Kāpēc šie divi materiāli bieži tiek salīdzināti?
Ti-6Al-4V ELIir īpaši zema intersticiāla (ELI) versija vispāratzītajam Ti-6Al-4V titāna sakausējumam. Samazinot pieļaujamo intersticiālo elementu, piemēram, skābekļa un dzelzs, līmeni, tas nodrošina noderīgu augstas stiprības, lokanības un izturības pret lūzumiem līdzsvaru. Tas ir kļuvis par atzītu materiālu medicīniskiem implantiem.
Tomēr bažas par vanādija jonu iespējamo citotoksicitāti un to iespējamo uzkrāšanos organismā ir pamudinājušas pētniekus izpētīt alternatīvas, kas nesatur vanādiju.Ti-6Al-7Nbtika izstrādāta kā viena no šādām alternatīvām, aizstājot vanādiju ar niobiju, vienlaikus piedāvājot salīdzināmas mehāniskās īpašības piemērotos materiāla apstākļos.
Tas ir padarījis Ti-6Al-7Nb par alternatīvu Ti-6Al-4V ELI medicīnisko implantu lietojumos. Kā šie divi materiāli tiek salīdzināti praksē? Šajā rakstā apskatīts to ķīmiskais sastāvs, mehāniskās īpašības, bioloģiskā saderība, izmaksas un izpildes laiks.
1. Ķīmiskā sastāva salīdzinājums
Abi sakausējumi ir alfa-beta titāna sakausējumi ar vienādu nominālo alumīnija saturu (5,5–6,5%). Galvenā atšķirība ir beta stabilizējošā sakausējuma elementā.
| Elements (mas.%) | Ti-6Al-4V ELI | Ti-6Al-7Nb |
|---|---|---|
| Al | 5.5–6.5 | 5.5–6.5 |
| V | 3.5–4.5 | - |
| Nb | - | 6.5–7.5 |
| Fe (maks.) | 0.25 | 0.25 |
| O (maks.) | 0.13 | 0.20 |
| C (maks.) | 0.08 | 0.08 |
| N (maks.) | 0.05 | 0.05 |
| H (maks.) | 0.0125 | 0.009 |
| Ta (maks.) | - | 0.50 |
Datu avoti: ASTM F136 (Ti-6Al-4V ELI) un ASTM F1295 (Ti-6Al-7Nb).
Ti-6Al-7Nb ir augstāks pieļaujamais maksimālais skābekļa saturs (0,20% pret . 0.13%). Skābeklis palielina titāna sakausējumu izturību, bet var samazināt elastību un izturību pret lūzumiem, ja tā saturs ir pārāk augsts. Tāpēc faktiskais līdzsvars starp stiprību un elastību ir atkarīgs no materiāla sastāva un apstrādes apstākļiem.
Maksimālais ūdeņraža saturs, kas norādīts Ti-6Al-7Nb, ir mazāks (0,009% pret . 0.0125%). Ūdeņraža kontrole ir svarīga, jo pārmērīgs ūdeņraža daudzums var veicināt trauslumu un ietekmēt izturību pret lūzumiem.
2. Mehānisko īpašību salīdzinājums
| Īpašums | Ti-6Al-4V ELI | Ti-6Al-7Nb |
|---|---|---|
| Stiepes izturība | 860–950 MPa | 900–1050 MPa |
| Ražas spēks | 760–880 MPa | 800–880 MPa |
| Pagarinājums pēc lūzuma | Lielāks vai vienāds ar 10% | Lielāks vai vienāds ar 10% |
| Platības samazināšana | Lielāks vai vienāds ar 25% | Lielāks vai vienāds ar 25% |
| Elastības modulis | Apmēram 110 GPa | Aptuveni 105 GPa |
Galvenā atšķirība ne vienmēr ir absolūtā izturība, bet gan tas, kā tiek līdzsvarota izturība un elastība. Ti-6Al-7Nb pieļauj augstāku maksimālo skābekļa saturu, tāpēc rūpīga procesa kontrole ir svarīga, lai sasniegtu nepieciešamo stiprības un pagarinājuma kombināciju.
No ražošanas viedokļa kalšanas temperatūras un termiskās apstrādes parametri jāizvēlas atbilstoši sakausējumam, izstrādājuma izmēriem un nepieciešamajām īpašībām. Nevajadzētu pieņemt, ka apstrādes logs katrā gadījumā ir šaurāks, neņemot vērā faktisko ražošanas ceļu un materiāla stāvokli.
3. Bioloģiskās saderības salīdzinājums
Bioloģiskā saderība ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc šie divi materiāli tiek salīdzināti.
Vanādija atbrīvošana
Bioloģiskās saderības pētījumā, kas publicēts 1989. gadā, tika ziņots par izmērāmu vanādija izdalīšanos no Ti-6Al-4V ELI pulvera, kas iegremdēts imitētā ķermeņa šķidrumā 1–7 dienas. Ziņotais vanādija izdalīšanās ātrums bija 194,3 ± 17,6 pg/mg sakausējuma dienā, savukārt alumīnija izdalīšanās ātrums bija 73,0 ± 28,1 pg/mg sakausējuma dienā.
Pētījumā arī ziņots, ka iegremdēšanas šķīdumi neuzrādīja mutagenitāti baktēriju mutāciju un neplānotās DNS sintēzes (UDS) testos. Šie atklājumi liecina, ka sakausējuma uzvedība testa apstākļos ir jāņem vērā līdzās tā izturībai pret koroziju un iespējamo metālu jonu izdalīšanos.
Avots:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2794696/#1
Kāpēc apsvērt niobiju kā alternatīvu?
Ti-6Al-7Nb aizstāj vanādiju ar niobiju. Parasti tiek uzskatīts, ka niobijam ir labvēlīgas bioloģiskās saderības īpašības, un eksperimentālie pētījumi ir ziņojuši par labu bioloģisko reakciju uz Ti-6Al-7Nb.
Žurku kalvariālās implantācijas modelī Ti-6Al-7Nb implanti neuzrādīja pārvietošanos, kaulu rezorbciju vai šķidruma uzkrāšanos 1–3 mēnešu novērošanas periodā. Ap implantiem izveidojās jauns kauls, un netika ziņots par iekaisuma reakciju. Arī citos pētījumos ar šūnu kultūrām un dzīvnieku modeļiem, tostarp žurkām un aitām, ir ziņots par labvēlīgiem bioloģiskās saderības rezultātiem.
Avoti:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24322029/#1
https://ouci.dntb.gov.ua/works/7B0LWDol/#1
Pašreizējie pētījumi atbalsta Ti-6Al-7Nb bioloģisko saderību, taču šie eksperimentālie atklājumi vien nenorāda, ka tas ir klīniski drošāks par Ti-6Al-4V ELI ilgtermiņā. Jebkura sakausējuma veiktspēja ir jānovērtē, ņemot vērā tā materiāla stāvokli, virsmas īpašības, implanta dizainu un pieejamos klīniskos pierādījumus.
4. Izmaksu salīdzinājums
Kopumā niobijs kā leģējošais elements var būt dārgāks nekā vanādijs. Tomēr sūkļa titāna, kausēšanas un apstrādes izmaksas arī būtiski ietekmē titāna sakausējuma ražošanas kopējās izmaksas.
Atšķirība niobija un vanādija izmaksās pati par sevi nenosaka titāna stieņu galīgo cenu. Faktiskās izmaksas ir atkarīgas no sakausējuma specifikācijas, izmēriem, pasūtījuma daudzuma, ražošanas maršruta un pārbaudes prasībām.
Mēs iesakām pieprasīt piedāvājumus par abiem materiāliem no sava piegādātāja, lai jūs varētu salīdzināt faktiskās cenas, nevis paļauties uz vispārējiem izmaksu pieņēmumiem.
5. Izpildes laika salīdzinājums
Mūsu piegādes laiks šiem diviem materiāliem ir atkarīgs no krājumu pieejamības un ražošanas grafika, nevis no pašiem materiāliem.
Tā kā Ti-6Al-4V ELI ir atzīts medicīniskais titāna sakausējums, mēs parasti saglabājam labāku standarta izmēru krājumu pieejamību. Ti-6Al-7Nb ir specializētāks sakausējums, un mūsu pieejamie krājumi var būt ierobežoti. Tāpēc piegāde var būt vairāk atkarīga no ražošanas grafika.
Faktiskais izpildes laiks var ievērojami atšķirties atkarībā no nepieciešamajiem izmēriem, pasūtījuma daudzuma un pārbaudes prasībām. Mēs iesakām sazināties ar mums, lai apstiprinātu pašreizējo izpildes laiku jūsu īpašajām prasībām.
Šajā tabulā ir sniegta orientējoša atsauce:
| Piegādes stāvoklis | Ti-6Al-4V ELI | Ti-6Al-7Nb |
|---|---|---|
| Noliktavā | Izsūtīšana aptuveni 7 dienu laikā | Aptuveni 7 dienas, kad ir pieejams pietiekams krājums |
| Izgatavots pēc pasūtījuma | 15-30 dienas | 20-30 dienas |
Tie ir orientējoši aprēķini, nevis garantēti piegādes laiki. Pirms pasūtījuma veikšanas, lūdzu, apstipriniet ar mums faktisko grafiku.
6. Materiālu izvēles ieteikumi
| Pieteikums vai prasība | Ieteicamais materiāls |
|---|---|
| Nesošie implanti, kur priekšroka tiek dota sakausējumam, kas nesatur vanādiju | Ti-6Al-7Nb |
| Nesošie implanti, kur izmaksas ir galvenais apsvērums un Ti-6Al-4V ELI jau ir kvalificēts | Ti-6Al-4V ELI |
| Lietojumprogrammas, kurās ir īpašas bažas par metālu jutīgumu | Novērtējiet Ti-6Al-7Nb kopā ar attiecīgajiem bioloģiskajiem pierādījumiem |
| Esošās ierīces ir kvalificētas Ti-6Al-4V ELI, bez noteiktas nepieciešamības veikt būtiskas izmaiņas | Turpiniet izmantot esošo kvalificēto materiālu |
Mūsu novērtējums ir tāds, ka Ti-6Al-7Nb ir atzīta alternatīva Ti-6Al-4V ELI medicīnisko implantu lietojumos, jo īpaši, ja priekšroka tiek dota sakausējumam, kas nesatur vanādiju. Tomēr ražotājiem, kuru ierīces jau ir kvalificētas Ti-6Al-4V ELI, mainot materiālus, var būt nepieciešama papildu pārbaude, validācija un regulējuma pārskatīšana.
Tāpēc materiālu izvēlei jābalstās ne tikai uz mehāniskajām īpašībām, bet arī uz paredzēto pielietojumu, bioloģisko novērtējumu, ražošanas prasībām un normatīvo aktu ietekmi.
Ti-6Al-7Nb un Ti-6Al-4V ELI salīdzinājums nav tikai jautājums par to, kurš materiāls ir labāks. Svarīgāks jautājums ir, kurš materiāls ir labāk piemērots jūsu konkrētajam pielietojumam.
Ja jums nepieciešama informācija par stieņu izmēriem, izpildes laikiem vai jebkura sakausējuma paraugu pieejamību, lūdzu, sazinieties ar mums, lai saņemtu apstiprinājumu.