种钛生物材料植入设备之间防止应力屏蔽和骨头

文摘

型钛合金较低的杨氏模量必须抑制骨萎缩,提高骨重塑的植入物用于代替失败的硬组织。同时,这些钛合金需要静态和动态强度高。另一方面,金属生物材料杨氏模量的变量必须满足患者和外科医生的需要,也就是说,低和高杨氏模,分别。在这篇文章中,我们已经讨论了有效的方法来提高静态和动态的强度,同时保持低的杨氏模量型钛合金在生物医学应用程序使用。然后,杨氏模量低的优势型钛合金在生物医学的应用程序已经从的角度讨论了抑制骨萎缩,提高骨重塑。进一步,我们已经讨论了的发展型钛合金具有自动调节的杨氏模量用于可拆卸的植入物。

1。介绍

众所周知,植入装置之间的应力传递和骨头不是均匀年轻时植入装置的模和骨头是不同的;这是定义为应力屏蔽。在这样的条件下,骨萎缩发生并导致植入物的放松和重复压裂的骨头1]。因此,它是理想的如果刚度相比(杨氏模量)不是太高的骨头。植入设备主要由金属生物材料如不锈钢、钴铬合金,钛(Ti)及其合金。这些金属生物材料的杨氏模一般都比这更大的骨头。杨氏模的使用最广泛的不锈钢植入设备,SUS316L不锈钢和钴铬合金,分别约180 GPa和210 GPa (2]。杨氏模的Ti(纯钛)及其合金通常小于不锈钢和钴铬合金。例如,钛及其合金,Ti-6Al-4V以利,广泛用于构建植入设备,有大约110 GPa的杨氏模量。然而,这个值仍高于骨,也就是说,10 - 30 GPa (3]。

Ti合金组成α- - - - - - (α+β),β类型合金。年轻的模α- - - (α+β”钛合金如Ti和Ti-6Al-4V ELI高于β型钛合金。因此,β型钛合金的发展是有利的钛合金为生物医学应用较低的杨氏模量。研究人员一直在关注减少杨氏模β型钛合金用于生物医学应用,因为它们是由毒性和防过敏的元素。大量的β型钛合金主要由较低的毒性和防过敏的元素和杨氏模已经开发或正在开发仍然是(4]。年轻的模下面大约80 GPa solution-treated条件。杨氏模量的材料可以根据不同类型的测量方法,如拉伸试验、三点弯曲测试,免费的共振的方法。杨氏模量的最低价值多晶体的报道β型钛合金,Ti-35Nb-4Sn [5),或ti - 24 - nb - 4 - zr - 7.9 - sn [6),受到严重的冷加工,大约是40 GPa。

作者也发达β型钛合金,ti - 29 - nb - 13 - ta - 4.6 -锆、称为TNTZ,由毒性和防过敏的元素和较低的杨氏模量。杨氏模量TNTZ接受解决方案的治疗和共振法测量的被发现在60 GPa (7]。此值降至约55 GPa等严重的工作严重冷轧和冷锻8]。

的强度和杨氏模量钛合金是一个非常重要的因素,其长期使用植入的生物医学应用程序。特别是,动态强度等疲劳强度是非常重要的。发展疲劳强度,同时降低杨氏模量是有点困难的,因为他们是相反的性质,当原子间的结合力。的疲劳强度β型钛合金用于生物医学应用程序保持尽可能低的杨氏模量是目前正在开发9]。

杨氏模量、杨氏模量的值,这是有效防止应力屏蔽植入由low-Young之间的弹性模量β类型应该证明钛合金和骨骼。杨氏模量的影响在骨萎缩曾被调查使用植入钛合金制成的具有不同的杨氏模8]。

本文主要描述了同步提高的动态强度和杨氏模量降低β型钛合金,TNTZ。杨氏模量的影响在骨萎缩和骨重建也在本文中讨论。

2。改进的静强度,同时保持较低的杨氏模量

改善静强度,如抗拉强度可以通过采用加强加工硬化等机制,晶粒细化强化、沉淀强化、弥散强化。最好的方法之一来提高抗拉强度,同时保持杨氏模量低是一般介绍许多混乱的序数严寒工作如严重的冷轧和模锻和特别严重的冷加工等高压扭转(HPT),累计制(ARB),等通道角挤压(ECAP) (10]。

图1(8)显示了拉伸性能之间的关系和工作的比例TNTZ受到寒冷的工作由冷轧或模锻。杨氏模量之间的关系和工作的比例TNTZ遭受严寒工作由严重的冷轧或模锻如图2(8]。抗拉强度和耐力增长0.2%工作比率的增加,成为几乎等于那些Ti-6Al-4V ELI(抗拉强度约为800 MPa)具有良好的伸长TNTZ受到冷轧和冷锻。杨氏模量的TNTZ受冷轧或冷锻几乎是常数随着工作比率。杨氏模量的TNTZ受到冷轧时往往会减少工作比率高,因为结构的形成的趋势变得重要。

图3(10]显示TNTZ受到的拉伸性能HPT的旋转数的函数,N。它还显示了TNTZ受到的拉伸性能解决方案治疗和严重的冷轧。下的抗拉强度可以大大提高成旋转的数量的增加,相比之下,伸长随旋转的数量的增加而减小。TNTZ受到HPT的杨氏模量几乎是常数增加旋转虽然减少的数量随着旋转数。

3所示。改进的动态强度,同时保持较低的杨氏模量

如图4(11),动态强度,疲劳强度的严寒TNTZ工作相比不高的TNTZ接受解决方案治疗。显著提高疲劳强度进行时效处理后溶液治疗或热机的处理包括严重的冷加工和时效处理。的α阶段或ω沉淀相的β矩阵通过时效处理阶段。因此,可以显著提高疲劳强度降水加强降水造成的α或ω阶段。然而,见图5(11),杨氏模量增加的降水α或ω阶段因为杨氏模阶段都比这高得多β矩阵的阶段。

的ω阶段降水显著提高合金的强度和杨氏模量相比α阶段降水虽然ω增强其脆性阶段。因此,少量的ω阶段降水预计将提高TNTZ的疲劳强度,同时保持其杨氏模量相当低。为此,短期老化在相当低的温度,增强了ω阶段由少量沉淀,是有效的。图6(9)显示了杨氏模TNTZ接受解决方案的治疗(ST),老化严重的冷轧(CR)和解决方案治疗后的温度573 K(在)作为老化时间的函数。老化时间约为10.8 k,杨氏模量低于80 GPa,这是一个初步目标价值较低的杨氏模量。图7(9]显示疲劳特性曲线(s (n) TNTZ接受解决方案的治疗(ST),老化严重的冷轧(CR), 3.6公里(AT3.6)和10.8公里(AT10.8)的温度573 K。TNTZ的疲劳强度提高了老化治疗10.8 k (AT10.8),而杨氏模量低于80 GPa。AT10.8的TEM显微照片显示了ω相位分布。因此,采用适当的沉淀方法ω阶段,也就是说,在一个相对较低的短期老化温度提高TNTZ的疲劳强度,同时保持低杨氏模量。

添加少量的陶瓷颗粒在矩阵预计也将提高疲劳强度β型钛合金,同时保持较低的杨氏模量。图8(12)显示了与Y TNTZ的杨氏模量₂O₃添加受到严重的冷轧Y的函数的浓度。杨氏模量几乎是常数约为60 GPa增加Y浓度。图9(12)显示了s (n曲线的TNTZ 0.2质量%和0.5质量% (TNTZ - 0.2 - y_CR和0.5 y_CR、职责)受到严重的解决方案治疗后冷轧和s (n曲线TNTZ接受解决方案的解决方案治疗后治疗或冷轧。与Y TNTZ的疲劳强度提高₂O₃添加。抗拉强度和延伸率之间的关系与不同数量的Y TNTZ补充道₂O₃受到严重的冷轧(0.05 y_CR:tntz - 0.05 - y_CR0.1 y_CR:tntz - 0.1 - y_CR0.2 y_CR:tntz - 0.2 - y_CR0.5 y_CR:tntz - 0.5 - y_CR和1.0 y_CR:tntz - 1.0 - y_CR)和TNTZ受到严重的冷轧解决方案治疗后(TNT_CR)如图10(12]。的抗拉强度和伸长率的平衡TNTZ Y₂O₃添加是优秀的。

4所示。钛合金与自动调节杨氏模量

在使用低模数钛合金,一些外科医生专门从事脊髓疾病,如脊柱侧凸、脊椎滑脱,和脊柱骨折,指出,春天在植入棒的数量应该小,植入手术期间提供了更好的处理能力。植入棒进行手动弯曲时由外科医生在病人的体内小空间原位脊椎轮廓。认为春天回来的数量取决于两个植入杆的强度和杨氏模量。如果两个植入棒拥有相同的力,而是用不同的杨氏模,植入杆有较低的杨氏模量显示更大的回弹。低模量钛合金制成的植入棒表现出较低的杨氏模量,导致更大的回弹。因此,较低的杨氏模量,的一个关键特性β型钛合金等TNTZ金属生物材料,显然是一个理想的属性为外科医生病人而成为一个不受欢迎的属性。钛合金,满足外科医生和患者的需求对植入杆的杨氏模量,目前正在开发(13]。

的回弹量被认为是小的合金具有更高的杨氏模量相比有low-Young的模量示意图如图11。因此,low-Young弹性模量β型钛合金,其杨氏模量不同,成为高只在畸形的一部分,被认为是减少回弹和满足low-Young模量的条件。这个概念被称为自我调节的杨氏模量。一般来说,金属的杨氏模量,变形合金不彻底改变。然而,对于某些亚稳态β型钛合金,如非平衡阶段α′,α′′,ω阶段出现在β在变形矩阵(14]。如果deformation-induced阶段的杨氏模量比原来的高β阶段,杨氏模量只植入杆的变形部分的增加,而不变形的部分仍然很低。在整形手术治疗脊柱疾病,外科医生植入杆是弯曲的,对应于脊柱的曲率。因此,如果采用合适的钛合金作为植入杆材料,弹性回复可以抑制deformation-induced相变发生在弯曲过程中操作,而低杨氏模量可以保留患者。一般来说,杨氏模量ω远远大于那些阶段α,α′,α′′,β阶段。在这些阶段中,ω,α′,α′′相可以引起的变形β型钛合金与某些化学成分。

的一个候选人合金自动调节杨氏模量为生物医学应用Ti-12Cr报道。图12(13)显示了杨氏模Ti-12Cr接受解决方案治疗(Ti-12Cr-ST)和严重冷轧(Ti-12Cr-CR)与TNTZ接受解决方案治疗(TNTZ-ST)和严重冷轧(TNTZ-CR)。Ti-12Cr-ST展品低杨氏模量< 70 GPa;这个值是与TNTZ-ST,已作为生物医学发展β型钛合金具有较低的杨氏模量。TNTZ-CR还显示低杨氏模量几乎相当于TNTZ-ST。因此,冷轧导致TNTZ的杨氏模量的变化可忽略不计。然而,对于Ti-12Cr,杨氏模量增加冷轧和Ti-12Cr-CR > 80 GPa。的deformation-inducedωTi-12Cr阶段被发现,但在TNTZ没有发现诱导期。因此,增加Ti-12Cr可能是deformation-induced的杨氏模量ω相变。

图13(13]显示Ti-12Cr-ST的拉伸性能,Ti-12Cr-CR TNTZ-ST, TNTZ-CR。Ti-12Cr-ST和TNTZ-ST表现出的抗拉强度增加,但由于冷轧伸长会减少。这一趋势的原因可能是加工硬化的发生。此外,Ti-12Cr-ST的抗拉强度和Ti-12Cr-CR可以高于TNTZ-ST TNTZ-CR,分别。此外,Ti-12Cr-ST的伸长和Ti-12Cr-CR > 10% ~ 10%,分别。高强度是一个重要的要求从实际应用的角度,虽然这样的高强度可能会导致不良的春天回来。因此,Ti-12Cr使它的基本成分之一,用于脊柱固定设备的首选候选人作为生物医学钛合金与主见其杨氏模量的能力。

5。Low-Young弹性模量钛合金用于可拆卸的植入物

对于某些类型的内固定装置植入骨髓如股骨、胫骨、肱骨髓,在用于骨板固定螺丝(15],在植入物用于孩子,否则他们将成长为骨,有必要移除设备内固定手术后由于某些特定的迹象;这些迹象包括重要的地方等症状明显的硬件,伤口裂开/曝光的硬件,或者运动员回到接触运动(16,17]。可移动的同化与骨内固定装置由于磷酸钙沉淀,可能导致术中骨骼的固定装置。因此,在这些情况下,有必要防止粘连的合金骨骼组织。因此,考虑到这个需求,必须抑制磷酸钙沉淀。据报道,锆、无毒、防过敏的元素,有能力防止沉淀磷酸钙(18)和Ti合金Zr含量超过25质量%防止磷酸氢钙的形成,这是人体骨骼的主要成分19]。因此,Ti-30Zr-Mo提出了低杨氏模量钛基生物材料用于可拆卸的植入物。

图14(20.)显示了Ti-30Zr——的杨氏模x钼合金受到溶液治疗和合金的考虑比较。杨氏模量的Ti-30Zr -x密苏里州的低于合金被认为是除了TNTZ进行比较。杨氏模量6 mo显示最小值约60 GPa, TNTZ也显示了较低的杨氏模量。

在骨科的应用程序中,理想的生物医学植入物材料需要高强度和较低的杨氏模量。弹性容许应变,定义为strength-to-modulus比率,是一个有用的参数被认为是在骨科的应用程序。弹性容许压力越高,更适合的材料是这样的应用程序(21]。图15(20.)显示的分布as-solutionized Ti-30Zr -x钼合金和合金考虑比较弹性的情节容许对伸长应变。6月和7莫表现出更大的伸长和弹性容许应变高于其他Ti-30Zr -x密苏里州和SUS316L、CP Ti, Ti64 ELI和TNTZ。图16(20.)显示了密苏里州7细胞培养密度和合金考虑比较,24 h。7莫细胞密度的最高价值。因此,6个月和7帽显示有前途的潜在新候选人用于生物医学应用。

6。杨氏模量和应力屏蔽

是很重要的证明植入杨氏模量相似的骨头,这将抑制骨萎缩和良好的骨重塑(1,4]。当然,植入物的几何控制杨氏模量是另一个因素。然而,我们专注于植入的杨氏模量。研究已经进行髓内植入的棒和骨板由low-Young弹性模量β型钛合金(TNTZ),常规实践(α+β”钛合金(Ti-6Al-4V ELI),和传统不锈钢(SUS316L)的胫骨骨折模型制成兔子(8,22]。年轻的模TNTZ、Ti-6Al-4V ELI和SUS316L不锈钢用于髓内棒,由三点弯曲测试,测量是58,108,和161 GPa,分别。在这两种情况下,植入的髓内杆的移植骨板,骨萎缩,和骨重建已报告至少和最好的,分别为TNTZ。图17(8,22]显示骨折的x射线照片模型植入髓内棒由TNTZ和SUS316L不锈钢在24周后植入。骨萎缩可以观察到的后侧部分胫骨髓内杆采用SUS316L不锈钢制作,但是没有看到骨萎缩的髓内杆TNTZ做的。大骨形成可以观察到前部的胫骨髓内杆SUS316L不锈钢做的,但是可以观察到非常小的骨形成在前面部分的胫骨髓内杆TNTZ做的。因此,低杨氏模量是有效地抑制骨萎缩,导致优秀的骨重塑。

进一步研究杨氏模量对骨重建的影响做了移植骨板由TNTZ Ti-6Al-4V以利,SUS316L不锈钢在胫骨骨折模型的兔子。只有TNTZ制成的骨板的情况下,的直径的增加胫骨髓内骨组织和双壁结构被报道观察如图18(1]。对图18,内壁原骨密质骨结构,即保持旧皮质骨和外墙骨骼结构是新成立的。这是一个可能的结果的骨重塑low-Young弹性模量骨板。

此外,有必要理解水平的杨氏模量,这是有效抑制骨萎缩,提高骨重塑。图19(8)显示的资料提取的骨板由TNTZ接受解决方案治疗(TNTZ-ST) TNTZ受到老化方案治疗后(TNTZ-AT)和SUS316 L不锈钢(SUS316L)附加到兔子的胫骨52周后植入。年轻的模TNTZ-ST、TNTZ-AT SUS316L、由三点弯曲测试,测量是58,78,和161 GPa,分别。上每个骨片和侧表面覆盖的新形成的骨,但相当大量的新形成的骨也可以观察到在螺丝的头由TNTZ-ST TNTZ-AT,包围圆标志。

图20.(8)显示了骨状态下骨板的光学显微镜图由TNTZ-ST TNTZ-AT、SUS316L。可以观察到骨萎缩在所有情况下却变得更加独特与杨氏模量增加;是最高的SUS316L、TNTZ-AT和TNTZ-ST紧随其后。预计钛合金与更低的杨氏模量将有利于抑制骨萎缩,导致更好的骨重塑。

7所示。总结

钛基合金与低杨氏模量已经被证明是有效抑制骨萎缩,提高骨重塑进行动物实验的兔子。因此,低杨氏模量钛合金等实际应用将是有用的植入设备用于替换硬组织失败。然而,考虑到易于操作,其他属性,如小春天回来,这是有效地维护体内植入物的弯曲形状,和较低的屈服应力和极限强度高,导致容易实现永久变形体内的植入在狭窄的空间,也很重要。金属生物材料,满足患者和外科医生的要求,高度要求。

确认

作者要感谢教授t .服部年宏Meijo大学、名古屋,日本,t . Nakano教授和博士t Ishimoto大阪大学,大阪,日本,和小姐x l .赵材料研究所,日本仙台东北大学和堤博士实验的支持。这项研究的部分支持由全球COE计划”材料集成国际教育和研究中心,东北大学“教育部,文化,体育,科学和技术(下边了)(日本东京)和新能源和工业技术发展组织(NEDO)(日本东京),东北大学和九州大学之间的合作项目“功能强大界面科学:生物材料的创新功能强大界面宿主和寄生虫,”下边了(日本东京),轻金属教育基金会,Inc .(日本大阪),材料研究所的合作研究项目,东北大学(日本仙台)和高级研究中心的合作研究项目的金属眼镜,东北大学材料研究所(仙台、日本)。

引用

1. 服部n .住友k . Noritake t . et al .,“实验研究骨折固定刚度较低钛合金:板固定在兔胫骨骨折模型,”材料科学杂志,19卷,不。4、1581 - 1586年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m . Niinomi“最近的金属材料为生物医学应用,”冶金和材料交易33卷,第486 - 477页,2002年。视图:谷歌学术搜索
3. m . Niinomi“生物医学钛合金力学性能,材料科学与工程,卷243,不。1 - 2、231 - 236年,1998页。视图:谷歌学术搜索
4. 服部m . Niinomi t t Kasuga, h·福井钛及其合金、生物材料和生物医学工程的百科全书,马塞尔·德克尔,2006年。
5. h .松本,s .渡边和Hanada音,“加强低杨氏模量βTi-Nb-Sn合金的热机械的加工,”医疗设备的材料和过程研讨会论文集(MPMD 06)页,9-14 ASM国际,2006年11月。视图:谷歌学术搜索
6. y l ., s . j . Li郑胜耀太阳,c . y .郑r·杨,“弹性变形行为的ti - 24 - nb - 4 - zr - 7.9 - sn对于生物医学应用程序,”Acta Biomaterialia,3卷,不。2、277 - 286年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. d .黑田m . Niinomi m .森永y加藤,和t .八城政基设计和力学性能的新β型钛合金植入材料。”材料科学与工程,卷243,不。1 - 2、244 - 249年,1998页。视图:谷歌学术搜索
8. m . Niinomi”,往往和现状的钛合金结构体心对于生物医学应用程序,”日本钢铁协会的公告15卷,第670 - 661页,2010年。视图:谷歌学术搜索
9. m . Nakai m . Niinomi和t . Oneda”,改善生物医学的疲劳强度β类型Ti-Nb-Ta-Zr通过优化合金,同时保持较低的杨氏模量ω步沉淀。”冶金和材料交易。提交。视图:谷歌学术搜索
10. h . Yilmazer m . Niinomi t . Akahori m .南开和h .堤”,严重的塑性变形和形变场的影响治疗的微观结构和力学性能β型钛合金的生物医学应用程序”13包含了学报》上,第1410 - 1401页,2009年。视图:谷歌学术搜索
11. m . Niinomi”低模数的力学性能的改善β-Ti-Nb-Ta-Zr系统合金微观结构控制通过热机的处理,“国际现代物理学杂志》上,22卷,不。18日至19日,第2795 - 2787页,2008年。视图:谷歌学术搜索
12. m . Niinomi m . Nakai x的歌,和l .王”改进的机械强度$\beta$型钛合金的生物医学应用程序保持低杨氏模量通过添加少量的矿₂或Y₂O₃,“在19包含了学报》上2011年,奥克兰,新西兰。视图:谷歌学术搜索
13. 赵m . Nakai m . Niinomi x, x赵,“自我调节的杨氏模量在生物医学钛合金在骨科手术中,“材料的信件,卷65,不。4、688 - 690年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. t . Furuhara和t . Maki阶段转换的钛和钛合金。”Kinzoku卷,66年,第296 - 287页,1996年。视图:谷歌学术搜索
15. e .小林m .安藤y堤et al .,“抑制钛锆涂层对磷酸钙沉淀的影响,以避免同化与骨头,“材料交易,48卷,不。3、301 - 306年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. g·k . Kambouroglou t·s·阿克塞尔罗德,“AO / ASIF并发症的桡骨远端钛板系统(π桡骨远端板)内固定的:一个简短的报告,“《手手术,23卷,不。4、737 - 741年,1998页。视图:谷歌学术搜索
17. s·d·库克,e·a·还建议,r·l·巴拉克“临床和冶金分析检索内固定设备,“临床骨科和相关研究卷,194年,第247 - 236页,1985年。视图:谷歌学术搜索
18. e .小林m .安藤y堤et al .,“抑制钛锆涂层对磷酸钙沉淀的影响,以避免同化与骨头,“材料交易,48卷,不。3、301 - 306年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. t . Hanawa、o . Okuno和h . Hamanaka”成分变化在人工bioliquid Ti-Zr合金表面,”日本研究所的金属》杂志上,56个卷,第1173 - 1168页,1992年。视图:谷歌学术搜索
20. x l .赵m . Niinomi m . Nakai t . Ishimoto和t . Nakano”发展的高Zr-containing Ti-based杨氏模量较低的合金用于可拆卸的植入,”材料科学与工程。在出版社。视图:谷歌学术搜索
21. y的歌,d . s .徐r·杨·d·李,w·t·吴郭x和z,”理论研究合金元素的影响强度和模量β类型bio-titanium合金”,材料科学与工程,卷260,不。1 - 2、269 - 274年,1999页。视图:谷歌学术搜索
22. m . Niinomi和t .服部年宏”效应的杨氏模量在萎缩和骨重建金属植入物,”接口口腔健康科学铃木、t . Sasano o . p . Stashenko, Eds。,第99 - 90页,2010年。视图:谷歌学术搜索

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