Wysokowytrzymały tytan do zastosowań w implantologii

Dr inż. Sylwia Przybysz od stycznia 2021 kieruje projektem „Izotropowy tytan do zastosowań biomedycznych po procesach dużej deformacji plastycznej”, który otrzymał dofinasowanie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach konkursu „Lider XI”.
Innowacyjna metoda odkształcania plastycznego czystego tytanu będzie polegała na kombinacji dwóch metod: procesu wyciskania hydrostatycznego HE (ang. Hydrostatic Extrusion) oraz procesu przeciskania przez równoosiowy kanał kątowy ECAP (ang. Equal Channel Anqular Pressing), Schemat prowadzenia takiego procesu Rys.1. Odkształcony w ten sposób materiał będzie posiadał rozdrobnioną, izotropową strukturę i będzie mógł zostać zastosowany na implanty medyczne, m.in. do stabilizacji złamań kostnych.

Czysty tytan spośród wszystkich biomateriałów metalicznych jest obecnie najlepszym tworzywem na różnego rodzaju implanty. Bardzo dobra biotolerancja tytanu w środowisku żywego organizmu powoduje występowanie procesu osteointegracji (zrostu tkanki kostnej z powierzchnią tytanową implantu). Pierwiastek ten posiada duże powinowactwo do tlenu, dzięki czemu na jego powierzchni łatwo tworzy się warstewka pasywna TiO2, zabezpieczająca przed korozją. Ze względu na niskie właściwości wytrzymałościowe i dużą plastyczność czysty tytan jest rzadko stosowanym materiałem implantacyjnym. Powszechnie używa się więc stopów tytanu, które dzięki dodatkom stopowym charakteryzują się wyższą wytrzymałością. Niestety jednocześnie pogarszają odporność korozyjną i nie są obojętne dla zdrowia człowieka. Takim popularnie wykorzystywanym stopem tytanu w ortopedii jest np. Ti-6Al-4V. Wanad w nim zawarty przechodzi do otaczających tkanek i ma właściwości cytotoksyczne. Dodatkowo bakterie Staphylococcus epidermie, które są osiedlone na powierzchni mechanicznie polerowanego stopu Ti-6Al-4V gromadzą się licznie w miejscach o wysokim stężeniu wanadu i mogą powodować infekcje na styku implantu z tkanką. Dąży się także do wyeliminowania aluminium w stopach tytanu, ponieważ ten dodatek stopowy powoduje bóle mięśni, rozmiękcza kości, uszkadza komórki nerwowe, a w konsekwencji powstają schorzenia mózgu o charakterze demencyjnym.
Wytworzenie nanostruktury w czystym tytanie pozwala na otrzymanie materiału o właściwościach wytrzymałościowych na poziomie stopu tytanu, przy zachowaniu zalet wynikających z czystości tytanu. Nanotytan jest więc niezwykle atrakcyjnym materiałem do zastosowań w produkcji wysoko obciążonych implantów.
Cechą charakterystyczną procesu HE jest generowanie tzw. struktury włóknistej charakteryzującej się wydłużonymi ziarnami w kierunku osi wyciskanego pręta. Efektem tego jest anizotropia właściwości mechanicznych materiału po procesie deformacji we wzajemnie prostopadłych kierunkach, Rys.2.

Z kolei cechą charakterystyczną dla procesu ECAP jest nierównomierny rozkład odkształceń plastycznych i naprężeń ścinających w strefie deformacji, co sprzyja niejednorodności strukturalnej i mechanicznej deformowanych materiałów. Zastosowanie metody ECAP, jako wstępnej przeróbki plastycznej, pozwoli na rozdrobnienie mikrostruktury tytanu przed procesem wyciskania hydrostatycznego. Zmiana mechanizmu deformacji z czystego ścinania w procesie ECAP na stan złożonych naprężeń obejmujących dwu osiowe ściskanie i jednoosiowe rozciąganie w procesie HE wpłynie na ujednorodnienie mikrostruktury w końcowym produkcie ograniczając zjawisko tekstury morfologicznej i związanej z nią anizotropii właściwości mechanicznych.
Dzięki zastosowanej w projekcie technologii opracowany materiał na wyroby medyczne będzie wyróżniać wysoka wytrzymałość mechaniczna, izotropowa struktura, biozgodność oraz brak szkodliwych pierwiastków stopowych takich jak np. aluminium, wanad czy niob. Zwiększona wytrzymałość materiału uzyskana poprzez złożoną przeróbkę plastyczną pozwoli na zredukowanie, np. średnicy śrub wykorzystywanych w implantologii, a tym samym przyczyni się do redukcji średnicy otworów nawiercanych w kości, które są niezbędne do mocowania implantów.