11
Orvosi implantátumok anyagai Dr. Mészáros István Anyagtudomány és Technológia Tanszék
Sebészeti, fogorvosi alkalmazások • Fémek, ötvözetek • Kerámiák • Polimerek • Kompozitok Fémek ötvözetek hátrányai: korrózió, metallózis, lokális és kopás ⇔ törmelék képződés, távoli biólógiai kontakt pot. – elektrolízis reakciók érzékenyek az elektrokémiai korrózióra nagy rugalmassági modulus előnyei:
nagy szilárdság nagy szívósság jó alakíthatóság
⇒Alkalmazhatók: saválló acélok, kobalt alapú ötv., titán alapú ötvözetek Passzív oxid réteg a felületen - fő komponensek - mikroötvözők
a szervezet kis koncentrációban elviselni képes
22
Saválló (korrózióálló) acélok 316L nem stabilizált, ausztenites acél : TAMMAN (18Cr – 8Ni, α, γ stab.) Biolan Ni 12-14 %,Cr 17-20%, C< 0,03% , Mo 2-4% (nem stabilizált Ti, Nb) Ni stabilizálja az ausztenites szerkezetet (delta-ferrit nincs!) C < 0,03% klorid ionokat tartalmazó oldatban jó korrózióállóság (kevés szemcsehatár menti karbid kiválás) ⇓ a szemcsehatár menti korrózió elhanyagolható Mo javítja a tűlyuk korróziós tulajdonságot “pitting” MoO4-2 ionok abszorpciója a felületen ⇒ passziválás Cr passziv Cr-oxid réteg a felületen (vastagsága 20-50 nm) FeCr2O4, NiCr2O4 spinell ⇒ szigetelő, lassú benne a diffúzió, kb. 5 nagyságrenddel lassabb, mint a Fe0-ban Szövetszerkezet: - ha túl magas a Mo tartalom σ−fázis kialakulása, rideg intermetallikus fémvegyület ⇒ az ötvözet rideggé válhat - túl magas Cr tartalom >28% szemcsehatáron króm-carbid precipitáció a környezetben elszegényedik Cr ban ( Cr23C6 ) “kiürített zóna” – helyi anódként működik szemcsehatármenti korróziót okoz. - “Sensitization” : Cr23C6 kialakulása 450-9000C hőmérsékleten történik ⇒ 950 0C feletti hőkezelés, a karbidok kialakulásának megelőzésére, majd gyors hűtés
33
Mechanikai és korróziós tulajdonságok: - Lágyított állapotában a szilárdsága alacsony. - Hidegalakítás után a szilárdsága, keménysége, modulusa nő, alakíthatósága csökken. - A durva szemcseszerkezet csökkenti a fáradással szembeni ellenállóképességet (Hall-Petch), (sok csipőprotézis fáradásos törése 1978.) - Cr-oxid réteg kritikus elektrokémiai potenciálja közel azonos az in-vivo környezetben kialakuló potenciálkülönbséggel ⇒ Cr-oxid részlegesen megbomlik ⇒ korrózió ⇒ korróziós termékek Ni2+,Cr3+ fémionok kerülnek a környező szövetbe (metallózis) és a távolabbi testrészekbe (fémionok felhalmozódása a májban) ⇒ implantátum-csont kötés meglazulása ⇒ Korlátozott használati idő 6-12hó (WHO). - Rudak, lemezek, csavarok, szögek, törésrögzítés.
44
Duplex saválló acél : (25Cr-7Ni-4Mo-0,25N) Szövetszerkezet: α + γ (40 − 60 %) - Duplex: ausztenit + ferrit : mágneses mérések, - Kiváló korrózióállóság Cl- ion tartalmú közegekben - Mo, Cr tartalom magas: - jobb lyuk (pitting) és késél (crevice) korróziós tulajdonságok - Szakítószilárdsága magasabb (4x) mint az ausztenites acélé - Ferromágneses ⇒ NMR (MR) vizsgálatot lehetetlenné teszi
55
Kobalt alapú ötvözetek : ortopédiai alkalmazások (Vitallium, Virilium…)
Öntött Co-Cr-Mo ( ASTM F 75 ). - Az öntvény megszilárdulása során 1350-14500C nagyszemcséjű, inhomogén (cored szerkezet) - Fázisai: - Co-ban gazdag γ - fázis (dendrites) - Cr-ban gazdag M23C6 fázis (Co-Cr-Mo keverék) - Cr+Mo -ban gazdag σ - fázis - fajtérfogat változás dermedés során ⇒ porozitás⇒lunkerek⇒törés - 890 0C lassú allotróp átalakulás szoros hexagonális szerkezetből ⇒ FKK. Hűtés során FKK fázis visszamaradhat (metastabil fázis). - 1235 0C eutektikum ⇒ ha T> 1235 0C helyileg megolvad s a megszilárdulás során σ,γ, M23C6 fázisok válnak ki a szemcsehatáron⇒ csökkenti a korrózióállóságot, szivósságot ⇒ tipikus homogenizálási hőmérséklet 1225 0C (24-48h)
66
Co-Cr-W-Ni (ASTM F90) - Kristályszerkezete FKK, ausztenites - Alakítási módjai: - meleg kovácsolás >650 0C - Hidegalakítás (kovácsolás, hengerlés) εfázis (hex) - melegkovácsolásnál finom szövetszerkezetet és homogén karbid eloszlást kapunk Co-Ni-Cr-Mo ( ASTM F 562, MP35N ). - Finomszemcsés ausztenites és hexagonális szerkezet - 650 0C allotróp átalakulás hex ⇒ FKK ,kétfázisú rendszer - hűtés során maradék ausztenit alakul ki (alacsony energiájú metastabil állapot) - hőkezelés 425 - max.6500C tartományban ⇒ Co3Mo precipitáció alakul ki a hexagonális fázison belül (kiválásos keményítés)
77
Ti – alapú ötvözetek - tökéletesen szövetbarát (inaktív), felületén Ti-oxid (1-4 nm) - Hex(α)-TKK(β) 975 0C –on allotróp átalakulás - nagy szilárdság
- jó korrózióállóság
jó terhelés eloszlás, ortopédiai alk
- alacsony rug.modulus
- tiszta Ti csak a fogászatban alkalmazzák (esetleg bevonattal) - Ti-6Al-4V (ASTM F 136) - Ti-5Al-2,5Fe - Ti-6Al-7Nb - Ti-6Al-4V ( ASTM F 136 ) kétfázisú: α+γ - Szövetszerkezete :
- újrakristályosított (1) - lemezes (2) - homogenizált és öregített (3) - hidrogén ötvözött (4)
- (1) Alakítás, (kovácsolás) 700-950 0C + hőkezelés 700 0C ⇒ újrakristályosodik az anyag ⇒ közel kerek α szemcsék, finom szerkezet (3-10 µm), β a szemcsehatáron (Ajánlott.) - (2) Lemezes. Hőkezelés T>975 0C (β) homogenizálás, hűtés ⇒ α+β lemezes szerkezet (5-20 µm)
88
- (3) Homogenizálás 1000-10500C ⇒ β, öregítés 800-950 0C ⇒ α+β. Idő ⇒ finom szemcseszerkezet ⇒ jobb fáradási tulajdonságok - (4) Hidrogén-ötvözés, kémiai-ötvözés: a hidrogén csak időleges ötvöző (β stabilizáló). Eutektoid β bomlása termodinamikailag kedvezőbb mint az β ⇒ α allotróp átalakulás. Eutektoid bomlása ⇒ rendkívül finom 1µm kisebb α szemcsék az α+β szerkezetben ⇒ kitűnő kifáradási tulajdonságok
