Сплавы для медицинских применений на основе β-титана

Титановые сплавы используют в медицинских целях уже более 60 лет: при изготовлении искусственных сердечных клапанов, стентов кровеносных сосудов, эндопротезов костей и суставов (плечевых, коленных, тазобедренных, локтевых), для реконструкции ушных раковин, в лицевой хирургии, а также в качестве зубных имплантатов. В материалах первого поколения (таких как технически чистый титан или сплавы типа ВТ6) матрица состояла из фазы α-Ti или смеси α-Ti и β-Ti. К сожалению, имплантаты из материалов первого поколения требуют замены уже через 10–15 лет эксплуатации. Это происходит из-за деградации имплантатов и потери контакта с костью. В последнее время на смену этим материалам пришли β-Ti-сплавы. Материалы второго поколения позволяют исключить вредное влияние ионов алюминия и ванадия, выделяющихся при постепенной коррозии имплантата, а их модуль упругости ближе к значениям для живой кости, чем у α- и α + β-сплавов. К важным направлениям развития β-Ti-сплавов относится повышение их механической прочности, усталостной прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости. Возникают и развиваются новые методы получения и термомеханической обработки титановых сплавов, такие как аддитивные технологии или интенсивная пластическая деформация. Весьма успешно идет замена дорогих компонентов (таких как тантал, цирконий или ниобий) на более дешевые (например, хром и марганец). В результате характеристики титановых имплантатов постепенно все больше приближаются к свойствам человеческой кости, а срок их службы неуклонно возрастает. В связи с этим в настоящей работе проведен сравнительный анализ сплавов на основе β-титана для медицинских применений.

1. Kawahara H. Cytotoxicity of implantable metals and alloys. Bull. Jpn. Inst. Met. Mater. 1992. Vol. 31. P. 1033—1039.

2. Okazaki Y., Ito Y., Ito A., Tateishi T. Effect of alloying elements on mechanical properties of titanium alloys for medical implants. J. Jpn. Inst. Met. Mater. 1993. Vol. 57. P. 332—337.

3. Yamamoto A., Honma R., Sumita M. Cytotoxicity evaluation of 43 metal salts using murine fibroblasts and osteoblastic cells. J. Biomed. Mater. Res. 1998. Vol. 39. P. 331—340.

4. Yamamuro T. Patterns of osteogenesis in relation to various biomaterials. J. Jpn. Soc. Biomater. 1989. Vol. 7. P. 19—23.

5. Steinemann S.G. Corrosion of surgical implants—In vivo and in vitro tests. In: Evaluation of Biomaterials (Eds. Winter G.D., Leray J.L., de Groot K.). N.Y.: John Wiley and Sons, 1980. P. 1—34.

6. Niinomi M. Development of high biocompatible titanium alloys. Func. Mater. 2000. Vol. 20. P. 36—44.

7. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009.

8. Колачев Б.А. Физическое металловедение титана. М.: Металлургия, 1976.

9. Колачев Б.А., Елисеев Ю.С., Братухин А.Г., Талалаев В.Д. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационно-космической техники. М.: МАИ, 2001.

10. Колачев Б.А., Бецофен С.Я., Бунин Л.А., Володин В.А. Физико-механические свойства легких конструкционных сплавов. М.: Металлургия, 1995.

11. Колачев Б.А., Лясоцкая В.С. Корреляция между диаграммами изотермических и анизотермических превращений и фазовыми диаграммами состояния для упрочненных титановых сплавов. Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. No. 4. C. 3—9.

12. Егорова Ю.Б., Ильин А.А., Колачев Б.А., Носов В.К., Мамонов А.М. Влияние структуры на обрабатываемость резанием титановых сплавов Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. No. 4. C. 16—21.

13. Колачев Б.А., Вейцман М.Г., Гуськова Л.Н. Структура и механические свойства отожженных α+β-титановых сплавов Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. No. 8. C. 54—57.

14. Фишгойт А.В., Майстров В.М., Ильин А.А, Розанов М.А. Взамодействие коротких трещин со структурой металлов. Физико-химическая механика материалов.

15. No. 6. C. 24—27.

16. Okazaki Y., Gotoh E. Comparison of metal release from various metallic biomaterials in vitro. Biomaterials. 2005. Vol. 26. P. 11—21.

17. Teoh S.H. Fatigue of biomaterials: A review. Int. J. Fatigue. 2000. Vol. 22. P. 825—837.

18. Niinomi M. Deformation of NiTiCu shape memory single crystals in compression. Met. Mater. Trans. A. 2001. Vol. 32. P. 477—486.

19. Niinomi M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A. 1998. Vol. 243. P. 231—236.

20. Machara K., Doi K., Matsushita T., Susaki Y. Application of vanadium-free titanium alloys to artificial hip joints. Mater. Trans. 2002. Vol. 43. P. 2936—2942.

21. Boehlert C., Niinomi M., Ikedu M. Improvement in fatigue characteristics of newly developed beta type titanium alloy for biomedical applications by thermo-mechanical treatments. Mater. Sci. Eng. C. 2005. Vol. 25. P. 247—252.

22. Kirby R.S., Heard S.R., Miller P., Eardley I., Holmes S., Vale J., Liu B.S. Use of the ASI titanium stent in the management of bladder outflow obstruction due to benign prostatic hyperplasia. J. Urol. 1992. Vol. 148. P. 1195—1197.

23. Nag S., Banerjee R., Fraser H.L. Microstructural evolution and strengthening mechanisms in Ti—Nb—Zr—Ta, Ti—Mo—Zr—Fe and Ti—15Mo biocompatible alloys. Mater. Sci. Eng. C. 2005. Vol. 25. P. 357—362.

24. Wapner K.L. Implications of metallic corrosion in total knee arthroplasty. Clin. Orthop. Relat. Res. 1991. Vol. 271. P. 12—20.

25. Eisenbarth E., Velten D., Müller M., Thull R., Breme J. Biocompatibility of beta-stabilizing elements of titanium alloys. Biomaterials. 2004. Vol. 25. P. 5705—5713.

26. Miller P.D., Holladay J.W. Friction and wear properties of titanium. Wear. 1958/59. Vol. 2. P. 133—140.

27. Liang Jr. P.G., Ferguson Jr. E.S., Hodge E.S. Tissue reaction in rabbit muscle exposed to metallic implants. J. Biomed. Mater. Res. 1967. Vol. 1. P. 135—149.

28. Kuan T.S., Ahrens R.R., Sass S.L. The stress-induced omega phase transformation in Ti—V alloys. Metall. Trans. A. 1975. Vol. 6. P. 1767—1774.

29. Zhao X.F., Niinomi M., Nakai M., Hieda J., Ishimoto T., Nakano T. Optimization of Cr content of metastable β-type Ti—Cr alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomater. 2012. Vol. 8. P. 2392—2400.

30. Zhao X.L., Niinomi M., Nakai M. Relationship between various deformation-induced products and mechanical properties in metastable Ti—30Zr—Mo alloys for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2011. Vol. 4. P. 2009—2016.

31. Kilmametov A., Ivanisenko Yu., Mazilkin A.A., Straumal B.B., Gornakova A.S., Fabrichnaya O.B., Kriegel M.J., Rafaja D., Hahn H. The α→ω and β→ω phase transformations in Ti—Fe alloys under high-pressure torsion. Acta Mater. 2018. Vol. 144. P. 337—351.

32. Straumal B.B., Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu., Gornakova A.S., Mazilkin A.A., Kriegel M.J., Fabrichnaya O.B., Baretzky B., Hahn H. Phase transformations in Ti—Fe alloys induced by high pressure torsion. Adv. Eng. Mater. 2015. Vol. 17. P. 1835—1841.

33. Kriegel M.J., Kilmametov A., Klemm V., Schimpf C., Straumal B.B., Gornakova A.S., Ivanisenko Yu., Fabrichnaya O., Hahn H., Rafaja D. Thermal stability of athermal ω-Ti(Fe) produced upon quenching of β-Ti(Fe). Adv. Eng. Mater. 2019. Vol. 21. No. 1800158.

34. Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu., Straumal B.B., Gornakova A.S., Mazilkin A.A., Hahn H. The α → ω transformation in titanium-cobalt alloys under high-pressure torsion. Metals. 2018. Vol. 8. P. 1—12.

35. Song Y., Xu D.S., Yang R., Li D., Wu W.T., Guo Z.X. Theoretical study of the effects of alloying elements on the strength and modulus of β-type bio-titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 260. P. 269—274.

36. Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical applications. Acta Biomater. 2012. Vol. 8. P. 3888—3903.

37. Sakaguchi N., Niinomi M., Akahori T., Takeda J., Toda H. Relationships between tensile deformation behavior and microstructure in Ti—Nb—Ta—Zr system alloys. Mater. Sci. Eng. C. 2005. Vol. 25. P. 363—369.

38. Hanada S., Ozaki T., Watanabe T.S., Yoshimi K., Abumiya T. Composition dependence of Young’s modulus in beta titanium binary alloys. Mater. Sci. Forum. 2003. Vol. 426—432. P. 3103—3108.

39. Li S.J., Yang R., Li S., Hao Y.L., Cui Y.Y., Niinomi M., Guo Z.X. Wear characteristics of Ti—Nb—Ta—Zr and Ti—6Al—4V alloys for biomedical applications. Wear. 2004. Vol. 257. P. 869—876.

40. Long M., Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement — a materials science perspective. Biomaterials. 1998. Vol. 19. P. 1621—1639.

41. Tang X., Ahmed T., Rack H.J. Phase transformations in Ti—Nb—Ta and Ti—Nb—Ta—Zr alloys. J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35. P. 1805—1811.

42. Niinomi M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A. 1998. Vol. 243. P. 231—236.

43. Wang K., Gustavson L., Dumbleton J. The characterization of Ti—12Mo—6Zr—2Fe. A new biocompatible titanium alloy developed for surgical implants. In: Beta titanium in the 1990s. Warrendale, Pennsylvania. The Mineral, Metals and Materials Society. 1993. P. 2697—2704.

44. Steinemann S.G., Mausli P.A., Szmukler-Moncler S., Semlitsch M., Pohler O., Hintermann H.E. Beta-titanium alloy for surgical implants. In: Beta titanium in the 1990s. Warrendale, Pennsylvania. The Mineral, Metals and Materials Society. 1993. P. 2689—2696.

45. Fanning J.C. TIMETAL21SRx. In: Titanium 95’. Science and Тechnology. 1996. P. 1800—1807.

46. Mishra A.K., Davidson J.A., Kovacs P., Poggie R.A. Ti— 13Nb—13Zr: A new low modulus, high strength, corrosion resistant near-beta alloy for orthopaedic implants. In: Beta titanium in the 1990s. Warrendale, Pennsylvania. The Mineral, Metals and Materials Society. 1993. P. 61—66.

47. Morinaga M, Yukawa N, Maya T, Sone K, Adachi H. Theoretical design of titanium alloys. In: Proc. 6-th World Conf. on Titanium. Société Française de Méetallurgie, 1988. Р. 1601—1606.

48. Kuroda D., Niinomi M., Morinaga M., Kato Y., Yashiro T. Design and mechanical properties of new beta-type titanium alloys for implant materials. Mater. Sci. Eng. A. 1998. Vol. 243. P. 244—249.

49. Song Y., Yang R., Lia D., Hub Z., Guo Z. Calculation of bulk modulus of titanium alloys by first principles electronic structure theory. J. Comput.-Aid. Mater. Des. 1999. Vol. 6. P. 355—362.

50. Zhao X.F., Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Optimization of Cr content of metastable β-type Ti—Cr alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomater. 2012. Vol. 8. P. 2392—2400.

51. Liu H.H., Niinomi M., Nakai M., Hieda J., Cho K. Deformation- induced changeable Young’s modulus with high strength in β-type Ti—Cr—O alloys for spinal fixture. J. Mech. Behav. Biomed. 2014. Vol. 30. P. 205—213.

52. Zhao X.L., Niinomi M., Nakai M., Ishimoto T., Nakano T. Development of high Zr-containing Ti-based alloys with low Young’s modulus for use in removable implants. Mater. Sci. Eng. C. 2011. Vol. 31. P. 1436—1444.

53. Zhao X.L., Niinomi M., Nakai M., Miyamoto G., Furuhara T. Microstructures and mechanical properties of metastable Ti—30Zr—(Cr, Mo) alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomater. 2011. Vol. 7. P. 3230—3236.

54. Kobayashi E., Matsumoto S., Doi H., Yoneyama T., Hamanaka H. Mechanical-properties of the binary titanium- zirconium alloys and their potential for biomedical materials. J. Biomed. Mater. Res. 1995. Vol. 29. P. 943—950.

55. Takahashi M., Kobayashi E., Doi H., Yoneyama T., Hamanaka H. Phase stability and mechanical properties of biomedical β-type titanium-zirconium based alloys containing niobium. J. Jpn. Inst. Metals. 2000. Vol. 64. P. 1120—1126.

56. Yang G.J., Zhang T. Phase transformation and mechanical properties of the Ti50Zr30Nb10Ta10 alloy with low modulus and biocompatible. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 392. P. 291—294.

57. Kobayashi E., Doi H., Yoneyama T., Hamanaka H., Matsumoto S., Kudaka K. Evaluation of mechanical properties of dental-cast Ti—Zr based alloys. J. Dent. Mater. 1995. Vol. 14. P. 321—328.

58. Hieda J., Niinomi M., Nakai M., Kamura H., Tsutsumi H., Hanawa T. Improvement of adhesive strength between Ti—29Nb—13Ta—4.6Zr alloy and segmented polyurethane through H2O2 treatment for biomedical applications. J. Biomed. Mater. Res. B. 2013. Vol. 101B8. P. 776—783.

59. Ikeda M., Ueda M., Kinoshita T., Ogawa M., Niinomi M. Influence of Fe content of Ti—Mn—Fe alloys on phase constitution and heat treatment behavior. Mater. Sci. Forum. 2012. Vol. 706-709. P. 1893—1898.

60. Santos P.F., Niinomi M., Cho K., Liu H., Nakai M., Narushima T., Ueda K., Itoh Y. Effects of Mo addition on the mechanical properties and microstructures of Ti—Mn alloys fabricated by metal injection molding for biomedical applications. Mater. Trans. 2017. Vol. 58. P. 271—279.

61. Ikeda M., Ueda M., Matsunaga R., Niinomi M. Phase constitution and heat treatment behavior of Ti—7 mass. % Mn—Al alloys. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 654-656. P. 855—858.

62. Hatanaka S., Ueda M., Ikeda M., Niinomi M. Isothermal aging behaviour in Ti—10Cr—Al alloys for medical applications. Adv. Mater. Res. 2010. Vol. 89-91. P. 232—237.

63. Ikeda M., Sugano D. The effect of aluminum content on phase constitution and heat treatment behavior of Ti—Cr—Al alloys for healthcare applications. Mater. Sci. Eng. C. 2005. Vol. 25. P. 377—381.

64. Ashida S., Kyogaku H., Hosoda H. Fabrication of Ti—Sn—Cr shape memory alloy by PM and its properties. Mater. Sci. Forum. 2012. Vol. 706-709. P. 1943—1947.

65. Murayama Y., Sasaki S. Mechanical properties of Ti— Cr—Sn—Zr alloys. Bull. Niigata Inst. Tech. 2009. Vol. 14. P. 1—8.

66. Kasano Y., Inamura T., Kanetaka H., Miyazaki S., Hosoda H. Phase constitution and mechanical properties of Ti—(Cr, Mn)—Sn biomedical alloys. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 654-656. P. 2118—2121.

67. Nakai M., Niinomi M., Zhao X.F., Zhao X.L. Self-adjustment of Young’s modulus in biomedical titanium alloy during orthopaedic operation. Mater. Lett. 2011. Vol. 65. P. 688—690.

68. Thomas J., Mogonye J.E., Mantri S.A., Choudhuri D., Banerjee R., Scharf T.W. Additive manufacturing of compositionally graded laser deposited titanium-chromium alloys. Additive Manufacturing. 2020. Vol. 33. No. 101132.

69. Nagase T., Iijima Y., Matsugaki A., Ameyama K., Nakano T. Design and fabrication of Ti—Zr—Hf—Cr—Mo and Ti—Zr—Hf—Co—Cr—Mo high entropy alloys as metallic biomaterials. Mater. Sci. Eng. C. 2020. Vol. 107. No. 110322.

70. Geetha M., Singh A.K., Muraleedharan K., Gogia A.K., Asokamani R. Effect of thermomechanical processing on microstructure of a Ti—13Nb—13Zr alloy. J. Alloys Compd. 2001. Vol. 329. P. 264—271.

71. Geetha M., Singh A.K., Gogia A.K., Asokamani R. Effect of thermomechanical processing on evolution of various phases in Ti—Nb—Zr alloys. J. Alloys Compd. 2004. Vol. 384. P. 131—144.

72. Straumal B.B., Gornakova A.S., Kucheev Y.O., Baretzky B., Nekrasov A.N. Grain boundary wetting by a second solid phase in the Zr—Nb alloys. J. Mater. Eng. Perf. 2012. Vol. 21. P. 721—724.

73. Страумал Б.Б., Бокштейн Б.С., Страумал А.Б., Пете- лин А.Л. Первое наблюдение фазового перехода сма- чивания в малоугловых границах зерен. Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88. С. 615—620.

74. Когтенкова О.А., Страумал Б.Б., Протасова С.Г., Горнакова А.С., Земба П., Чеппе Т. Влияние смачивания границ зерен на процесс образования твердого раствора в системе Al—Zn. Письма в ЖЭТФ. 2012. Vol. 96. P. 419—423.

75. Страумал Б.Б., Когтенкова О.А., Колесникова К.И., Страумал A.Б., Булатов М.Ф., Некрасов А.Н. Реверсивное «смачивание» границ зерен второй твердой фазой в системе Cu—In. Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. С. 596—600.

76. Straumal B.B., Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu., Gornakova A.S., Mazilkin A.A., Kriegel M.J., Fabrichnaya O.B., Baretzky B., Hahn H. Phase transformations in Ti—Fe alloys induced by high pressure torsion. Adv. Eng. Mater. 2015. Vol. 17. P. 1835—1841.

77. Горнакова А.С., Прокофьев С.И., Страумал Б.Б., Колесникова К.И. Рост зернограничной прослойки (α-Ti) в сплавах Ti—Co. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. No. 5. С. 69—77.

78. Gornakova A.S., Straumal B.B., Nekrasov A.N., Kilmametov A., Afonikova N.S. Grain boundary wetting by a second solid phase in Ti—Fe alloys. J. Mater. Eng. Perform. 2018. Vol. 27. P. 4989—4992.

79. Gornakova A.S., Straumal A.B., Khodos I.I., Gnesin I.B., Mazilkin A.A., Afonikova N.S., Straumal B.B. Effect of composition, annealing temperature and high pressure torsion on structure and hardness of Ti—V and Ti—V—Al alloys. J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125. No. 082522.

80. Gornakova A.S., Straumal B.B., Prokofiev S.I. Coarsening of (αTi)+(βTi) microstructure in the Ti—Al—V alloy at constant temperature. Adv. Eng. Mater. 2018. Vol. 20. No. 1800510.

81. Niinomi M. Trend and present state of titanium alloys with body centered structure for biomedical applications. Bull ISIJ. 2010. Vol. 15. P. 661—670.

82. Niinomi M., Fukui H., Hattori T., Kyo K., Suzuki A. Development of high biocompatible titanium alloy. Materia Jpn. 2002. Vol. 41. P. 221—223.

83. Yilmazer H., Niinomi M., Nakai M., Hieda J., Todaka Y., Miyazaki T. Mechanical properties of a medical β-type titanium alloy with specific microstructural evolution through high pressure torsion. Mater. Sci. Eng. C. 2013. Vol. 33. P. 2499—2507.

84. Akahori T., Niinomi M., Fukui H., Ogawa M., Toda H. Improvement in fatigue characteristics of newly developed beta type titanium alloy for biomedical applications by thermo-mechanical treatments. Mater. Sci. Eng. C. 2005. Vol. 25. P. 248—254.

85. Nakai M., Niinomi M., Oneda T. Improvement in fatigue strength of biomedical β-type Ti—Nb—Ta—Zr alloy while maintaining low Young’s modulus through optimizing ω-phase precipitation. Met. Mater. Trans. A. 2012. Vol. 43. P. 294—302.

86. Song X., Niinomi M., Tsutsumi H., Akahori T., Nakai M., Yonezawa S., Wang L. Effect of Y2O3 on mechanical properties of Ti—29Nb—13Ta—4.6Zr for biomedical applications. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 654-656. P. 2142—2145.

87. Liu H., Niinomi M., Nakai M., Obara S., Fujii H. Improved fatigue properties with maintaining low Young’s modulus achieved in biomedical beta-type titanium alloy by oxygen addition. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 704. P. 10—17.

88. Geng F., Niinomi M., Nakai M. Observation of yielding and strain hardening in a titanium alloy having high oxygen content. Mater. Sci. Eng. A. 2011. Vol. 528. P. 5435—5445.

89. Liu H., Niinomi M., Nakai M., Cong X., Cho K., Boehlert C.J., Khademi V. Abnormal deformation behavior of oxygen-modified β-type Ti—29Nb—13Ta—4.6Zr alloys for biomedical applications. Met. Mater. Trans. A. 2017. Vol. 48. P. 139—149.

90. Yilmazer H., Niinomi M., Nakai M., Huihong L., Cho K., Todaka Y., Shiku H., Matsue T. Developing biomedical nano-grained β-type titanium alloys using high pressure torsion for improved cell adherence. RSC Adv. 2016. Vol. 6. P. 7426—7430.

91. Zhao X., Niinomi M., Nakai M., Hieda J., Ishimoto T., Nakano T. Optimization of Cr content of metastable β-type Ti—Cr alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomater. 2012. Vol. 8. P. 2392—2400.

92. Santos P.F., Niinomi M., Cho K., Nakai M., Liu H., Ohtsu N., Hirano I.M., Narushima T. Microstructures, mechanical properties and cytotoxicity of low cost beta Ti—Mn. Acta Biomater. 2015. Vol. 26. P. 366—376.

93. Hattori T., Ito N., Morikawa K., Sato K., Akahori T., Niinomi M. Animal study on biocompatibility of Ti—29Nb— 13ta—4.6Zr titanium alloy. Bone tissue reaction and metal ion release in femoral head replacement of sheep. In: Proc. 2-nd European Conf. on Biomaterials. 2009.

94. Niinomi M., Nakai M. Titanium-based biomaterials for preventing stress shielding between implant devices and bone. Int. J. Biomater. 2011. Vol. 2011. P. 1—10.

95. Ishikura K., Hattori T., Akahori T., Niinomi M. Mechanical properties and biocompatibility of low cost β type Ti—Mn system binary alloys for biomedical applications. J. Jpn Inst. Met. Mater. 2013. Vol. 77(7). P. 253—258.