy et al., 1992- Gilbert et al., 1996).

Кристаллическая решетка у титана может существовать в ряде фаз, которые можно получить с помощью различных добавок. Титановые сплавы подразделяются на &alpha--, &alpha--&beta--, и &beta--сплавы. Кроме того, в любом случае в металле еще присутствует &omega--фаза. Некоторые ингредиенты инициируют &alpha--фазу, в то время как другие - &beta--фазу. &alpha--Титан стабилизируют такие элементы как Al, Sn, Zr, В, С, N и О (Hillmann, Donath, 1996), а &beta--фазу активируют V, Mo, Nb, Cr, Fe, Mn (Thull, 1996).

В травматологии и ортопедии в последнее время все чаще стали использовать материалы изготовленные на основе &beta--фазы Ti. Следует еще раз отметить, что в них всегда присутствуют примеси, в частности &alpha--титан.

Практическое использование титана для изготовления хирургических имплантатов было предметом рассмотрения на многочисленных конференциях, симпозиумах и конгрессах (ASTM 1983- Thull, 1988, 1996- EMBEC, 1999). Наиболее широко применяются в стоматологических и ортопедических целях титан (а) и сплав Ti-6Al-4V (&alpha-, &beta-). Чистый титан используется реже, преимущественно для стоматологических имплантатов и как материал для нанесения пористых покрытий на имплантаты, так как его прочность ниже, чем у сплавов с легирующими добавками. Модуль упругости для Ti составляет около 110 ГПа, а для Co-Cr-сплавов - 210 ГПа (Imam, Fraker, 1996). Тем не менее, его прочность примерно в пять раз превосходит прочность костной ткани - 20 ГПа. Это делает данный металл весьма перспективным при создании аппаратов и устройств для остеосинтеза (Карлов и др., 1996- Muller et al., 1990- Мюллер, 1996- Thull, 1994).

Другие титановые сплавы, включая &beta--титан, используются в качестве различных хирургических имплантатов, эндопротезов, требования прочности для которых выше, чем для чистого титана. Среди титановых сплавов &beta--титановые формы предлагают наибольшую возможность применения в имплантатах благодаря легкости обработки, высоким механическим свойствам, позволяющим переносить многолетние циклические нагрузки (Imam, 1996- Thull, 1994).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики