Физические свойства стали и титана, как материалов костных фиксаторов

Введение

Материалом выбора для внутренней фиксации на сегодняшний день остается металл, который обеспечивает высокую жесткость и прочность, до­статочную пластичность и обычно хорошо перено­сится биологически.

Металлические имплантаты производят из нержавеющей стали (НС), технически чистого титана (Ti) или сплавов титана. В последнее время в особых слу­чаях стали применять титан-молибден. Также используют керамику, полимеры, углеродные ком­позиты и биодеградируемые материалы, хотя их приме­нение ограничено в основном специальными показа­ниями [1].

Материалы имплантатов для внутренней фиксации должны отвечать базовым требованиям, наиболее важными из кото­рых являются надежное функционирование и минимальные побочные эффекты; к следующим по значимости относится легкость в обращении.

Свойства материала

1) Жесткость

Жесткость - это способность материала противодейство­вать деформации, она измеряется как соотношение прило­женной силы и возникающей эластической деформации. Присущая материалу жесткость определяется как модуль его эластичности. Жесткость имплантата зависит от моду­ля эластичности материала, а также от формы и размеров самого имплантата. Например, модуль эластичности Ti равен примерно половине модуля эластичности (НС); следовательно, при сходных нагрузках Ti будет деформироваться в два раза сильнее, чем сталь (рис. 1). Размеры имплантата влияют на жесткость, поэтому увеличение толщины стандартной пластины из Ti на несколько десятых миллиметра увеличит ее жест­кость на сгибание. [2]

Рисунок 1. Деформация титана и стали под одинаковой нагрузкой

2) Прочность

Прочность - это способность материала противостоять нагрузкам, не подвергаясь деформации. Прочность опре­деляет величину нагрузки, которую может выдержать имплантат. Прежде чем произойдет разрыв, металл мо­жет необратимо деформироваться (т.н. пластическая де­формация), поэтому размеры имплантата часто более важны, чем прочность материала. Прочность Ti при­мерно на 10% меньше, чем прочность стали (таб. 1), но увеличение толщины имплантата будет компенсиро­вать различия в прочности материала. Прочность опреде­ляет предел нагрузки (силы на единицу площади), кото­рая приводит к деформации. [3]

Для внутренней фиксации критическое значе­ние имеет устойчивость имплантата к повторяю­щимся нагрузкам, которые могут приводить к уста­лостным повреждениям. По сравнению со сталью Ti несколько менее устойчив однократны нагрузкам, но лучше переносит действие циклических повторяемых нагрузок [4].

Таблица 1.

Прочность материалов, применяемых для производства винтов

3) Пластичность

Пластичность материала - это степень пластической де­формации, которую он выдерживает до возникновения разрыва. Пластичность материала определяет степень, до которой имплантат, например, пластина, может быть контурирован. Как правило, материалы с высокой прочностью, такие как сплавы титана или чистый холоднообработанный Ti, имеют меньшую пластичность, чем сталь. Пластичность дает возможность некоторое время выдерживать дефор­мацию (обеспечивает предупреждение), например, при введении винта. [5]

4) Устойчивость к коррозии

Коррозия - это электрохимический процесс, ко­торый приводит к деструкции металла вследствие высвобождения его ионов. Коррозия различна у имплантатов, состоящих из одно­го компонента, и у имплантатов, представляющих со­бой систему из нескольких компонентов. Нержавеющая сталь и Ti в виде одного элемента (напр. только пластина или только винт, а не их сочетание) при тестировании демонстрируют высокую устойчивость к коррозии даже в агрессивной среде жидкостей организ­ма человека. Это объясняется формированием защит­ного пассивирующего слоя на их поверхности. Титан и титановые сплавы обладают очень высокой химической инертностью. На них образуется оксидный пассивирую­щий слой, который значительно устойчивее к коррозии и термодинамически стабильнее, чем слой оксида хро­ма на нержавеющей стали. Титановый пассивирующий слой формируется очень быстро и является электриче­ски изолирующим, поэтому имплантат практически не подвергается коррозии. [6]

5) Структура поверхности

При установке имплантата в организм, адсорб­ция протеинов и адгезия клеток происходят в те­чение нескольких минут, после чего наблюдается либо адгезия мягких тканей, либо адгезия матрикса вплоть до минерализации [7]. В случае отсутствия адсорбции протеинов и адгезии клеток при нали­чии микроподвижности происходит формирова­ние фиброзной капсулы.

Исследования на кроликах in vivo показали, что простая модификация поверхности стальной фиксиру­ющей пластины, создание шероховатости, индуцирует большее образование кости в направлении поверхности имплантата без формирования фиброзной ткани между ними. Эти результаты подтверждают гипоте­зу о том, что на поверхности имплантатов, имеющих вы­ступающие неровности, костная интеграция увеличива­ется.

Подвижность между мягкими тканями и поверхностью имплантированной пластины может вызывать форми­рование фиброзной капсулы, окружающей заполненное жидкостью пространство на поверхности раздела. Данное про­странство не васкуляризовано, что предрасполагает к развитию инфекции из-за отсутствия мобильных меха­низмов клеточной защиты.

Согласно клиническим наблюдениям форми­рование фиброзной капсулы более выражено при использовании стандартных пластин из нержавею­щей стали, чем из Ti.

6) Совместимость с магнитно-резонансной томографией (МРТ)

Одобренные АО имплантаты из cpTi являются полностью амагнитными, и выполнение магнитно-резонансной томографии (МРТ) у пациентов с та­кими имплантатами не представляет никаких сложностей [8]. Эти имплантаты вызывают меньше артефактов по срав­нению с имплантатами из нержавеющей стали, в том числе тали с низким содержанием никеля. Одобренные АО им­плантаты из нержавеющей стали марки 316L классифициру­ются как парамагнитные или неферромагнитные. У пациен­тов с такими имплантатами выполнение МРТ безопасно [8].

Термином «MPT-безопасный» обозначают обору­дование, которое может быть использовано внутри или около МР-сканнера без риска для пациентов, но с возможным влиянием на качество изображения.

Термином «МРТ-совместимый» обозначают обору­дование, которое и безопасно, и не влияет на диа­гностическую информацию. Внешние фиксирую­щие устройства могут содержать магнитные детали и противопоказаны для МРТ.