Нанокристалический титан по технологии SPD-tech

Общеизвестно, что титан является уникальным металлом, у которого модуль упругости наиболее приближен к модулю упругости костной ткани. С одной стороны, для адекватной передачи нагрузки на костную ткань, модуль упругости имплантата (Eимпантата) должен быть как можно более близок к таковому у кости (Eимпантата), с другой стороны он должен быть высоким для того, чтобы снизить возможность перелома тела имплантата. Упругие свойства титана напрямую зависят от его структуры.

Биофункциональность и механические свойства

биофункциональность и механические свойства

Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого металла порядке. При особых условиях охлаждения металл затвердевает в виде большого кристалла правильной формы, называемого монокристаллом. Строение монокристалла определяется соответствующей кристаллической решеткой. B промышленных условиях это не возможно, и затвердевание металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации. Поэтому после затвердевания такой металл состоит не из одного кристалла, а из большого числа прочно сросшихся друг с другом кристалликов неправильной формы, называемых кристаллитами, гранулами или зернами. Металлы такого строения называются поликристаллическими. На фотографии представлена структура поликристаллического титана.

Структура коммерчески чистого титана

Структура коммерчески чистого титана

 Видно, что размер зерен составляет около 20-40 мкм. Именно такой титан используется в качестве заготовок для имплантатов. Большинство производителей изготавливают резьбу на внутрикостной части путем фрезерования заготовок. При этом часть металла просто удаляется фрезой с поверхности в виде стружки, а структура титана остается такой же.

Фрезерно-токарная обработка при производстве имплантатов

Фрезерно-токарная обработка происходит с удалением материала (обычно в виде стружки)

Интенсивная пластическая деформация - обработка без удаления материала

Интенсивная пластическая деформация по технологии SPD-tech - обработка без удаления материала

Компания «Проекция» использует технологию интенсивной пластической деформации SPD-tech, суть которой заключается в накатывании резьбы. Такая технология улучшает основные механические параметры титана, увеличивает его модуль упругости. На фотографии видно уменьшение и компрессия гранул титана в поверхностном слое в обработанных образцах.

Увеличение х200

Гранулы титана до обработки имплантата

Увеличение х200

Уменьшение и компрессия гранул титана после интенсивной пластической деформации по технологии SPD-tech 

Имеется градиент размеров структурных элементов. Структура от ультрамелкозернистой изменяется до нанокристаллической, где размер зерен уже измеряется нанометрами. В нанокристаллическом состоянии металлы имеют повышенные твердость, предел текучести и предел прочности. Так твердость увеличивается в 2-6 раз. Увеличение твердости материала в поверхностном слое приводит к уменьшению вероятности возникновения межгранулярных переломов. Это связано с уменьшением количества микротрещин между гранулами, так как именно они являются первопричиной прогрессирования межгранулярных разрывов и, как следствие, переломов имплантатов. Предел прочности титана в поверхностном слое возрастает по нашим оценкам в 4-10 раз.

Технология SPD-tech используется компанией «Проекция» уже больше десяти лет, а эффективность имплантатов, произведенных по данной технологии, доказана клиническими испытаниями и анализом успешности имплантации.

Количество публикаций в PubMed

Количество публикаций на тему нанокристалического титана и интенсивной пластической деформации в медицинской литературе

Количество статей (по данным PubMed), опубликованных за последнее время по теме интенсивной пластической деформации и нанокристаллическому титану

С точки зрения биологической совместимости титан, модифицированный интенсивной пластической деформацией, не проявляет повышенных токсических, аллергических и коррозионных свойств по сравнению с обычным, коммерчески чистым титаном. Кроме этого в опытах in vitro сравнивали способность к пролиферации остеобластов и фибробластов на обычных титановых дисках и титановых дисках, подвергнутых пластической деформации. На обработанных дисках пролиферативная способность фибробластов и остеобластов была достоверно выше. А в колонии остеобластов за то же время было синтезировано больше костного матрикса.

 

Коммерчески чистый титан

Титан, модифицированный интенсивной пластической деформацией

Токсические свойства

-

-

Аллергенный свойства

-

-

Коррозионные свойства

-

-

 

 

 

Предел прочности

420 МПа

1310 МПа

Модуль Юнга

103 ГПа

Увеличивается

Микротвердость

0,8 ГПа

6,7 ГПа

Свободная поверхностная энергия

60-120 мДж/м2

Увеличивается

Смачиваемость

20○

Увеличивается

 

 

 

Способность усиливать пролиферацию остеобластов

+

++ (Kim, 2008)

Способность усиливать пролиферацию остеобластов

+

++ (Fassina, 2007)

Синтетическая функция остеобластов

+

++ (Fassina, 2007)

Влияние на адсорбцию белков

+

нет данных

Влияние на адгезию клеток

+

нет данных