Niob w implantach tytanowych: odporność na korozję i biokompatybilność

Dlaczego niob ma znaczenie w metalurgii implantów

Dwie wady dominujące przy wyborze materiału na implanty ortopedyczne i dentystyczne to uwalnianie jonów i niedopasowanie sztywności. Wanad i nikiel, uwalniane z konwencjonalnych stopów tytanu w postaci cząstek lub jonów, są znacznie bardziej cytotoksyczne niż niob. Odkrycie to sięga dziesięcioleci-prac in vitro nad liniami komórkowymi podobnymi do osteoblastów i osteoklastów-. Jednocześnie metal znacznie sztywniejszy od kości korowej chroni otaczającą tkankę przed obciążeniem i umożliwia jej resorpcję. Niob rozwiązuje oba problemy jednocześnie: jest jednym z najmniej cytotoksycznych z ogniotrwałych dodatków do tytanu i jest silnym pierwiastkiem stabilizującym beta-, który powoduje, że stopy tytanu osiągają znacznie niższy moduł sprężystości.

Prace nad tym tematem nie są nowe. Badanie przeprowadzone w 1991 r., w którym wszczepiono próbki czystego tytanu i czystego niobu do kości królika, wykazało znacznie wyższy moment obrotowy usuwania implantów niobowych i przypisano to ich bardziej nieregularnej morfologii powierzchni. Następnie zainteresowanie przesunęło się z czystego niobu na stopy tytanu zawierające{{3} niob, w przypadku których można łącznie uzyskać korzyści w postaci zmniejszonego uwalniania toksycznych jonów, niższej sztywności i wyższej wytrzymałości mechanicznej.

Biokompatybilność: cytotoksyczność i odpowiedź komórkowa

Próby porównawcze innych pierwiastków są przydatne, ponieważ oceniają potencjalne dodatki stopowe w tej samej skali. W jednym szeroko cytowanym porównaniu średnia cytokompatybilność glinu, wanadu i niobu wynosiła odpowiednio 25,3%, 31,7% i 93% w porównaniu z wartością referencyjną dla tytanu. Czysty tytan był najbardziej cytokompatybilny z badanych czystych metali, jednak binarny stop Ti-10Nb go przewyższał, osiągając średnią cytokompatybilność około 124,8%.

Wyniki in-in vitro również oddzielają dwa konkurencyjne stopy o bardzo-niskiej-miąższowej zawartości. Kiedy porównano Ti-6Al-7Nb i Ti-6Al-4V pod kątem cytotoksyczności i reakcji osteogennych komórek prekursorowych, stop zawierający niob charakteryzował się wyraźnie lepszą adhezją, proliferacją, żywotnością, morfologią i rozprzestrzenianiem się komórek. Testy immunofluorescencyjne wykazały silniejszą ekspresję białek adhezyjnych komórek i bardziej rozległe tworzenie się włókien stresowych aktynowych w obszarze zewnątrzkomórkowym powierzchni Ti-6Al-7Nb.

Zachowanie korozyjne w symulowanych warunkach fizjologicznych

Niob podnosi odporność tytanu na korozję, ponieważ sam w sobie jest wysoce pasywny. Mieszany tlenek tworzący się na powierzchni Ti-Nb jest bardziej obojętny chemicznie niż tlenek na Ti-6Al-4V i szybko się odbudowuje, gdy warstwa pasywna zostanie mechanicznie uszkodzona. Badania implantacji dostarczają najwyraźniejszych dowodów: próbki Ti-15Zr-4Nb-4Ta i Ti-6Al-4V wszczepione do kości piszczelowej szczura i odzyskane po 48 tygodniach wykazały mniej wżerów korozyjnych na stopie zawierającym niob, co wskazuje, że ten pierwszy opierał się załamaniu pasywności skuteczniej niż drugi.

Jest to właściwość, która ma największe znaczenie w przypadku-implantów długoterminowych, ponieważ warunki szczelinowe i cierne na styku-implantu z kością tworzą miejscową chemię, która jest znacznie bardziej agresywna niż masowy płyn ustrojowy. Stop, który ulega repasywacji, łatwo toleruje to środowisko przy niższej szybkości uwalniania jonów metali.

Wytrzymałość mechaniczna, zużycie i moduł

Dodatki niobu zwiększają również właściwości mechaniczne stopów tytanu, zamiast je wymieniać. Wykazano, że Ti-6Al-7Nb zapewnia lepszą odporność na zużycie i wyższą wytrzymałość mechaniczną niż czysty tytan, dlatego też stał się mniej-następcą Ti-6Al-4V w urządzeniach nośnych-. Porównania in vivo nowszego stopu Ti-Ta-Nb-Zr z czystym tytanem wykazały, że stop zawierający niob działał lepiej pod względem długoterminowej stabilności implantu, szybkości gojenia kości i zdolności do osteointegracji.

Zmęczenie i wytrzymałość: stopy alfa-beta i beta stabilizowane niobem zachowują wytrzymałość niezbędną do budowy trzpieni, panewek i filarów dentystycznych.

Odporność na zużycie: według doniesień przekracza odporność czystego tytanu, zmniejszając powstawanie zanieczyszczeń na powierzchniach przegubowych.

Moduł sprężystości: niski-moduł Ti-Nb-Sn. Wykazano, że stopy biomechaniczne spełniają wymagania biomechaniczne osteointegracji, jednocześnie zmniejszając osłonę naprężeniową na styku kości.

Zgodność z inżynierią powierzchni: implant Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn, utleniony mikro-łukiem elektrycznym-poddany obróbce alkalicznej, spowodował solidną osteointegrację z otaczającym materiałem przeszczepu kostnego i sterowaną regenerację tkanki kostnej.

Specyfikacja i trasa przetwarzania

Tytan- zawierający niob to dojrzała rodzina materiałów komercyjnych. Kuty Ti-6Al-4V ELI objęty jest normą ASTM F136, kuty Ti-6Al-7Nb – ASTM F1295 i ISO 5832-11, a niestopowy tytan do implantów – ASTM F67. Metastabilne stopy beta o niskim module sprężystości, zbudowane na bazie wyższej zawartości niobu, są zwykle zamawiane według specyfikacji klienta uzgodnionych z hutą, ponieważ beta transus i obróbka roztworowa oraz cykl starzenia decydują o tym, czy rzeczywiście osiągnięta zostanie docelowa kombinacja modułu i wytrzymałości.

Topienie: przetapianie łukiem próżniowym lub topienie wiązką elektronów w wielu przejściach służy do utrzymania niskiej zawartości międzywęzłów i inkluzji.

Droga termomechaniczna: etapy kucia, walcowania i wyżarzania kontrolują udział fazy alfa, a tym samym wytrzymałość, ciągliwość i trwałość zmęczeniową.

Certyfikat chemiczny: certyfikat młyna musi zawierać niob, aluminium, wanad i żelazo wraz z tlenem, azotem i wodorem.

Stan powierzchni: implanty są zazwyczaj dostarczane w postaci pręta, drutu lub arkusza o kontrolowanej powierzchni, gotowe do obróbki i późniejszej obróbki powierzchni.

Często zadawane pytania

P: Dlaczego w stopach implantów preferowany jest niob zamiast wanadu?
Wanad i nikiel są znacznie bardziej cytotoksyczne niż niob, zarówno w postaci cząstek, jak i jonów, więc zastąpienie wanadu niobem zmniejsza ryzyko niekorzystnej reakcji tkanek, zachowując jednocześnie silne działanie stabilizujące beta.

P: Czy niob obniża moduł sprężystości tytanu?
Tak. Niob jest stabilizatorem beta i zwiększenie jego zawartości w metastabilnym stopie beta przesuwa moduł znacznie poniżej modułu Ti-6Al-4V, co zmniejsza osłonę naprężeniową otaczającej kości.

P: Jak wypada Ti-6Al-7Nb w porównaniu z Ti-6Al-4V w laboratorium?
Donoszono, że zapewnia lepszą adhezję, proliferację i żywotność komórek, silniejszą ekspresję białka adhezji komórkowej oraz lepszą odporność na zużycie i wytrzymałość mechaniczną w porównaniu z czystym tytanem.

P: Które normy obejmują stopy implantów zawierające-niob?
Kuty Ti-6Al-7Nb jest określony w ASTM F1295 i ISO 5832-11, kuty Ti-6Al-4V ELI w ASTM F136, a niestopowy tytan w ASTM F67. Stopy beta o niskim module są zazwyczaj produkowane według uzgodnionych specyfikacji klienta.

P: Czy niob jest używany jako czysty materiał na implanty?
Implanty z czystego niobu badano już w 1991 r. i wykazały one wyższy moment usuwania w porównaniu z czystym tytanem w kości króliczej, ale obecnie w praktyce stosuje się je prawie wyłącznie za pomocą stopów tytanu-zawierających niob.

P: Jaka jest główna zaleta-implantów długoterminowych?
Bardziej stabilna pasywność. Wszczepione próbki wykazują mniej wżerów korozyjnych niż alternatywa- zawierająca wanad, a in vivo zgłaszano lepszą-stabilność długoterminową i gojenie się kości.