Титан, сплавы титана и их применение в стоматологии

60. Moore P.M. Diagnosis and management of isolated angiitis of the central nervous system // Neurology. — 1989. — Vol. 39. — P. 167-173.

61. Mondelli M., Romano C., Della Porta P., Rossi A. Electrophysiological evidence of «nerve entrapment syndromes» and subclinical peripheral neuropathy in progressive systemic sclerosis (scleroderma) // J. Neurol. — 1995. — Vol. 242. — P. 185194.

62. Nived O., Sturfelt G., Liang M. H., De Pablo P. The ACR nomenclature for CNS lupus revisited // Lupus. — 2003. — Vol.

12. — P 872-876.

63. Purandare K.N., Wagle A.C., Parker S.R. Psychiatric morbidity in patients with systemic lupus erythematosus // Q. J. Med. — 1999. — Vol. 92. — P. 283-286.

64. Senelick R. C. Texas Med. — 1977. — Vol. 73. — P. 44-52.

65. Swaak A.J., Brink H.G., Smeenk R.T., et al. Systemic lupus erythematosus: clinical features in patients with disease duration of over 10 years, first evaluation // Ibid. — 1999. — Vol. 38. — P 953-958.

66. Значение индекса повреждения. Swaak A. J., Nossent J. C., Bronsveld W et al. Systemic lupus erythematosus: I. Outcome and survival: Dutch experience with 110 patiants studied prospectively // Ann. Dis. — 1989. — Vol. 48. — P 447-454.

67. Symmons D.P.M., Brennan P., Clavlic A.G., et al. Symposium: Mortality in rheumatic diseases // Rheumatol. in Europe. — 1996. — Vol. 25. — P 2-4.

68. Urowitz M.B., Gladman D.D. How to improve morbility and mortality in systemic lupus erythematosus // Rheumatology. — 2000. — Vol. 39. — P. 228-244.

69. Whitelaw D.A., Spangenberg J.J., Rickman R., et al. Association between the antiphospholipid antibody syndrome and neuropsychological impairment in SLE // Lupus. — 1999. — Vol.

8. — P. 444-448.

70. Winfield J. B., Brunner C. M., Koffler D. Ibid. — 1978. — Vol. — 21. — P. 289-294.

71. Zhang X. A study of effects of estrogen receptor and contrasupressor T cell subtype in pathogenesis of SLE. // Rev. Esp. Rheum. — 1993. — Vol. 20. — P 420.

Адрес для переписки: 664046, Иркутск, ул. Байкальская, 118,

МУЗ «Клиническая больница №1 г. Иркутска»,

Файзулина Дина Леонидовна врач невролог, аспирант кафедры;

Шпрах Владимир Викторович — д.м.н., професор, зав. кафедры.

Тел.: (3952) 22-88-74.

© ТРОФИМОВ В.В., ФЕДЧИШИН О.В., КЛИМЕНОВ В.А. — 2009

ТИТАН, СПЛАВЫ ТИТАНА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СТОМАТОЛОГИИ

В.В. Трофимов1, О.В. Федчишин1, В.А. Клименов2 ^Иркутский государственный институт усовершенствования врачей, ректор — д.м.н., проф. В.В. Шпрах, кафедра ортопедической стоматологии, зав. — д.м.н., проф. В.В. Трофимов;

2Томский политехнический университет, ректор — д.т.н., проф. П.С. Чубик, Научно-исследовательский институт интроскопии, директор — д.т.н. В.А. Клименов)

Резюме. В статье приводятся литературные данные о физико-механических, химических и биологических свойствах титана. Рассматриваются перспективы применения различных соединений титана в стоматологии. Ключевые слова: титан, сплав титана, имплантат.

THE TITAN, ALLOYS OF THE TITAN AND THEIR APPLICATION IN STOMATOLOGY

O.V. Fedchishin1, V.V. Trofimov1, V.A. Klimenov2

Summary. In the article are presented the literary data about physicomechanical, chemical and biological properties of the titan. Prospects of application of various compounds of the titan in stomatology are considered.

Key words: the titan, an alloy of the titan, implant.

Титан был открыт в 1794 году и относится к группе физиологически индифферентных металлов (А1, и Zr, №>, Ta). Металлы этой группы являются наиболее приемлемыми материалами для изготовления имплантатов с позиции биосовместимости[28], они, как правило, даже при высоком содержании в пище, воде и окружающей среде длительное время могут не вызывать негативных явлений в тканях и органах. Однако мировые запасы Та, Zr, №> во много раз уступают Т и, следовательно, себестоимость изделий из них чрезвычайно высока. Природные ресурсы титана в несколько раз превышают природные ресурсы меди, никеля, олова, свинца, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, ртути, висмута, золота и платины вместе взятых. Среди конструкционных материалов титан по наличию природных ресурсов занимает четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. А среди элементов земной коры он занимает девятое место [19,21,27]. В свободном виде титан в природе не встречается, а обычно находится в форме устойчивых оксидных соединений. Основные титановые минералы — рутил, анатаз, брукит, которые содержат титан в форме диоксида титана, а также ильменит ^еТЮЗ), перовскит (СаТЮЗ), лопарит ((№,С1,Са)(№>,ТуОз,), сфен (титанит) (СаТДБЮ4)О) [19,21,27].

Титан не является необходимым элементом для жизни человека или животных и плохо поглощается расте-

ниями. Нет никаких данных о том, что титан является канцерогенным или мутагенным веществом для человека. Различные соединения титана широко используются в косметике, лекарствах, медицине и продуктах питания без каких-либо известных неблагоприятных влияний [19,25,26].

Перспективность титана и его сплавов для изготовления имплантатов объясняется физико-механическими, химическими и биологическими свойствами. Эти свойства соответствуют требованиям к внутрикостным имплантатам, работающим в сложных условиях циклического нагружения, в контакте с мягкими тканями и ферментами полости рта [1,3,18,19,20].

Титан — отличается легкостью, устойчивостью к коррозии, хорошо поддается обработке, не теряя высокую прочность. По отношению к другим металлам, используемым в качестве имплантатов, титан имеет ряд преимуществ, таких как, высокая биосовместимость; биоинертность; хорошая коррозионная стойкость, благодаря образованию на поверхности пассивирующего оксидного слоя; немагнитность; низкая теплопроводность; малый коэффициент линейного расширения; практически отсутствие токсичности; относительно меньший по сравнению со сталью удельный вес. Титан отличает также постоянство физико-химических свойств в широком интервале температур. В сравнении

- \ : V і у / / * У, ' . V% , 2

а 'А ^ б */< Р*\ •м Д • т^/ / ЩА V' ' ^ '/(Г

Рис. 1. Микроструктура титана а) йодидного, полиэдрическая; б) технического, корзиночная, 280.

с железом, по таким важным для протезирования показателям, как теплопроводность и коэффициент линейного теплового расширения, титан превосходит последнее, соответственно — 0,045 и 0,18 кал/см-с-град и 8,5-10-6 и 12,3-10-6 кал/см-с-град [19]. Для титана марок ВТ1-0 и ВТ1-00 предел прочности 30-55 кг/мм2, относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 100-150 кг/мм2. Удельная прочность титановых сплавов в 3-4 раза выше, чем у чистого титана, и в 1,5-2 раза выше по сравнению с легированной сталью. Для применения в стоматологии наибольший интерес представляют сплавы титана с алюминием. Их отличают малый удельный вес, хорошая свариваемость и отличные литейные качества, а также стойкость к растворам пепти-на и галловой кислоты.

Сплавы титана обладают более высокими физикомеханическими свойствами, чем чистый металл. Очень важным фактором является то, что титан марок ВТ1-0, ВТ1-00 и сплавы ОТ4, ОТ4-1, ВТ5-Л практически не склонны к коррозионному растрескиванию под нагрузкой даже при наличии острых концентраторов напряжения. Предел усталости их настолько велик, что может обеспечить надежную работу съемных и несъемных ортопедических конструкций [25].

На поверхности титана в кислородосодержащей атмосфере образуется прочный окисный слой, (преимущественно диоксид титана ТЮ2, ТЮ, Т1203), за несколько минут достигая толщины от 2 до 10 нм [2]. Он обеспечивает коррозионную (химическую) стойкость титана. Одной из важных проблем является механизм формирования оксидного слоя в процессе функционирования зубочелюстной системы. Некоторые авторы [27] считают, что оксидные пленки Т1 разрушаются при механическом воздействии и вновь формируются в течение 40-50 мин. в растворе слюны. Однако, это очень большое время релаксации, и в этом случае необходимо использовать оксидную пленку, предварительно сформированную по специальной технологии, с высокими прочностными показателями и с малым временем релаксации; либо защищать, т.е. покрывать металлическую поверхность имплантата сплошным керамическим материалом. В результате многих исследований обнаружено, что после установки имплантата окисный слой покрывается плазменными белками (фибронекти-ном и витронектином). Вокруг имплантата происходит заметное выделение ионов титана (и алюминия — в случае использования титанового сплава) в окружающие ткани, создается адаптированный промежуточный слой между имплантатом и организмом. Химически активная природа этого слоя приводит к спонтанному образованию кальций-фосфатного апатита, что обуславливает хорошую биологическую совместимость титана. Положительным качеством титана является возможность наносить на него методом плазменного напыления покрытия регулируемой толщины и пористости из любого материала [5,7,8-15].

Титан — полиморфный металл. Известны две кристаллические модификации титана [23]. Из расплава титан кристаллизуется в модификацию с объемно-центрированной (о.ц.к.) решеткой и в процессе охлаждения превращается в другую модификацию с гексагональной плотноупакованной (г.п.у.) решеткой.

Критическая температура аллотропического превращения равна 882°С. В зависимости от степени чистоты титана, а также от использования тех или иных термических и физических методов, она колеблется от 880 до 885°С. При этом, одни легирующие элементы (АІ, О, N С и др.) повышают эту температуру, другие ^е, Мп, Сг, N1 и др.) понижают ее. Высокотемпературную модификацию титана с о.ц.к.-решеткой называют в-, а низкотемпературную модификацию а-структурой [23].

После охлаждения на воздухе у технически чистого титана наблюдается так называемая корзиночная микроструктура, характерная для продуктов неравновесного распада в-структуры. Полиэдрическая структура этогометалла, с а-структурой достигается при особых условиях деформации титана в области, близкой к критической температуре (а0в) — превращения, и последующего медленного охлаждения в печи. Корзиночная микроструктура с мартенситообразными иглами получается на технически чистом титане после нагрева (в вакууме или в атмосфере нейтрального газа) до 1200 °С и охлаждения на воздухе.

На рис. 1. приводятся эти две характерные микроструктуры — полиэдрическая для чистого йодидного титана (рис. 1, а) и корзиночная для технически чистого титана (рис. 1, б) [23].

Параметры решетки а-титана определяли многие авторы и на титане разной степени чистоты. В результате критического анализа литературных данных авторы [23] приводят средние значения параметров а-Ті: а = 2,9503 ± 0,0004 А; с = 4,6831 ± 0,0004 А при с/а = 1,5873 ± 0,0004, при этом значения параметров могут заметно изменяться в зависимости от содержания примесей.

Технически чистый титан, применяемый в медицинских целях, изготавливается промышленностью в виде двух марок ВТ1-00 и ВТ1-0, отличающихся содержанием примесей, состав которых представлен в таблице 1. [6,24,28].

Таблица 1

Химический состав титана технических марок

Марка титана Содержание примесей не более, %

Ре БІ С О N Н АІ Прочих примесей

ВТ 1-00 0,20 0,08 0,06 0,10 0,04 0,008 0,30 0,10

ВТ 1-0 0,30 0,10 0,07 0,20 0,04 0,010 0,7 0,30

Титан в живом организме под действием механической деформации, ионов хлора и коррозии частично био-деградирует и диффундирует в окружающей ткани. Но токсических эффектов или аллергизации при этом, в отличие от циркониевых и железохромовых сплавов, даже при достаточно высоком уровне содержания металла в тканях, как правило, не происходит [23]. Механические характеристики титана различного состава приведены в таблицах 2 и 3 [3,16,17,22,23,24,28,29].

Таблица 2

Основные механические характеристики титановых сплавов

Марка титана о 0,2 кГ/мм2 о в кГ/мм2 б, % Твердость по Бринелю, НВ

ВТ1-0 50 57 34 225

ВТ1-1 42 56 30 248

ВТ6с 100 107 12 -

Практическое использование титана для изготовления имплантатов и хирургических инструментов было предметом рассмотрения на многочисленных конференциях, симпозиумах и конгрессах, по материалам которых можно сделать вывод о том, что в настоящее

Таблица 3

Механические свойства некоторых титановых сплавов [28]

Титан, сплав, компоненты, % Е, ГПа Модуль Юнга, МПа Относительное удлинение, б, % Уменьшение площади при растяжении, %

a —Ti 105 240-617 12-27 -

а — p-Ti6Al-4V 88-116 990-1184 2-30 2-14

Ti-5Al-2.5Fe 110 943-1050 13-16 33-42

Ti-6Al-7Nb 108 900-1100 11-14 -

P-Ti-13Nb-13Zr 79 550-1035 8-15 15-30

Ti-11.5Mo-6Zr-2Fe 74-85 1060-1100 18-22 64-73

Ti-15Mo-5Zr-3Al 15-113 882-1312 11-20 43-83

Ti-15Mo-3Nb 79 1035 15 60

время широко применяются в стоматологических и ортопедических целях а-титан и недавно предложенный сплав Т1-6Л1-4У (а, в).

Ряд титановых сплавов, которые сегодня используются или рассматриваются в качестве потенциальных

имплантируемых материалов, приведен в таблице 3 вместе с их механическими свойствами, которые изменяются в зависимости от термообработки и других параметров производственного процесса.

Данные, приведенные в таблицах, позволяют сделать вывод о том, что титановые сплавы с легирующими добавками могли бы быть предпочтительными для использования в качестве материалов для имплантатов. Однако нерешенная проблема токсичного воздействия на организм большинства упрочняющих элементов заставляет нас рассматривать только возможность использования технически чистого титанового сплава для медицинского назначения. В связи с этим основной задачей при их использовании становится решение вопросов, связанных с улучшением механических свойств, что позволило бы расширить возможности их применения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бекренев Н.В., Калганова С.Г., Верещагина Л. А., Обыденная С.А., Лясников В.Н. Применение имплантатов в стоматологии // Новое в стоматологии. — 1995. — №2. — С. 19-22.

2. Воронков М.Г., Зелчан Г.И., Лукевиц З.Я. Кремний и жизнь. — Рига: Зинатне, 1978. — 588 с.

3. Гольдфайн В.И., Зуев А.М., Клабуков А.Г. О влиянии водорода и кислорода на трение и износ титановых спла-вов//Проблемы трения и изнашивания. — Киев: Техника. — 1975. — Вып. 8. — С. 49-52.

4. Жусев А.И., Малинин М.В., Сидельников А.И., Ушаков А.И. Использование компьютерной техники для определения влияния дентальной имплантации на микроциркуляцию слизистой оболочки в области операционного поля // Новое в стоматологии. — 1997. — №6 (спец. выпуск). — С. 45-48.

5. Калганова С.Г., Лясников В.Н. Научные основы создания современных дентальных имплантатов с биоактивным покрытием // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 24-28.

6. Каптюг И. С., Сыщиков И. С. Влияние легирования на фрикционные свойства титана//МиТом. — 1959. — № 4. — С. 8-11.

7. Клименов В.А., Карлов А.В., Верещагин В.И. Патент №1743024, Россия, Биоактивное покрытие на имплантат. Приоритет от 27.02.1990.

8. Клименов В.А., Карлов А.В., Иванов Ю. Ф. и др. Изменение структуры и фазового состава апатитовых покрытий при плазменном напылении. // Перспективные материалы. — 1996. — №5. — С. 402-408.

9. Лясников В.Н., Бутовский К. Г., Бейдик О. В., Островский И.В. Биокомпозиционные плаэмонапыленные покрытия имплантатов и остефиксаторов // Биокомпозиционные покрытия, материалы в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии: Тез. докл. 1-й Всерос. научн. конф. — М., 1997. — С. 9.

10. Лясников В.Н., Верещагина Л.А. Биологически активные плазменнонапыленные покрытия для имплантатов // Перспективные материалы. — 1996. — №6. — C. 50-55.

11. Лясников В.Н., Верещагина Л.А., Лепилин А.В., Корчагин А.В. и др. Внутрикостные стоматологические имплантаты. — Саратов: Изд-во СГУ, 1997.

12. Лясников В.Н., Князьков А. А., Бекренев Н.В. Комплексный подход к разработке и применению дентальных имплантатов // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 62-65.

13. Лясников В.Н., Корчагин А.В. Принципы создания дентальных имплантатов // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 50-54.

14. Лясников В.Н., Корчагин А.В., Таушев А.А. Влияние технологии плазменного напыления на структурные характеристики напыленных биопокрытий внутрикостных имплантатов // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 55-61.

15. Лясников В.Н., Олесова В.Н., Лепилин А.В., Фомин И.В. Научные основы создания внутрикостных стоматологиче-

ских имплантатов // Материалы научно-практической конференции стоматологов, посвященной 50-летию Федерального управления медико-биологических и экстремальных проблем при МЗ РФ. — М., 1997. — С. 37-38.

16. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Карманный справочник/ А.В. Третьяков, Г.К. Трофимов, М.К. Гурьянова. — М.: Машиностроение, 1971.

17. Миллер П.Д., Холлидэй И.В. Трение и износ титана. Машиностроение за рубежом//Сб. пер. и обзоров иностр. лит. — 1959. — № 6. — С. 10-20.

18. Миргазизов А.М., Олесова В.Н. Сравнительное экспериментальное исследование взаимодействия костной ткани с внутрикостными имплантатами из различных материалов. // Новые концепции в технологии, производстве и применении стоматологических имплантатов: Тез. докл. 3-й Международной конференции. — Саратов, 1996. — С. 8.

19. Михайлова А.М., Лясников В.Н. Дентальные имплантаты и суперионный эффект // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 13-23.

20. Раух Р.У. Титан — материал для имплантатов // Квинтессенция. — 1995. — №5/6. — С. 36-38.

21. Сплавы титана и перспективы их применения в стоматологии: Инф. письмо Перм. мед. ин-та. — Пермь, 1986.

22. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение. — 1974. — 256 с.

23. Титан. Источники составы, свойства металлохимия и применение. И.И. Корнилов. — М.: Наука, 1975. — 310 с.

24. Титановые сплавы в машиностроении/ Б.Б. Чучалин, С.С. Ушаков, И.Н. Разуваева, В.Н. Гольдфайн. — Л.: Машиностроение, 1977.

25. Фефелов А.В. Клинико-экспериментальное обоснование применения имплантатов из пористого никелида титана для зубного протезирования: Автореф. дис. ...канд.мед. наук. — Омск, 1995. — 18 с.

26. Фомин И.В., Лясников В.Н., Воложин А.И., Доктор А.А., Лепшин А.В. Повышение остеоинтегративных свойств титановых имплантатов с плазменным гидроксиапатитным покрытием // Современные проблемы имплантологии: Тезисы докл. 4-й Межд.конф. — Саратов, 1998. — С. 16-17.

27. Abrahamsson I., Berglundh Т., Lindhe J. The mucosal barrier following abutment dis/reconnection. An experimental study in dogs. // Clin Periodontol. — 1997. — Vol. 24(8). — Р

28. Andersson O.H., Lui G., Kangasniemi K. and Juhanoja J. Evaluation of the Acceptance of Glass in Bone//J. Mater. Sci.: Materials in Medicine. — 1992. — Vol. 3. — Р 145-150.

29. Rabinowitz E. Frictional Properties of Titanium and Its Alloys//Met. Progress. — 1954. — V. 65. — N2. — Р 19-23.

Адрес для переписки: 665830, г. Ангарск, ул. К.Маркса, 29, кафедра ортопедической стоматологии ИГИУВ,

Федчишин Олег Вадимович, доцент кафедры ортопедической стоматологии, раб.тел. (3955) 526050; e-mail: volff@mail.ru