Biomateriály na bázi kovů
L. Joska Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství
Historie
• 1901 - objev krevních skupin, 1905 - první úspěšná transfuze mezi lidmi • 1958 - kyčelní kloub na bázi oceli • 1965 – titanový zubní implantát (Branemark, již v roce 1953 zavádí pojem osseointegrace)
Co umíme?
Téměř ano!
Co umíme?
Téměř cokoliv!
Zdroj National Geographic
Biomateriály obnovují kvalitu života
Zdroj National Geographic
Biomateriály obnovují kvalitu života, ale ....
Zdroj National Geographic
Biomateriály obnovují kvalitu života, ale ....
Zdroj National Geographic
Totální endoprotéza kyčelního kloubu
Sir John Charnley endoprotéza 1962
Proč kovy?
Zdroj National Geographic
Proč kovy?
Materiálové vlastnosti.
Kovové materiály pro lidské tělo Klinická oblast
Použití
Materiál
Ortopedie
Fixace páteře
316L, Ti, TiAlV
Fixace kostí
316L, Ti, TiAlV
klouby
316L, CoCr, TiAlV
Tělo implantovaného umělého srdce
Ti
Sedla „chlopní“
TiAlV
Kardiostimulátor – tělo vodiče elektrody
Ti, TiAlV NiCo Ti, PtIr
Elektrody stimulující vnitřní ucho
Pt
Umělý bubínek
316L
Protetika
AuAgCu(Pt,Pd), PdAgCuAu, NiCr, CoCr, Ti
Implantologie
Ti, TiAlV, NiTi
Ortodoncie - dráty
316L, NiTi, CoCr
jehly
304
skalpely
oceli legované chromem
stenty
materiály s tvarovou pamětí (NiTi)
Kardiologie
Ušní Stomatologie
Obecná chirurgie
Implantát Materiálově specifické vlastnosti
Produktově specifické vlastnosti
mechanické
zpracovatelnost
korozní odolnost
vzhled
biologické
Konstrukce
Materiálové vlastnosti
Produktově specifické vlastnosti materiálů
Vývoj implantátu
Ti kolonizovaný buňkami
Reakce organismu na nový prvek
Modul pružnosti
Rigidní protéza
Izoelastická vs. rigidní endoprotéza
Kovy
Ovlivnění vlastností materiálu a produktu • • • •
mikrostruktura tváření tepelné zpracování legování
• • • •
porézní kovy prášková metalurgie, lisování a spékání biodegradovatelné kovy vrstvy
Mikrostruktura
Vliv směru tváření na mechanické vlastnosti
Ovlivnění mechanických vlastností - krystalizace
Ovlivnění mechanických vlastností - vytvrzování
Diagram Fe-C
Vliv legování na strukturu
legování niklem
legování chromem
Ovlivnění fázové struktury - legování
Přechod a (hexagonální) - b (kubická tělesně centrovaná): 890 °C
Ovlivnění fázové struktury - legování titanu hliníkem a vanadem
Biofunkčnost Velké kosti E = 10-20 GPa
biofunkčnost = mez únavy/E
Příklady implantátů
Implantáty
Nové trendy
Práškové materiály
sintrovaný (A) a leptaný (B) stomatologický implantát
titanová pěna
Biodegradovatelné kovové materiály • slitiny hořčíku • MgAlZn • MgMn(Ce,Y,Sc,Gd...)
implantát
Biodegradovatelné kovové materiály
implantát
Vrstvy • TiN, ZrN – vytváření technologií PVD (physical vapor deposition) – ortopedie - tribologie – stomatologie - bariérový a estetický efekt
TiN
FR, pH=4,2; 0 ppm F
FR, pH=4,2; 10000 ppm F
ZrN
FR, pH=4,2; 0 ppm F
FR, pH=4,2; 500 ppm F
Vrstvy • DLC (Diamond-Like-Carbon) – uhlík vázaný sp2/sp3 vazbami – vytváření technologií PVD – ortopedie - tribologie, osseointegrace – stomatologie - osseointegrace, bariérový a estetický efekt diamant
grafit
DLC
vazby
jen sp3
jen sp2
sp3, sp2
stabilita
stabilní
stabilní
metastabilní
mikrostruktura
krystalická
krystalická
amorfní
el. vodivost
izolant
vodič
+- izolant
Nanostrukturování povrchu
• uspořádaná povrchová textura • průměr – nanometry • délka – až mikrometry • soutěž chemie a elektrochemie
Nanostrukturování povrchu Ti
Ti6Al4V
Slitiny s tvarovou pamětí • bezdifúzní fázová přeměna spojená s relaxací napětí
• ekvivalent přeměny austenit - martenzit při kalení ocelí • vykazuje řada materiálů • Nitinol - slitina titanu s niklem (superelasticita) • výroba obtížná
Slitiny s tvarovou pamětí
• jednocestný paměťový efekt • dvoucestný paměťový efekt • superelasticita
Příklady
Jícnový stent
Jednocestný paměťový efekt
Diagram zkoušky tahem
Diagram zkoušky tahem
Únavové křivky
