Наноструктурированные титановые материалы для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии

5. Галкин, Р. А. Использование микрохирургической прецизионной техники наложения гастродуоде-ноанастомоза при резекции желудка по Бильрот-1 / Р. А. Галкин, И. В. Макаров // Вестник хирургии им. И. И. Грекова. - 1998. - Т. 157. - № 4. - С. 92-96.

6. Дамбаевав, Е. Г. Способ формирования анти-рефлюксных анастомозов в хирургии верхних отделов желудочно-кишечного тракта / Е. Г. Дамбаевав, Е. А. Авдошина // Материалы форума «Пироговская хирургическая неделя». - С.-Петербург, 2010. - С. 176.

7. Каган, И. И. Микрохирургическая техника и деминерализованная кость в восстановительной хирургии полых органов и кровеносных сосудов / И. И. Каган. - СПб.: Эскулап, 1996. - 122 с.

8. Кирпатовский, И. Д. Основы микрохирургической техники / И. Д. Кирпатовский, Э. Д. Смирнова. - М.: Медицина, 1978. - 135 с.

9. Кузнецов, И. С. Способ наложения жомно-го анастомоза / И. С. Кузнецов [и др.] // Хирургия. -

1999. - № 6. - С. 35-38.

10. Жерлов, Г. К. Способ арефлюксного гастро-дуоденоанастомоза в хирургии язвенной болезни луковицы двенадцатиперстной кишки / Г. К. Жерлов, С. В. Козлов, А. И. Баранов // Вестник хирургии им. И. И. Грекова. - Т. 156. - С. 20-26.

11. Жерлов, Г. К. Пилорусмоделирующие и пи-лоруссохряняющие резекции желудка / Г. К. Жерлов, А. И. Баранов, Н. В. Гибадуллин. - Москва, 2000. - С. 143.

12. Майстренко, Н. А. Клиническая оценка некоторых способов резекции желудка / Н. А. Майстренко, П. В. Еременко // Язвенная болезнь желудка. Тезисы научно-практической конференции. - Краснодар, 1996. - С. 90-92.

13. Михайлов, А. Л. Лечение больных с постга-строрезекционными синдромами / А. Л. Михайлов, А. М. Данилов, В. П. Акимов [и др.] // Вестник хирургии им. И. И. Грекова. - 1999. - Т. 158. - № 4. -С. 56-59.

УДК 616.311+616.716.4-001.5]-089.22

А. А. МАТЧИН1, Г. В. КЛЕВЦОВ2, Р. З. ВАЛИЕВ3, И. П. СЕМЕНОВА3, Н. А. КЛЕВЦОВА2, М. Р. КАШАПОВ2, Н. А. КЛАССЕН1, И. А. МИХАЙЛОВА1

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ТИТАНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИИ И ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ХИРУРГИИ

1ГБОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия», Оренбург

2 Оренбургский государственный университет

3 Институт физики перспективных материалов УГАТУ, Уфа

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

А. А. MATCHIN1, G. V. KLEVTSOV2, R. Z. VALIEV3, I. P. SEMYONOVA3, N. A. KLEVTSOVA2, M. R. KASHAPOV2, N. A. KLASSEN1, I. A. MIKHAYLOVA1

THE NANOSTRUCTURED TITANIC MATERIALS FOR STOMATOLOGY AND MAXILLOFACIAL SURGERY

1SBEIHPE «The Orenburg State Medical Academy», Orenburg

2 Orenburg State University

3 Institute of Physics of advanced materials UGATU, Ufa

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СТОМАТОЛОГИЯ, ТИТАН И ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ,

Матчин Александр Артемьевич - д. м. н., профессор, зав. кафедрой стоматологии и челюстно-лицевой хирургии; almatchin@bk.ru; Клевцов Геннадий Всеволодович - д. т. н., проф. кафедры радиофизики и электроники; klevtsov11948@mail.ru; Валиев Руслан Зуфарович - д. ф.-м. н., профессор, директор института; RZValiev@mail.rb.ru;

Семенова Ирина Петровна - д. ф.-м. н., с. н. с. института; RZValiev@mail.rb.ru;

Клевцова Наталья Артуровна - к. т. н., доц. каф. радиофизики и электроники; klevtsov11948@mail.ru;

Кашапов Марат Ринатович - аспирант; klevtsov11948@mail.ru; Классен Наталья Александровна - асс. каф. кафедры стоматологии и челюстно-лицевой хирургии ; almatchin@bk.ru; Михайлова Ираида Александровна - асс. кафедры стоматологии и челюстно-лицевой хирургии; iraida-mic@mail.ru

МЕДИЦИНСКИЕ ИЗДЕЛИЯ, ПРОЧНОСТЬ, УДАРНОЕ И УСТАЛОСТНОЕ НАГРУЖЕНИЕ, РАВНОКАНАЛЬНОЕ УГЛОВОЕ ПРЕССОВАНИЕ, НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

РЕЗЮМЕ

Целью настоящей работы является исследование комплекса механических свойств наноструктуриро-ванных титана Grade 4 и титанового сплава BT6 и разработка изделий для стоматологии и челюстно-лицевой области из наноструктурированных титановых материалов. Средний размер зерна титана Grade 4 после равноканального углового прессования (РКУП) составлял примерно 300 нм; сплава ВТ6 - 300 и 900 нм. Показано, что РКУП за счет формирования

субмикрокристаллической структуры повышает твердость, прочность и предел усталости титана Grade 4 и титанового сплава ВТ6 в среднем в 1,3-1,7 раза по сравнению с исходным состоянием. На примере дентальных имплантатов и мини-пластинок для закрепления отломков кости показано, что использование наноструктурированного титана для изготовления медицинских изделий для стоматологии и челюстно-лицевой области позволяет уменьшить их размеры и вес без снижения прочности изделий.

KEY WORDS: DENTISTRY, TITANIUM AND TITANIUM ALLOY, MEDICAL PRODUCTS, STRENGTH, FRACTURE MECHANISM, IMPACT AND FATIGUE LOADING, EQUAL CHANNEL ANGULAR PRESSING, NANOSTRUCTURED MATERIALS.

SUMMARY

The purpose of the study was to investigate mechanical properties of nanostructured Titanium Grade 4 and Titanium alloy VT6 and to develop new dentistry products made of nanostructured titanium materials.

The average grain size after equal channel angular extrusion (ECAE) for Ti-Grade 4 was approximately 300 nm and for Ti-alloy VT6 - 300 and 900 nm. It was shown that submicrocrystalline structure created by ECAE processing improved Ti and Ti-alloys mechanical characteristics. Hardness, strength and fatigue limit compared to the initial state of the samples became on average 1,3-1,7 times higher.

Dental implants and bone-fracture fixation plates were considered as an example of nanostructured titanium utilization for manufacturing of dentistry products. It was demonstrated that dimensions and weight of the medical items can be reduced with no loss of their strength.

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции развития «щадящих» операционных технологий в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии основаны на миниатюризации инструментов и других медицинских изделий. Это, в свою очередь, требует разработки нового класса конструкционных и функциональных материалов, отличающихся высокой твердостью и прочностью. Этим требованиям в полной мере отвечает новый класс современных материалов - объемные наноструктурированные металлические материалы, получаемые методом интенсивной пластической деформации (ИПД), в частности равноканальным угловым прессованием (РКУП) и РКУП-конформ [1]. В этом плане особый интерес представляют на-ноструктурированные титан и титановые сплавы, отличающиеся высокой коррозионной стойкостью и биосовместимостью [2, 4]. Высокий уровень механических свойств наноструктурированных титановых

материалов при статическом нагружении обеспечивается за счет формирования субмикрокристаллической структуры с размером зерна 100-300 нм. Однако многие медицинские изделия в процессе эксплуатации испытывают динамические нагрузки (ударные, циклические).

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы являются исследование комплекса механических свойств наноструктурированных титана и титанового сплава и разработка изделий для использования в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии из наноструктурированных титановых материалов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ

В качестве исследуемого материала использовали титан марки Grade 4 и титановый сплав ВТ6 (6,6% Al; 4,9% V).

Титан Grade 4 (производства компании Dynamet, сертификат 041425) в исходном состоянии (до на-ноструктурирования) находился в виде прутка диаметром 12 мм. Средний размер зерна составлял 40 мкм. Перед РКУП-конформ [1] титан подвергали отжигу при температуре 6800 С в течение 1 часа. Сечение оснастки РКУП-конформ и соответственно заготовки на выходе составляло 11х11 мм. Титан подвергали РКУП-конформ, 6 проходов при температуре 2500 С. Средний размер зерна титана Grade 4 после РКУП-конформ составлял 300 нм.

Титановый сплав ВТ6 испытывали в исходном состоянии (горячекатаное состояние) ^ср=15 мкм), после РКУП + экструзия ^ср=300 нм) и после РКУП + экструзия + изотермическая штамповка (ИЗШ) при температуре 750о С. Заготовку из сплава ВТ6 диаметром 20 мм и длиной 135 мм предварительно получали по ранее разработанной технологии (РКУП) на оснастке с углом пересечения каналов )=120о при температуре 700о С и последующей экструзии при 300о С [2]. Изотермическую штамповку проводили при температуре 750о С. Средний размер зерна после РКУП + экструзия + ИЗШ составлял 900 нм.

Твердость материалов до и после РКУП определяли по методу Роквелла (HRC) (ГОСТ 9013-59). Определение стандартных характеристик материалов (ав - предел прочности, а0,2 - предел текучести, б - относительное удлинение) при статическом растяжении проводили на круглых образцах диаметром 3 мм и длиной рабочей части 15 мм (ГОСТ 1497-84). Определение ударной вязкости (KCV) титана и титанового сплава проводили на образцах с V-образным концентратором напряжения. Испытания проводили на копре МК-30. Для усталостных испытаний использовали цилиндрические образцы с рабочим диаметром 3 мм. Испытания проводили на изгиб с вращением с частотой нагружения 50 Гц.

Рис. 1. Зубные имплантаты из наноструктурного титана. Верхний имплантат выполнен из наноструктурированного титана 0 2,4 мм, нижний - из обычного титана 0 3,5 мм.

Рис. 2. Мини-пластины для остео-синтеза челюстных костей, изготовленные из обычного (а) и наноструктурированного (б) титана.

Рис. 3. Распределение полей напряжения в пластинке из обычного (а) и наноструктурированного (б) титана.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Механические свойства исследуемых материалов при статическом нагружении представлены в таблице 1.

Таблица 1

Механические свойства титана и титанового

Из приведенной таблицы видно, что после РКУП-конформ твердость и прочность титана Grade 4 возрастает в среднем в 1,3-1,5 раза по сравнению с исходным состоянием. При этом пластичность снижается в 2,3 раза. Твердость и прочность титанового спла-

ва ВТ6 после РКУП + экструзия также возрастает в 1,3-1,6 раза, а пластичность снижается незначительно (табл. 1). После РКУП + экструзия + ИЗШ твердость и прочность сплава ВТ6 несколько снижаются.

Рассмотрим свойства исследуемых материалов при динамическом (ударном и циклическом) нагружении. В таблице 2 представлены значения ударной вязкости и предела усталости титана Grade 4 и титанового сплава ВТ6 в исходном состоянии и после различных видов обработки.

Из приведенной таблицы видно, что ударная вязкость (KCV) титана Grade 4 после РКУП-конформ, несмотря на значительное повышение прочности (табл. 1), практически в 2 раза ниже ударной вязкости в исходном состоянии. В то же время предел усталости (а-1) титана после РКУП-конформ в 1,7 раза выше, чем в исходном состоянии (табл. 2). Ударная вязкость титанового сплава ВТ6 после РКУП + экструзия также снижается по сравнению с исходным состоянием примерно в 2,5 раза (табл. 2).

Последующими технологическими операциями (РКУП + экструзия + ИЗШ) удается повысить

сплава при статических испытаниях

Материал Вид обработки HRC °в> МПа <V МПа S, %

Титан Grade 4 Исходное состояние 25 700 550 30

РКУП-конформ 32 1020 880 13

Титановый сплав ВТ6 Исходное состояние 34 950 830 15

РКУП + экструзия 44 1450 1380 12

РКУП + экструзия + ИЗШ 36 1270 1150 13

ударную вязкость практически до исходного уровня. Предел усталости титанового сплава ВТ6 после РКУП + экструзия в 1,2 раза выше, чем в исходном состоянии (табл. 2).

Таблица 2

Ударная вязкость и предел усталости титана и титанового сплава

Материал Вид обработки KCV, МДж/м2 а_1, МПа

Титан Grade 4 Исходное состояние 0,29 350

После РКУП-конформ 0,12 590

Титановый сплав ВТ6 Исходное состояние 0,38 600

РКУП + экструзия 0,15 740

РКУП + экструзия + ИЗШ 0,32 -

Таким образом, твердость, прочность и предел усталости титановых наноструктурированных материалов выше в среднем в 1,3-1,7 раза по сравнению с исходным состоянием. Некоторое снижение ударной вязкости данного класса материалов может быть устранено путем совершенствования технологических процессов получения и последующей обработки. Это позволяет использовать нанострукту-рированные титан и титановые сплавы в качестве конструкционных материалов, отличающихся малыми размерами и весом, для изготовления медицинских изделий, применяемых в клинических целях в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Произведен расчет медицинского изделия с учетом изменившегося предела прочности материала и сохранением первоначальной прочности изделий. На рисунке 1 представлены дентальные импланта-ты; на рисунке 2 - мини-пластины для скрепления отломков челюстных костей при переломах.

В таблице 3 приведены размеры мини-пластинок для закрепления отломков при переломах костей лицевого скелета. Пластинки изготовлены из обычного и наноструктурированного титана, полученного методом РКУП-конформ. Чтобы площадь соприкосновения пластинки из наноструктуриро-ванного титана с тканями не изменилась, ширина пластинки в средней части осталась прежней. Однако другие размеры пластинки уменьшены.

Для изучения распределения полей напряжения в пластинке и выявления потенциально опасных участков в изделии было проведено моделирование деформации пластинок в вычислительном комплексе А№У8. При моделировании применялась схема приложения нагрузки, при которой в соседние отверстия изделия вставлялись болты. Один болт был неподвижно закреплен. К другому болту была приложена нагрузка. Распределение напряжений в медицинских изделиях из титана в исходном состоянии и после РКУП показано на рисунке 3.

Таблица 3

Размеры мини-пластинки из титана Grade 4 для закрепления отломков кости

Изменяемые параметры Исходное состояние После РКУП-конформ

Толщина, мм 0,8 0,6

Диаметр отверстия, мм 2,05 1,55

Диаметр в широкой части, мм 4,74 3,94

Таким образом, уменьшение размеров мини-пластинки из наноструктурированного титана существенным образом не изменяет полей напряжения и не создает опасных концентраций напряжений, способных привести к снижению прочности изделия.

ВЫВОДЫ

1. РКУП, за счет формирования субмикрокристаллической структуры, повышает твердость, прочность и предел усталости титана Grade 4 и титанового сплава ВТ6 в среднем в 1,3-1,7 раза по сравнению с исходным состоянием, однако снижает ударную вязкость.

2. На примере титанового сплава ВТ6 показана принципиальная возможность повышения ударной вязкости сплава путем оптимизации технологических процессов получения наноструктурированно-го состояния.

3. Использование наноструктурированного титана для изготовления медицинских изделий для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии позволяет уменьшить их размеры и вес без снижения прочности изделий.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Валиев, Р. З. Объемные наноструктур-ные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р. З. Валиев, И. В. Александров.-М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.

2. Валиев, Р. З. Наноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработка и перспективы коммерциализации / Р. З. Валиев, И. П. Семенова, В. В. Латыш, А. В. Щербаков, Е. Б. Якушина // Российские нанотехнологии. - 2008. -Т. 3. - № 9-10. - С. 80-89.

3. Клевцов, Г. В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций / Г. В. Клевцов, Л. Р. Ботвина, Н. А. Клевцова, Л. В. Лимарь. - М.: МИСиС, 2007. - 264 с.

4. Топоркова, А. К. Влияние наноструктурированных многофункциональных биосовместимых нерезорбируемых покрытий интраоссальных имплантатов на процесс их интеграции в кость (экспериментально-морфологическое исследование): автореф. дис. ... канд. мед. наук. - М., 2009. - 26 с.