Предпочтительные марки титана в стоматологии. биологическая индифферентность и антикоррозионная стойкость к воздействию кислот и щелочей в небольших концентрациях

Сплавы титана обладают высокими технологическими и физико-механическими свойствами, а также токсикологической инертностью. Титан марки ВТ-100 листовой используется для штампованных коронок (толщина 0,14-0,28 мм), штампованных базисов (0,35-0,4 мм) съемных протезов, каркасов титанокерамических протезов, имплантатов различных конструкций. Для имплантации применяется также титан ВТ-6.

Для создания литых коронок, мостовидных протезов, каркасов дуговых (бюгельных), шинирующих протезов, литых металлических базисов применяется литьевой титан ВТ-5Л . Температура плавления титанового сплава составляет 1640° С.

В зарубежой специальной литературе существует точка зрения, по которой титан и его сплавы выступают альтернативой золоту. При контакте с воздухом титан образует тонкий инертный слой оксида. К его другим достоинствам относятся низкая теплопроводность и способность соединяться с композиционными цементами и фарфором. Недостатком является трудность получения отливки (чистый титан плавится при 1668° С и легко реагирует с традиционными формовочными массами и кислородом). Следовательно, он должен отливаться и спаиваться в специальных приборах в бескислородной среде. Разрабатываются сплавы титана с никелем, которые можно отливать традиционным методом (такой сплав выделяет очень мало ионов никеля и хорошо соединяется с фарфором). Новые методы создания несъемных протезов (в первую очередь коронок и мостовидных протезов) по технологии CAD/CAM (компьютерное моделирование/компьютерное фрезерование) сразу устраняет все проблемы литья. Определенные успехи достигнуты и отечественными учеными.

Съемные зубные протезы с тонколистовыми титановыми базисами толщиной 0,3-0,7 мм имеют следующие основные преимущества перед протезами с базисами из других материалов:

Абсолютную инертность к тканям полости рта, что полностью исключает возможность аллергической реакции на никель и хром, входящие в состав металлических базисов из других сплавов; - полное отсутствие токсического, термоизолирующего и аллергического воздействия, свойственного пластмассовым базисам; - малую толщину и массу при достаточной жесткости базиса благодаря высокой удельной прочности титана; - высокую точность воспроизведения мельчайших деталей рельефа протезного ложа, недостижимую для пластмассовых и литых базисов из других металлов; - существенное облегчение в привыкании пациента к протезу; - сохранение хорошей дикции и восприятия вкуса пищи.

Применение в стоматологии получили пористый титан, а также никелид титана, обладающий памятью формы в качестве материалов для имплантатов. Был период, когда в стоматологии получило распространение покрытие металлических протезов нитридом титана, придающее золотистый оттенок стали и КХС и изолирующее, по мнению авторов метода, линию паяния. Однако эта методика не получила широкого применения по следующим причинам:

1) покрытие нитрид-титаном несъемных протезов базируется на старой технологии, т. е. штамповке и пайке;

2) при применении протезов с нитрид-титановым покрытием используется старая технология протезов, таким образом, квалификация стоматологов-ортопедов не повышается, а остается на уровне 50-х годов;

3) протезы с нитрид-титановым покрытием неэстетичны и рассчитаны на дурной вкус некоторой части населения. Наша задача - не подчеркивать дефект зубного ряда, а скрывать его. И с этой точки зрения данные протезы неприемлемы. Золотые сплавы тоже имеют недостатки эстетического характера. Но приверженность ортопедов-стоматологов к золотым сплавам объясняется не их цветом, а технологичностью и большой устойчивостью к воздействию ротовой жидкости;

4) клинические наблюдения показали, что нитрид-титановое покрытие слущивается, иначе говоря, это покрытие имеет ту же судьбу, что и другие биметаллы;

5) следует иметь в виду, что интеллектуальный уровень наших пациентов значительно возрос, а вместе с этим повысились требования к внешнему виду протеза. Это идет вразрез с попытками некоторых ортопедов найти суррогат золотого сплава;

6) причины появления предложения - покрытие несъемных протезов нитрид-титаном - заключаются, с одной стороны, в отсталости материально-технической базы ортопедической стоматологии, а с другой - в недостаточном уровне профессиональной культуры некоторых врачей-стоматологов.

К этому можно добавить большое количество токсико-аллергических реакций организма пациентов на нитрид-титановое покрытие несъемных протезов.

Многочисленные фундаментальные и прикладные исследования заявляют, что лучшим материалом для изготовления дентальных имплантатов является титан.

В России для производства различных конструкций используется технически чистый титан марок BT 1-0 и BT 1-00 (ГОСТ 19807−91), а за рубежом применяют так называемый «коммерчески чистый» титан, который делят на 4 марки (Grade 1−4 ASTM, ISO). Также применяется титановый сплав Ti-6Al−4V (ASTM, ISO), являющийся аналогом отечественного сплава BT-6. Все эти вещества различны по химическому составу и механическим свойствам.

Титан марки Grade 1,2,3 – не используется в стоматологии, т.к. слишком мягкий.

Преимущества чистого титана марки Grade 4 (СP4)

• Лучшая биологическая совместимость
• Отсутствие в составе токсичного ванадия (V)
• Лучшая стойкость к коррозии
• 100% отсутствие аллергических рекаций

По данным исследования научных статей, методических и презентационных публикаций зарубежных компаний, стандартов ASTM, ISO, ГОСТ имеются сравнительные таблицы свойств и состава титана разных марок.

Таблица 1. Химический состав титана по ISO 5832/II и ASTM F 67−89.

** — Данные ISO и ASTM совпадают во многих пунктах, при их расхождении показатели ASTM приведены в скобках.

Таблица 2. Механические свойства титана по ISO 5832/II и ASTM F 67−89.

Таблица 3. Химический состав титановых сплавов по ГОСТ 19807−91.

* В титане марки ВТ 1−00 допускается массовая доля алюминия не более 0,3%, в титане марки ВТ 1−0 — не более 0,7%.

Таблица 4. Механические свойства титановых сплавов по ГОСТ 19807−91.

** Данные приведены по ОСТ 1 90 173−75.
*** В доступной литературе данных не обнаружено.

Самым прочным из рассмотренных материалов является сплав Ti-6Al−4V (отечественный аналог ВТ-6). Увеличение прочности достигается за счет введения в его состав алюминия и ванадия. Однако, данный сплав относится к биоматериалам первого поколения и, несмотря на отсутствие каких-либо клинических противопоказаний, он используется все реже. Это положение приведено в аспекте проблем эндопротезирования крупных суставов.

С точки зрения лучшей биологической совместимости, более перспективными представляются вещества, относящиеся к группе «чистого» титана. Необходимо отметить, что когда говорят о «чистом» титане, имеют в виду одну из четырех марок титана, допущенных для введения в ткани организма в соответствии с международными стандартами. Как видно из приведенных выше данных, они различны по химическому составу, который, собственно, и определяет биологическую совместимость и механические свойства.

Важен также вопрос о прочности этих материалов. Лучшими характеристиками в этом отношении обладает титан класса 4.
При рассмотрении его химического состава можно отметить, что в титане этой марки увеличено содержание кислорода и железа. Принципиальным является вопрос: ухудшает ли это биологическую совместимость?

Увеличение кислорода, вероятно, не будет являться отрицательным. Увеличение содержания железа на 0,3% в титане Grade 4 (по сравнению с Grade 1) может вызвать некоторые опасения, так как, по экспериментальным данным, железно (так же как и алюминий) при имплантации в ткани организма приводит к образованию вокруг имплантата соединительно-тканной прослойки, что является признаком недостаточной биоинертности металла. Кроме того, по тем же данным, железо подавляет рост органической культуры. Однако, как говорилось, приведенные выше данные касаются имплантации «чистых» металлов.

В данном случае важным является вопрос: возможен ли выход ионов железа через слой окиси титана в окружающие ткани, и если возможен, то с какой скоростью и каков из дальнейший метаболизм? В доступной литературе мы не встретили информации по этому поводу.

При сопоставлении зарубежных и отечественных стандартов можно отметить, что разрешенные для клинического применения в нашей стране титановые сплавы ВТ 1−0 и ВТ 1−00 практически соответствуют маркам «чистого» титана Grade 1 и 2. Пониженное содержание кислорода и железа в этих марках приводит к снижению их прочностных свойств, что не может считаться благоприятным. Хотя у титана марки ВТ 1−00 верхняя граница предела прочности на растяжение соответствует аналогичному показателю Grade 4, предел текучести при этом у отечественного сплава почти в два раза ниже. Кроме того, в его состав может входить алюминий, что, как указывалось выше, нежелательно.

При сопоставлении зарубежных стандартов можно отметить, что американский стандарт является более строгим, и стандарты ISO ссылаются на американские в ряде пунктов. Кроме того, делегация США выразила несогласие при утверждении стандарта ISO в отношении титана, используемого в хирургии.

Таким образом, можно утверждать, что:
Лучшим материалом для изготовления дентальных имплантатов, на сегодняшний день, является «чистый» титан класса 4 по стандарту ASTM, так как он:

• не содержит токсичного ванадия, как, например, сплав Ti-6Al−4V;
• наличие в его составе Fe (измеряемого в десятых долях %) не может считаться отрицательным, так как даже в случае возможного выхода ионов железа в окружающие ткани воздействие их на ткани не является токсичным, как у ванадия;
• титан класса 4 обладает лучшими прочностными свойствами по сравнению с другими материалами группы «чистого» титана;

Кобальтохромовые сплавы

Кобальтохромовые сплавы марки КХС

кобальт 66-67%, придающий сплаву твердость, улучшая, таким образом, механические качества сплава.

хром 26-30%, вводимый для придания сплаву твердости и повышения антикоррозийной стойкости, образующего пассивирующую пленку на поверхности сплава.

никель 3-5%, повышающий пластичность, вязкость, ковкость сплава, улучшая тем самым технологические свойства сплава.

молибден 4-5,5%, имеющий большое значения для повышения прочности сплава за счет придания ему мелкозернистости.

марганец 0,5%, увеличивающий прочность, качество литья, понижающий температуру плавления, способствующий удалению токсических зернистых соединений из сплава.

углерод 0,2%, снижающий температуру плавления и улучшающий жидкотекучесть сплава.

кремний 0,5%, улучшающий качество отливок, повышающий жидкотекучесть сплава.

железо 0,5%, повышающий жидкотекучесть, увеличивающий качество литья.

азот 0,1%, снижающий температуру плавления, улучшающий жидкотекучесть сплава. В то же время увеличение азота более 1% ухудшает пластичность сплава.

бериллий 0-1,2%

алюминий 0,2%

СВОЙСТВА: КХС обладает высокими физико-механическими свойствами, относительно малой плотностью и отличной жидкотекучестью, позволяющей отливать ажурные зуботехнические изделия высокой прочности. Температура плавления составляет 1458С, механическая вязкость в 2 раза выше таковой у золота, минимальная величина предела прочности при растяжении составляет 6300 кгс/см 2 . Высокий модуль упругости и меньшая плотность (8 г/см 3) позволяют изготавливать более легкие и более прочные протезы. Они также устойчивее против истирания и длительнее сохраняют зеркальный блеск поверхности, приданный полировкой. Благодаря хорошим литейным и антикоррозийным свойствам сплав используется в ортопедической стоматологии для изготовления литых коронок, мостовидных протезов, различных конструкции цельнолитых бюгельных протезов, каркасов металлокерамических протезов, съемных протезов с литыми базисами, шинирующих аппаратов, литых кламмеров.

ФОРМА ВЫПУСКА: выпускается в виде круглых заготовок массой 10 и 30г, упакованных по 5 и 15 шт.

Все выпускаемые сплавы металлов для ортопедической стоматологии делятся на 4 основные группы:

Бюгоденты - сплавы для литых съемных протезов.

КХ-Денты - сплавы для металлокерамических протезов.

НХ-Денты - никелехромовые сплавы для металлокерамических протезов.

Дентаны - железоникелехромовые сплавы для зубных протезов.

1. Бюгоденты. Являются многокомпонентным сплавом.

СОСТАВ: кобальт, хром, молибден, никель, углерод, кремний, марганец.

СВОЙСТВА: плотность - 8,35г/см 3 , твердость по Бринеллю - 360-400 НВ, температура плавления сплава - 1250-1400С.

ПРИМЕНЕНИЕ: используется для изготовления литых бюгельных протезов, кламмеров, шинирующих аппаратов.

Бюгодент CCS vac (мягкий) - содержит 63% кобальта, 28% хрома, 5% молибдена.

Бюгодент CCN vac (нормальный) - содержит 65% кобальта, 28% хрома, 5% молибдена, а также повышенное содержание углерода и не имеет в своем составе никеля.

Бюгодент CCH vac (твердый) - основу составляет кобальт - 63%, хром - 30% и молибден - 5%. Сплав имеет максимальное содержание углерода - 0,5%, дополнительно легирован ниобием - 2% и не имеет в своем составе никеля. Обладает исключительно высокими упругими и прочностными параметрами.

Бюгодент ССC vac (медь) - основу составляет кобальт - 63%, хром - 30%, молибден - 5%.Химический состав сплавов включает в себя медь и повышенное содержание углерода - 0,4%. В результате этого сплав обладает высокими упругими и прочностными свойствами. Наличие мели в сплаве облегчает полирование, а также проведение другой механической обработки протезов из него.

Бюгодент CCL vac (жидкий) - в состав сплава кроме кобальта - 65%, хрома - 28% и молибдена - 5% введен бор и кремний. Этот сплав обладает великолепной жидкотекучестью, сбалансированными свойствами.

2. КХ-Денты

ПРИМЕНЕНИЕ: используются для изготовления литых металлических каркасов с фарфоровыми облицовками. Окисная пленка, образующаяся на поверхности сплавов, позволяет наносить керамические или ситалловые покрытия. Различают несколько видов данного сплава: CS, CN, CB, CC, CL, DS, DM.

КХ-Дент CN vac (нормальный ) содержит 67% кобальта, 27% хрома и 4,5% молибдена, но не содержит углерода и никеля. Это существенно улучшает его пластические характеристики и снижает твердость.

КХ-Дент CB vac (Bondy) имеет следующий состав: 66,5% кобальта, 27% хрома, 5% молибдена. Сплав обладает хорошим сочетанием литейных и механических свойств.

3. НХ-Денты

СОСТАВ: никель - 60-65%; хром - 23-26%; молибден - 6-11%; кремний - 1,5-2%; не содержат углерода.

Сплавы НХ-Дент на никелехромовой основе

ПРИМЕНЕНИЕ: для качественных металлокерамических коронок и небольших мостовидных протезов обладают высокой твердостью и прочностью. Каркасы протезов легко шлифуются и полируются.

СВОЙСТВА: сплавы обладают хорошими литейными свойствами, имеют в своем составе рафинирующие добавки, что позволяет не только получать качественное изделие при литье в высокочастотных индукционных плавильных машинах, но и использовать до 30% литников повторно в новых плавках. Различают несколько видов данного сплава: NL, NS, NH.

НХ-Дент NS vac (мягкий ) - в своем составе содержит никель - 62%, хром - 25% и молибден - 10%. Он обладает высокой стабильностью формы и минимальной усадкой, что позволяет производить отливку мостовидных протезов большой протяженности в один прием.

НХ-Дент NL vac (жидкий ) - содержит 61% никеля, 25% хрома и 9,5% молибдена. Этот сплав обладает хорошими литейными свойствами, позволяющими получить отливки с тонкими, ажурными стенками.

4.Дентаны

СВОЙСТВА: сплавы типа Дентан разработаны взамен литейных нержавеющих сталей. Они обладают существенно более высокой пластичностью и коррозионной стойкостью за счет того, что в их составе почти в 3 раза никеля и на 5% больше хрома. Сплавы имеют хорошие литейные свойства - малую усадку и хорошую жидкотекучесть. Очень податливы в механической обработке.

ПРИМЕНЕНИЕ: используются для изготовления литых одиночных коронок, литых коронок с пластмассовой облицовкой. Различают несколько видов данного сплава: DL, D, DS, DM.

Дентан D содержит 52% железа, 21% никеля, 23% хрома. Обладает высокой пластичностью и коррозионной устойчивостью, имеет небольшую усадку и хорошую жидкотекучесть.

Дентан DM содержит 44% железа, 27% никеля, 23% хрома и 2% молибдена. В состав сплава дополнительно введен молибден, что повысило его прочность в сравнении с предыдущими сплавами, при сравнении того же уровня обрабатываемости, жидкотекучести и других технологических свойств.

Для некоторых никелехромовых сплавов наличие оксидной пленки может иметь отрицательное значение, поскольку при высокой температуре обжига окислы никеля и хрома растворяются в фарфоре, окрашивая его. Возрастание количества окиси хрома в фарфоре приводит к понижению его коэффициента термического расширения, что может явиться причиной откалывания керамики от металла.

Сплавы титана

СВОЙСТВА: сплавы титана обладают высокими технологическими и физико-механическими свойствами, а также биологической инертностью. Температура плавления титанового сплава составляет 1640С. Изделия из титана обладают абсолютной инертностью к тканям полости рта, полным отсутствием токсического, термоизолирующего и аллергического воздействия, малой толщиной и массой при достаточной жесткости базиса благодаря высокой удельной прочности титана, высокой точностью воспроизведения мельчайших деталей рельефа протезного ложа.

ВТ-100 листовой - используется для изготовления штампованных коронок (толщина 0,14-0,28мм), штампованных базисов (0,35-0,4мм) съемных протезов.

ВТ-5Л - литьевой - используется для изготовления литых коронок, мостовидных протезов, каркасов бюгельных шинирующих протезов, литых металлических базисов.

Введение

Стоматология сегодня не стоит на месте. Практически каждый месяц приходится слышать о новых методиках, оборудовании, материалах и т.д. Конечно, не все нововведения находят отклик у профессионалов. Но, есть один материал, который всерьёз и надолго занял свою нишу в стоматологии, который благодаря своим качествам блестяще зарекомендовал себя. И имя этому материалу – титан.

Номенклатура использования титана постоянно расширяется. На сегодняшний день его применяют как в съёмном, так и не в съёмном протезировании, в имплантологии, в ортодонтии и т.д.

В настоящее время уже освоено изготовление зубов из титана, причем исследования показали, что по коррозионной стойкости в полости рта титан не уступает драгоценным металлам. И это не предел. Не будет преувеличением сказать, что не осталось уже в стоматологии направления, где бы ни нашлось место титану.

Что касается применения, то внедрение сплавов из титана не ограничилось стоматологией. Титан широко используется во всех без исключения сферах медицины, не говоря уже о промышленности. Если говорить о титане, то на ум сразу приходит целый ряд преимуществ, которые в комплексе свойственны только ему. Биологическая индифферентность, отсутствие свойства намагничиваться, малый удельный вес, высокая прочность, коррозийная стойкость во многих агрессивных средах и доступность сделали титан почти универсальным и необходимым материалом. И это лишь малая часть тех плюсов, которые могут дать титановые сплавы.

В данном дипломном проекте будут раскрыты все грани этого революционного материала. В призме профессии зубного техника тщательно будут рассмотрены свойства титана и его сплавов, методы их получения, нюансы обработки титановых сплавов, ошибки, возникающие при работе с ним, и многое другое. Будет уделено внимание самым последним достижениям в науке и технологиям. Будут подробно разобраны как уже давно существующие титановые сплавы, применяющиеся широко во всём мире, так и самые последние разработки по данному направлению. И конечно, нельзя обойти стороной методы обработки, такие как фрезерование, шлифование титановых сплавов и т.д.

Актуальность исследования

Выбор материала для протеза является одним из важных этапов планирования протеза, так как от материала будут зависеть будущие свойства протеза. В настоящее время стремится объединить в себе сразу два ключевых и важных свойства стоматологических материалов – биоинертность и эстетичность. Одним из материалов, обладающих первым качеством является титан. Использование титана в комплексе с облицовкой керамическими массами позволяет решить вторую задачу. Таким образом решаются обе задачи – биоинертность и эстетичность. Но в современной литературе, и даже при обучении в учебных заведениях, слабо освещены нюансы работы с титаном. Поэтому необходимо подробно изучив литературу о титане, обобщить её, систематизировать и в сумме изложить в данном дипломном проекте для облегчения изучения в будущем данной темы зубными техниками.

Предмет исследования

Титан для изготовления стоматологических протезов

Объект исследования

Технология обработки титана

Цель исследования

Изучить технологии изготовления протезов из титана в стоматологии

Задачи исследования

1. Изучение литературы по данной теме;
2. Изучение свойства титана, применяемого в стоматологии;
3. Изучение технологий его обработки;
4. Сравнение технологий обработки титана.

Гипотеза

Изучение данного материала позволит определить положительные и отрицательные стороны различных технологий обработки титана и выявить самые лучшие из них, что в дальнейшем может послужить улучшением качества протезирования.

Методы исследования

Изучение отечественной и зарубежной литературы, сравнительный анализ, систематизация.

Глава 1. Особенности титана и сложности при работе с ним

1.1. Преимущества титана

В периодической системе Д.И. Менделеева титан имеет номер 22 (Ti). Внешне титан похож на сталь (рис.1).

Рис.1. Титановые имплантаты и абатменты.

Сплавы титана обладают высокими технологическими и физико-механическими свойствами, а также биоинертностью.

Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.

Применение получили пористый титан, а также никелид титана, обладающий памятью формы в качестве материалов для имплантатов.

В зарубежной литературе существует точка зрения, по которой титан и его сплавы выступают альтернативой золоту. При контакте с воздухом происходит пассивизация, т.е. на поверхности титана образуется тонкий инертный слой оксида. К другим его достоинствам относятся низкая теплопроводность и способность соединяться с композиционными цементами и фарфором. Недостатком является трудность получения отливки (чистый титан плавится при 1668°С и вступает в реакцию с традиционными формовочными массами и кислородом). Следовательно, он должен отливаться и спаиваться в специальных приборах в бескислородной среде. Разрабатываются сплавы титана с никелем, которые можно отливать традиционным методом (такой сплав выделяет очень мало ионов никеля и хорошо соединяется с фарфором). Новые методы создания несъемных протезов (в первую очередь коронок и мостовидных протезов) по технологии CAD/CAM сразу устраняют все проблемы литья .

Протезирование коронковой части зуба занимает ведущее место в клинике ортопедической стоматологии и используется во все периоды формирования и развития жевательного аппарата, начиная с грудного возраста и до глубокой старости. Особое место в ортопедии занимают титановые коронки, которые отличаются следующими характеристиками:

• Биологическая инертность;
• Легкость снятия коронки;
• Низкая теплопроводность по сравнению с другими металлами и сплавами;
• Маленький удельный вес, благодаря которому протезы получаются лёгкими;
• Обладают высокой упругостью;
• Меньшая прочность на истирание, чем нержавеющая сталь при протезировании молочных зубов.

Упоминая важность применения именно титановых коронок, следует остановиться на таком стоматологическом заболевании твердых тканей зуба, как аплазия и гипоплазия эмали. Эти дефекты представляют собой пороки развития твердых тканей зуба и возникают в результате нарушения минерального и белкового обмена в организме плода или ребенка. Недоразвитие эмали — процесс необратимый и остается на весь период жизни. Поэтому наличие этих заболеваний является абсолютным показанием к применению тонкостенных титановых коронок.

Что же касается съёмного протезирования, то протезы с тонколистовыми титановыми базисами толщиной 0,3-0,7 мм имеют следующие основные преимущества перед протезами с базисами из других материалов:

• абсолютную инертность к тканям полости рта, что полностью исключает возможность аллергической реакции на никель и хром, входящие в состав металлических базисов из других сплавов;
• полное отсутствие токсического, термоизолирующего и аллергического воздействия, свойственного пластмассовым базисам;
• малую толщину и массу при достаточной жесткости базиса благодаря высокой удельной прочности титана;
• высокую точность воспроизведения мельчайших деталей рельефа протезного ложа, недостижимую для пластмассовых и литых базисов из других металлов;
• существенное облегчение в привыкании пациента к протезу;
• сохранение хорошей дикции и восприятия вкуса пищи.

1.2. Особенности титана и сложности работы с ним

Титан (Titanium) Ti - элемент IV группы 4-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 22, атомная масса 47,90. Получен в чистом виде лишь в 1925 г. Основное сырье - минералы рутил TiO2, ильменит FeTiO3 и др. Титан - тугоплавкий металл.

Получают титан восстановлением двуокиси титана металлическим кальцием, гидридом кальция, восстановлением четыреххлористого титана расплавленным натрием, металлическим магнием. Титан - перспективный материал для авиационной, химической и судостроительной промышленности и медицины. В большинстве случаев титан применяется в виде сплавов с алюминием, молибденом, ванадием, марганцем и другими металлами .

Табл.1.

Сравнительные свойства различных сплавов.

Свойства				Серебряно-палладиевый сплав	Нержавеющая сталь
Плотность (г/см³)
Твердость (HB) МПа
Прочность МПа (Н/мм 2), Rm
Модуль упругости, ГПа
Температура плавления (°С)
Теплопроводность Вт/(м К)
КТР (α 10 –6 °C –1)

Известно, что некоторые химические элементы могут существовать в виде двух или более простых веществ, отличающихся по строениям и свойству. Обычно вещество переходит из одной аллотропной модификации в другую при постоянной температуре. Титан имеет две такие модификации. α-модификация титана существует при температуре до 882,5 °С. Высокотемпературная β-модификация может быть устойчивой от 882,5 °С до температуры плавления.

Легирующие элементы придают титановому сплаву различные свойства. Для этого используются алюминий, молибден, марганец, хром, медь, железо, олово, цирконий, кремний, никель, и другие.

Легирующие добавки по-разному ведут себя в различных аллотропных модификациях титана. Изменяют они и температуру, при которой происходит α/β-переход. Так, увеличение концентрации алюминия, кислорода и азота в сплаве титана повышает это температурное значение. Область существования α-модификации расширяется. А эти элементы называют α-стабилизаторами.

Олово и цирконий не изменяют температуру α/β-превращений. Поэтому их считают нейтральными упрочнителями титана.

Все остальные легирующие добавки к титановым сплавам считаются β-стабилизаторами. Растворимость их в модификациях титана зависит от температуры. А это даёт возможность повышать прочность титановых сплавов с этими добавками с помощью закалки и старения. Используя разные типы легирующих добавок, получают титановые сплавы с самыми различными свойствами.

Для создания литых коронок, мостовидных протезов, каркасов дуговых (бюгельных), шинирующих протезов, литых металлических базисов применяется литьевой титан ВТ-5Л. Температура плавления титанового сплава составляет 1640°С.

Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легирован только алюминием. Алюминий относится к числу наиболее распространенных легирующих элементов в титановых сплавах. Это обусловлено следующими преимуществами алюминия перед остальными легирующими компонентами:

1. алюминий широко распространен в природе, доступен и стоит сравнительно дешево;
2. плотность алюминия значительно меньше плотности титана, и поэтому введение алюминия повышает их удельную прочность;
3. с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность и сопротивление ползучести сплавов титана;
4. алюминий повышает модули упругости;
5. с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости. Сплав ВТ5 отличается от технического титана большей прочностью и жаропрочностью. Вместе с тем алюминий значительно уменьшает технологическую пластичность титана. Сплав ВТ5 деформируется в горячем состоянии: куется, прокатывается, штампуется. Тем не менее, его предпочитают применять не в деформированном состоянии, а в виде фасонного литья (в этом случае ему присваивают марку ВТ5Л).

Для имплантации применяется титан ВТ-6. Сплавы типа ВТ6 (Ti-6A1-4V) (α + β)-класса относятся к числу наиболее распространенных титановых сплавов и в других сферах.

Такое широкое распространение этого сплава объясняется удачным его легированием. Алюминий в сплавах системы Ti-Al-V повышает прочностные и жаропрочные свойства, а ванадий относится к числу тех немногих легирующих элементов в титане, которые повышают не только прочностные свойства, но и пластичность.

Наряду с высокой удельной прочностью сплавы этого типа обладают меньшей чувствительностью к водороду по сравнению со сплавами ОТ4 и ОТ4-1, низкой склонностью к солевой коррозии и хорошей технологичностью.

Сплавы типа ВТ6 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Двойной отжиг также позволяет повысить вязкость разрушения и сопротивление коррозионному разрушению.

Титан марки ВТ1-00 листовой используется для штампованных коронок (толщина 0,14-0,28 мм), штампованных базисов (0,35-0,4 мм) съемных протезов, каркасов титанокерамических протезов, имплантатов различных конструкций.

Металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты технического титана двух марок ВТ1-00 и ВТ1-0 отличающихся содержанием примесей (кислорода, азота, углерода, железа, кремния и др.). Это материалы малой прочности, причем титан ВТ1-00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство титановых сплавов ВТ1-00 и ВТ1-0 — высокая технологическая пластичность, что позволяет получать из них даже фольгу.

Прочностные свойства титана могут быть повышены нагартовкой (наклёпом), но при этом сильно снижаются пластические свойства. Снижение характеристик пластичности выражено сильнее, чем повышение характеристик прочности, так что нагартовка не самый лучший способ улучшения комплекса свойств титана. К недостаткам титана следует отнести высокую склонность к водородной хрупкости, в связи с чем, содержание водорода не должно превышать 0,008 % в титане ВТ1-00 и 0,01 % в ВТ1-0.

1.3. Особенности обработки титана (шлифовка и полировка)

Физические свойства, фазы оксидации и изменение кристаллической решетки должны учитываться при обработке титана. Правильная обработка может успешно производиться только специальными фрезами для титана, со специальной крестообразной насечкой (рис.2). Уменьшенный угол рабочей поверхности, который дает возможность оптимально снимать достаточно мягкий металл, с одновременно хорошим охлаждением инструмента. Обработка титана должна производиться без сильного давления на инструмент.

Рис.2.

Фрезы для титана должны храниться отдельно от других инструментов. Они должны регулярно очищаться пароструйным аппаратом и щеточками из стекловолокна от остатков титановой стружки, которая достаточно прочно осаждается.

При использовании неправильного инструмента, или сильном нажиме возможны локальные перегревы металла, сопровождаемые сильным образованием оксида и изменением кристаллической решетки. Визуально на обрабатываемом объекте происходит изменение цвета и слегка грубеет поверхность. В этих местах не будет необходимого сцепления с керамикой (возможность появления трещин и сколов), если это не облицовываемые участки, то дальнейшая обработка и полировка будет также не соответствовать предъявляемым требованиям.

Использование при обработке титана различных карборундовых дисков и камней, или алмазных головок сильно загрязняет поверхность титана, что приводит в дальнейшем также к трещинам и сколам в керамике. Поэтому использование вышеперечисленных инструментов пригодно только для обработки, например, каркасов бюгельных протезов, а использование алмазных головок следует полностью исключить. Шлифовка и дальнейшая полировка открытых участков титана возможна только при помощи адаптированных для титана шлифовальных резиновых головок и полировочных паст. Многие фирмы, занимающиеся производством вращающихся инструментов, выпускают на данный момент большой ассортимент фрез и шлифовальных резиновых головок для титана.

Подходящие для титана параметры обработки:

• Низкая скорость вращении наконечника – макс. 15 000 об/мин;
• Низкое давление на инструмент;
• Периодическая обработка;
• Обработка каркаса только в одном направлении;
• Избегать острых углов и напусков металла;
• При шлифовке и полировке использовать только подходящие шлифовальные резиновые головки и полировочные пасты;
• Периодическая чистка фрез пароструйным аппаратом и кисточкой из стекловолокна.

Пескоструйная обработка, перед нанесением бондингового слоя при керамическом покрытии так же, как и при облицовке композитными материалами, должна соответствовать следующим требованиям:

• Чистый, только одноразовый оксид алюминия;
• Максимальная величина зерна песка 150 µm, оптимально 110–125 µm;
• Максимальное давление из карандаша 2 бара;
• Направление потока песка под прямым углом к поверхности.

После обработки необходимо оставить обработанный объект на 5–10 мин пассивироваться, после чего произвести чистку поверхности паром.

Оксидный обжиг или похожие процедуры при работе с титаном полностью исключаются. Использование кислот или травление также полностью исключено.

1.4.Выводы по первой главе

Исходя из материала, представленного выше, можно сделать вывод, что сплавы титана обладают существенным количеством очень важных свойств, которые незаменимы в зубном протезировании. Основные из них это биоинертность, коррозионная стойкость, прочность и твёрдость при малом удельном весе. Однако, получение титана считается дорогостоящим процессом, но так как его количество, применяемое при изготовлении протеза, является небольшим, то это не сильно влияет на стоимость. Но из-за того, что технология производства протезов из титана более дорогостоящая протезы из титана стоят дороже, чем КХС или нержавеющей стали.

Также до недавнего времени проблемы вызывала обработка титана, но появление и распространение специальных инструментов, сделало возможным применения титановых сплавов в стоматологии. Положительные свойства титана были известны и раньше, но именно длительная и дорогостоящая обработка была тем самым препятствием для его внедрения в стоматологическую практику.

Несмотря на специфические требования, которые отсутствуют при обработке других металлов, и особенности инструментов, целый список положительных качеств титана всё же привело к усовершенствованию процессов работы с ним. Химические свойства титана с одно стороны открывают новые возможности для зубных техников, но с другой требуют более тщательного соблюдения технологии обработки и учёта всех особенностей.

Глава 2. Технологии изготовления протезов из титана

2.1.Штамповка титана

Штамповка (штампование) — процесс пластической деформации материала с изменением формы и размеров тела. В стоматологии штамповке подвергаются металлы.

Стоит отметить, что штампованные коронки из титана довольно редкое явления на сегодняшний день. Технология изготовления коронок методом штамповки из титана не нашла распространения, так как в холодном состоянии титан сложно штамповать. Тем не менее, в рамках общего изучения будет рассмотрена технология изготовления титановых коронок методом штамповки.

У титановых штампованных коронок те же минусы, что и у обычных штампованных коронок, а именно:

• Отсутствие износоустойчивости;
• Наличие плоской жевательной поверхности зуба;
• Недостаточно плотное прилегание к шейке зуба;
• Отсутствие эстетичности.

Свойства коронок из титана схожи со сплавами более дорогих, золотых коронок.

Процесс штамповки из титановых сплавов не значительно отличаются от процесса изготовления обычных штампованных коронок из нержавейки.

При изготовлении штампованных коронок оттиски обычно снимают стандартными ложками альгинатной массой.

Технология изготовления титановой штампованной коронки:

Лабораторный этап изготовления коронки начинается с получения модели. Далее производят моделировку зуба моделировочным воском. Наслаивая расплавленный воск на поверхность гипсового зуба, добиваются увеличения объема, необходимого для восстановления анатомической формы. После моделировки необходимо вырезать из модели гипсовый штампик. Затем необходимо изготовить его копию из легкоплавкого металла. Для этого необходимо сделать гипсовую форму. Блок из гипса делают в два этапа. Гипсовый штампик удаляют, а расколотые части блока складывают вместе и расплавляют легкоплавкий металл. При плавке важно не перегревать металл, при перегреве испаряются некоторые компоненты сплава, и он получается более хрупким. И после заполняют им форму. Форма должна быть хорошо просушена, так как влага, испаряясь, сделает металл пористым.

Всего необходимо изготовить два металлических штампика. Первый — самый точный для окончательной штамповки. Второй — для предварительной штамповки. После изготовления металлического штампика необходимо подобрать титановую гильзу.

Гильза должна доходить до экватора зуба и несколько с усилием на него заходить. Отожженной гильзе на пуансонах специальной зуботехнической наковальни ударами молотка придается приблизительная форма будущей коронки. И затем снова следует отжиг. Во время ударов молотка происходят изменения в структуре металла, он становится более упругим и неподатливым дальнейшей обработке, то есть образуется наклеп, посредством отжига кристаллическая решетка металла восстанавливается и металл становится более пластичным. После этого берут тот штампик, что был отлит вторым, одевают на него гильзу и несколькими сильными и точными ударами молотка вколачивают его в свинцовую «подушку». Свинцовая подушка — слиток мягкого свинца различных размеров.

Вколотить штампик с гильзой необходимо до уровня экватора коронки. Свинец плотно обжимает металлическую гильзу по штампику. Штампик с гильзой извлекают из свинца и оценивают качество предварительной штамповки. На гильзе не должно быть складок и трещин. Окончательная штамповка производится в прессе либо ручном, либо механизированном гидравлическом. Смысл один — в основании пресса стоит кювета, наполненная невулканизированным каучуком. Штампик вставляется в кювету в каучук и шток пресса под действием силы раскрученного маховика или гидравлики давит на каучук, последний передает давление на гильзу, которая в свою очередь под давлением плотно обжимается по металлическому штампику.

Стоит отметить, что в холодном виде титан крайне плохо поддаётся штамповке. При горячем деформировании и, особенно, при температурах 900°С и выше, когда развиваются разупрочняющие процессы, титан и титановые сплавы имеют достаточно высокую пластичность. Из титановых сплавов ковкой и горячей штамповкой изготовляются сложные по геометрической форме изделия, к которым можно отнести и зубы.

Пластичность титана и титановых сплавов резко понижается при наличии на поверхности альфированого слоя. Альфинированный слой — это твердый раствор кислорода в титане. Металл, имеющий альфированный слой, крайне чувствителен при ковке и горячей штамповке к изменению напряженно-деформированного состояния с увеличением напряжений и деформаций растяжения. Поскольку, практически, при всех методах ковки и штамповки действуют растягивающие напряжения и деформации, при нагреве под горячую механическую обработку титана и титановых сплавов следует избегать образование альфированного слоя. Это достигается нагревом под ковку и штамповку в нагревательных печах с нейтральной или безокислительной атмосферой. Наиболее подходящей средой для нагрева титана и титановых сплавов является аргон.

2.2.Литьевой метод

Высокая реакционная способность титана, высокая точка плавления требуют специальную литейную установку и паковочную массу. В данное время на рынке известны несколько систем, которые позволяют производить литьё титана.

В качестве примера можно привести литейные установки Аутокаст, которые основаны на принципе плавки титана в защитной среде аргона на медном тигле посредством вольтовой дуги, точно также в промышленности сплавляют титановую губку для получения чистого титана. Заливка металла в кювету происходит при помощи вакуума в литейной камере и повышенного давления аргона в плавильной — во время опрокидывания тигля.

Внешний вид и принцип, как функционирует установка, показан на рисунке 3.

Рис.3.

В начале процесса обе камеры плавильная (вверху) и литейная (внизу) продуваются аргоном, затем из обеих камер эвакуируется смесь воздуха и аргона, после чего плавильная камера заполняется аргоном, а в литейной образуется вакуум. Включается вольтовая дуга и начинается процесс плавления титана. После прохождения определенного времени резко опрокидывается плавильный тигель и металл всасывается в находящуюся в вакууме форму, собственный вес, а также повышающееся давление аргона на этот момент также способствуют заполнение им литьевой формы. Этот принцип даёт возможность получать хорошие, плотные отливки из чистого титана.

Следующим компонентом литейной системы является паковочная масса. Так как в расплавленном состоянии реакционная способность титана очень высока, то он требует специальных паковочных масс, которые изготавливаются на основе оксидов алюминия и магнезии, которые в свою очередь позволяют снизить реакционный слой титана до минимума.

Правильное создание литниковой системы, так же, как и правильное расположение в кювете играет огромную роль и производится строго по правилам, предложенным фирмой производителем литейных установок. Для коронок и мостов допустимо использование только специального литьевого конуса, который позволяет оптимально направлять металл к отливаемому объекту. Высота входного литникового канала от конуса до питающей балки 10 мм при его диаметре 4–5 мм. Диаметр питающей балки 4 мм .

Подводные литниковые каналы к отливаемому объекту имеют размер диаметром 3 мм и высотой также не более 3 мм. Очень важно: подводные каналы не должны располагаться напротив входного литникового канала (рис.4), в противном случае очень высока возможность возникновения газовых пор.

Рис.4.

Все соединения должны быть очень гладкими, без острых углов и т.д. чтобы максимально снизить возникающую во время заливки металла турбулентность, которая приводит к образованию газовых пор. Литниковая система для бюгельных протезов, а особенно для цельнолитых базисов полных съёмных протезов также отлична, от литниковых систем, которые мы применяем для отливки бюгельных протезов из хром-кобальтовых сплавов.

Для зуботехнического применения переход титана при температуре 882,5 °С из одного кристаллического состояния в другое имеет очень большое значение. Титан переходит при этой температуре из α-титана с гексагональной кристаллической решеткой в β-титан с кубической. Что влечет за собой, не только изменение его физических параметров, но и увеличение на 17% его объёма.

По этой причине также необходимо использование специальных керамик, температура обжига которых должна находиться ниже 880 °С.

У титана очень сильное стремление при комнатной температуре с кислородом воздуха образовывать мгновенно тонкий защитный оксидный слой, который защищает его в дальнейшем от коррозии и обуславливает хорошую переносимость титана организмом. Это так называемый пассивный слой.

Пассивный слой имеет способность самостоятельно регенерироваться. Этот слой, на различных этапах работы с титаном, должен гарантироваться. После пескоструйной обработки, перед чисткой каркаса паром, необходимо оставить каркас минимум 5 минут пассивироваться. Только что отполированный протез должен пассивироваться не менее 10-15 минут, в противном случае нет гарантии хорошего блеска готовой работы.

2.3.Сверхпластичная формовка

В течение 15 лет литье зубных протезов из титана пропагандируется в Японии, США и Германии, а в последнее время и в России. Разработаны различные виды оборудования для центробежного или вакуумного литья, рентгеновского контроля качества отливок, специальные огнеупорные материалы.

Перечисленные выше методы очень сложны технологически и дорогостоящи. Выходом из этой ситуации может быть сверхпластическая формовка. Суть сверхпластичности заключается в том, что при определенной температуре металл, имеющий ультрамелкое зерно, ведёт себя подобно разогретой смоле, то есть может удлиняться на сотни и тысячи процентов под действием очень малых нагрузок, что позволяет изготавливать из листа титанового сплава тонкостенные детали сложной формы. Это явление, а процесс состоит в том, что сверхпластичную листовую заготовку прижимают к матрице и под действием небольшого газового давления (максимально 7–8 атм.) она сверхпластически деформируется, за одну операцию принимая очень точную форму полости матрицы.

Рассмотрим применение метода сферхпластичной формовки на примере изготовления съёмного пластиночного протеза. Зубной протез, изготовленный методом сверхпластической формовки, имеет существенные преимущества. В качестве основных можно назвать легкость (малый вес) по сравнению с протезами, изготовленными из кобальтохромового или никельхромового сплавов, а также высокая коррозионная стойкость и прочность. Достаточная простота изготовления протеза делает его незаменимым для массового производства в ортопедической стоматологии.

Начальные клинические этапы изготовления полного съемного протеза с титановым базисом не отличаются от традиционных при изготовлении пластмассовых протезов. Это – клиническое обследование больных, получение анатомических слепков, изготовление индивидуальной ложки, получение функционального слепка, изготовление рабочей высокопрочной модели из супергипса.

Модель из супергипса с предварительно изолированным бюгельным воском альвеолярным гребнем дублируют в огнеупорную массу. Огнеупорные модели размещают в металлической обойме из жаропрочного сплава, которая имеет специальные вырезы, размеры и форма которых позволяет разместить в ней модель верхней челюсти любого пациента.

На керамические модели сверху накладывают лист титанового сплава толщиной 1 мм. Листовая заготовка зажимается между двух половинок формы. Полуформы образуют герметичную камеру, разделенную листом на две части, каждая из которых имеет канал сообщения с газовой системой и может быть независимо друг от друга либо вакуумирована, либо заполнена инертным газом под некоторым давлением (рис.5).

Рис.5.

Загерметизированные полуформы нагревают и создают перепад давления. Под листом создают разряжение (вакуум) 0,7-7,0 Па. Лист титанового сплава прогибается в сторону вакуумированной полуформы и «вдувается» в расположенную в ней керамическую модель, облегая ее рельеф. В этот период давление выдерживают по определенной программе. По завершении этой программы полуформы охлаждают .

После этого давление в обеих полуформах выравнивают до нормы и извлекают заготовку из формы. Базисы требуемого профиля вырезают по контуру, например, лучом лазера, обтачивают кромку на абразивном круге, снимают окалину, нарезают ретенционные полосы абразивным диском в седловидной части базиса до середины альвеолярного отростка и электрополируют по разработанной методике.

Ограничитель пластмассы формируется на разных уровнях титанового базиса с небной и оральной поверхности ниже вершины альвеолярного гребня на 3-4 мм, методом химического фрезерования. Вдоль линии «А» также проводится химическое фрезерование для создания ретенционного участка при фиксации базисной пластмассы. Наличие пластмассы вдоль линии «А» необходимо для возможности дальнейшей коррекции клапанной зоны.

В клинике врач определяет центральное соотношение челюстей традиционными методами. Постановка зубов и примерка в полости рта не отличаются от аналогичных операций при изготовлении простых съёмных протезов. Далее в лаборатории воск заменяют на пластмассу и полируют. На этом изготовление съемного зубного протеза с титановым базисом закончено (рис.6).

Рис.6.

Для сверхпластического формования в России часто используется отечественная технология, отечественная установка (оригинальная Российская запатентованная установка и методика) и отечественные листовые заготовки отечественного сплава ВТ 14 .

Можно с уверенностью утверждать, что сверхпластическая формовка титановых сплавов имеет прекрасные перспективы для дальнейшего развития, т.к. сочетает высокую долговечность, биоинертность и эстетичность.

2.4.Компьютерное фрезерование (CAD/CAM)

CAD/CAM — это аббревиатура, которая расшифровывается как computer-aided design/drafting и computer-aided manufacturing, что дословно переводится как «компьютерная помощь в дизайне и производстве». По смыслу — это автоматизация производства и системы автоматизированного проектирования и разработки.

С развитием технологий, ортопедическая стоматология также прошла эволюция от времён бронзового человека, когда привязывались искусственные зубы золотой проволокой к соседним зубам, до современного человека, который использует технологию CAD/CAM. В момент появления CAD/CAM технология лишена всех недостатков, присущих технологиям литья, например, усадки, деформации, в том числе и при извлечении отлитых коронок, мостовидных протезов или их каркасов. Отсутствует опасность нарушения технологии, например, перегрева металла при литье или повторное использование литников, что приводит к изменению состава сплава. Отсутствует усадка каркаса после нанесения керамической облицовки, возможная деформация при снятии восковых колпачков с гипсовой модели, поры и раковины при литье, непролитые участки и т.д. Основным недостатком технологии CAD/CAM является высокая себестоимость, что не позволяет широко внедриться этой технологии в ортопедическую стоматологию. Хотя, справедливости ради стоит отметить, что практически с каждым годом появляются всё более и более дешёвые установки. Первоначальная технология CAD/CAM представляла собой компьютер с необходимым программным обеспечением, на котором производилось трёхмерное моделирование несъёмного протеза с последующим компьютерным фрезерованием с точностью до 0.8 микрон из цельного металлического или керамического блока. На рисунке 7 изображена современная CAD/CAM установка.

Рис.7.

С помощью CAD/CAM можно изготавливать:

• одиночные коронки и мостовидные протезы малой и большой протяженности;
• телескопические коронки;
• индивидуальные абатменты для имплантатов;
• воссоздать полную анатомическую форму для моделей пресс-керамики, наносимой на каркас (overpress);
• создать временные коронки в полный профиль и различные литьевые модели .

В настоящее время, если рассматривать CAD/CAM как установку для обработки титановых сплавов, то очень большое распространение (учитывая относительно небольшую себестоимость) получило изготовление индивидуальных абатментов. Внешний вид таких абатментов представлен на рисунке 8.

Рис.8.

Ниже приведен пример алгоритм работы зубного техника с применением CAD/CAM установки. Она достаточно универсальна. И если вести речь непосредственно о титане, то этот алгоритм будет примерно таким же.

Описание работы с применением современных CAD/CAM технологий:

Шаг 1: Слепок. Гипсовая модель. Получение слепка полости рта выполняется точно так же, как и при традиционных методиках зубопротезирования. С полученного слепка изготавливается гипсовая модель челюсти пациента.

Шаг 2: Сканирование. Главной целью этого шага является получение цифровых данных, на основе которых будут построены электронные трехмерные модели требуемых изделий (коронки, протезы, мосты и т.д.). Оцифрованные данные сохраняют в формате STL. Результатом сканирования и основой работы является трехмерная компьютерная геометрическая модель (в виде STL-файла) участка полости рта, на котором планируется установить зубной протез. Сканер компании Nobel показан на рисунке 9.

Рис.9.

Шаг 3: Трехмерное моделирование (3D). Полученный на шаге 2 STL-файл импортируют в CAD систему. Она предназначена для создания компьютерных моделей коронок, протезов, мостов и т.д. с последующей их передачей в CAM систему для программирования обработки на станке с ЧПУ. Система была разработана специально для техников, в ней используется соответствующая терминология и удобный интуитивный интерфейс. Программа ориентирована на неопытного в использовании CAD систем пользователя.

На этом шаге зубной техник должен выбрать из базы данных наиболее подходящий по форме зуб и доработать его средствами до нужной формы. Поставляемая база данных содержит модель коронок под каждый зуб. Для редактирования геометрии используется интуитивно понятные функции скульптурного моделирования. В процессе моделирования можно масштабировать компьютерную модель, чтобы в процессе спекания компенсировать усадку и получить коронку максимально точных размеров. Как пример на рисунке 10 показан интерфейс программы, на котором моделировали идивидуальный абатмент.

Рис.10.

Шаг 4: Программирование обработки. После проработки геометрии изделий в системе полученные данные передаются в CAМ систему. Она предназначена для программирования обработки изделий на станках с ЧПУ. В CAM-системе генерируются траектории обработки, которые посредством постпроцессора переводятся на понятный станку «язык» – в управляющую программу. Эта программа ориентирована на неопытных пользователей, не имеющих опыта работы с CAМ системами и программирования станков с ЧПУ.

Шаг 5: Обработка протезов на станке с ЧПУ. Полученные управляющие программы отправляют на станок с ЧПУ. Ниже на рисунке 11 показан пример процесса фрезеровки трёх абатментов под нанесение и двух балок для протезов .

Рис.11.

2.5.3D печать (CAD/CAM)

Благодаря дальнейшей эволюции CAD/CAM технологии, на смену компьютерному фрезерованию пришла технология 3D печати, которая позволила уменьшить себестоимость и дала возможность изготавливать объекты любой формы и сложности, которые невозможно было произвести до этого ни одной из существующих технологий. Например, благодаря 3D печати можно изготовить цельный полый объект с любой формой внутренней поверхности. Применительно к ортопедической стоматологии, можно изготовить полое тело протеза, что позволит, не уменьшая прочности конструкции, уменьшить его вес.

Кроме того, 3D принтеры в стоматологии гарантируют ускорение объемов производства и точность готовых изделий. 3D принтеры, как и компьютерные фрезеры (ЧПУ) избавляют зубных техников от очень затратного по времени процесса в работе - ручного моделирования протезов, коронок и других изделий. На рисунке 12 изображён 3D принтер X350pro немецкой компании RepRap .

Рис.12.

Технологии CAD в 3D печати ничем не отличается от технологии CAD при компьютерном фрезеровании, и подробно она описана в предыдущей главе.

Принцип процесса состоит в том, что производится нанесении слоя металлического порошка, имеющего микроскопическую толщину, на подложку. Затем происходит спекание, или точнее микросварка, лазером в вакууме микроскопических зёрен металла в необходимых участках слоя. Сварка – это процесс превращения порошка в цельный материал с использованием высокой температуры, но без расплавления самого материала. После этого наносится сверху ещё один слой порошка металла, и производится микросварка лазером микро зерен металла уже не только между собой, но и с нижним слоем.

Уникальную форму каждого зуба в точности сложно передать с помощью ручного изготовления. Однако стоматологические 3D принтеры делают ненужными сложные и устаревшие методы производства. Благодаря новейшим технологиям и самым современным материалам готовая продукция получается в несколько раз быстрее, чем раньше.

Преимущества 3D печати в зуботехнической сфере:

• возможность изготовления изделий с полыми внутренними участками, что невозможно сделать методом фрезерования;
• значительное ускорение производства нужных изделий;
• увеличение объемов производства без дополнительного персонала;
• возможность повторного использования материала после очистки, что сводит отходы производства практически к нулю.

2.6.Выводы по второй главе.

Из всего изложенного выше можно сделать определённые выводы. Титан был известен ещё с давних времён, но не находил применения в стоматологии по причине того, что долгое время не было технологий, для его обработки. С течением времени ситуация начала меняться и на сегодняшний день титан обрабатывают несколькими способами без ущерба эстетики конечных реставраций.

С момента прихода титана в стоматологию и по настоящее время появилось множество методов его обработки. Все они имеют как свои недостатки, так и свои достоинства. Такое разнообразие естественно является неоспоримым плюсом титана, так как каждая лаборатория, и каждый зубной техник в частности может выбрать для себя именно тот метод работы с титаном, который больше подходит в зависимости от поставленных задач.

Проведя анализ литературы, мы установили, что из всех существующих или известных методов обработки титана в стоматологии самым перспективным и лучшим методом является метод 3Д печати титаном, так как именно он обладает наибольшим количеством преимуществ и практически не имеет недостатков.

Заключение

Из всего разобранного выше материала можно сделать лишь один вывод: титан дал новые идеи и значительно ускорил многие операции. Несмотря на свою более чем скромную историю, титан стал лидирующим материалом в стоматологии. Титановые сплавы обладают практически всем необходимыми в ортопедической стоматологии качествами, а именно: биоэнертность, прочность, твёрдость, жёсткость, долговечность, коррозионную стойкость, малый удельный вес. Несмотря на множество незаменимых для стоматологии качеств, титан, тем не менее, можно обрабатывать множеством способов без потери качества готовых изделий. На сегодняшний день уже имеются все необходимые инструменты и оборудование для качественной обработки титановых сплавов.

Проанализировав все методы изготовления изделий из титана можно сделать вывод, что наиболее прогрессивным методом является 3D печать. По сравнению с другими методами он обладает рядом преимуществ, например, простота самого процесса. В отличие от штамповки титана, 3D печать имеет практически идеальную точность. Технология компьютерного фрезерования также обеспечивает высокую точность, но в отличии от 3D печати, не может воспроизводить полые внутренние части изделия. И к тому же 3D печать очень экономичной, так как практически лишена отходов производства, а оставшийся материал, использованный при печати, может быть повторно использован после очистки. Литьевой метод и метод пластической деформации требуют наличия сложного технологического оборудования. А точность изготовление изделий всё равно не может сравниться с 3D печатью.

В завершении можно сделать вывод, что именно метод 3D печати на сегодняшний день является наиболее перспективным, прогрессивным и экономически выгодным методом работы с изделиями из титановых сплавов в стоматологии.

Библиографический список

1. Журнал «Зубной техник». Титан – материал для современной стоматологии / Александр Модестов © ООО «Медицинская пресса» (№ 3 (38) 2003) 1997-2015 гг.
2. Ервандян, А.Г. CAD/CAM технологии в ортопедической стоматологии [Электронный ресурс] / Арутюн Гегамович Ервандян, 4.10.2015. – Режим доступа: https://www.. – Загл. с экрана.
3. Трезубов, В.Н. Ортопедическая стоматология. Прикладное материаловедение / В.Н. Трезубов, Л.М. Мишнев, Е.Н. Жулев. – М. : 2008. – 473 с.
4. sgma [Электронный ресурс] «CAD/CAM-технологии: хорошие новости для зуботехнических лабораторий» Режим доступа: свободный, 26.04.2008. http://sgma.ucoz.ru/publ/3-1-0-21 – Загл. с экрана
5. Миронова М.Л. «Съемные протезы: учебное пособие» – М.: «ГЭОТАР-Медиа» 2009.
6. Андрющенко И.А., Иванов Е.А., Красносельский И.А. «Новые сплавы для зубных протезов» // Актуальные вопросы ортопедической стоматологии. М., 1968.
7. Копейкин В.Н., Ефремова Л.А., Ильяшенко В.М. «Применение новых сплавов в клинике ортопедической стоматологии» // Актуальные вопросы ортопедической стоматологии,- М.,1968.
8. Болтон У. «Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты.» М.: издательский дом «Додэка-XXI»,2004.
9. Нурт Р.В. пер.с анг. под ред. Пахомова Г.Н. «Основы стоматологического материаловедения». «КМК-Инвест» 2004.
10. Титан [Электронный ресурс]. Режим доступа: свободный. http://chem100.ru/text.php?t=1926 — Загл. с экрана.

Титан и тантал – «компромиссные» металлы для медицины
Использование в медицине различных металлоизделий практикуется издревле. Сочетание таких полезных свойств металлов и их сплавов, как прочность, долговечность, гибкость, пластичность, упругость, не имеет альтернатив, в частности, при изготовлении ортопедических конструкций, медицинского инструментария, приспособлений для скорейшего сращивания переломов. А в последние десятилетия, благодаря открытию эффекта «памяти формы» и внедрению прочих инноваций металлы стали широко применяться также в сосудистой и нейрохирургии для изготовления шовного материала, сетчатых стентов для расширения вен и артерий, крупных эндопротезов, в офтальмологической и стоматологической имплантологии.

Однако далеко не все металлы пригодны для применения в медицинской сфере, и главными деструктивными причинами здесь выступают подверженность коррозии и вступление в реакцию с живыми тканями – факторы, имеющие разрушительные последствия, как для металла, так и для самого организма.

Конечно, вне конкуренции стоят золото и металлы платиновой группы (платина, иридий, осмий, палладий, родий и т.п.). Тем не менее, возможность использования драгметаллов для массового применения практически отсутствует ввиду их запредельно высокой стоимости, да и сочетание полезных свойств, востребованных в тех или иных конкретных клинических ситуациях, присуще благородным металлам далеко не всегда.

Значительное место в этой сфере по сегодняшний день занимают нержавеющие стали, легированные определенными добавками для получения требуемых характеристик. Но подобные металломатериалы, которые в сотни раз дешевле драгметаллов, недостаточно эффективно противостоят коррозии и другим агрессивным воздействиям, что значительно ограничивает возможность их применения для целого ряда медицинских нужд. Кроме того, препятствием для приживления изделий из нержавеющих сталей, имплантируемых внутрь организма, является их, конфликт с живыми тканями, обуславливающий высокий риск отторжения и других осложнений.

Своеобразным компромиссом между этими двумя полюсами являются такие металлы, как титан и тантал : прочные, ковкие, почти не подверженные коррозии, имеющие высокую температуру плавления, а главное – совершенно нейтральные в биологическом отношении, за счет чего воспринимаются организмом как собственная ткань и практически не вызывают отторжения. Что же касается стоимости, то у титана она не высока, хотя и значительно превосходит аналогичный параметр нержавеющих сталей . Тантал же, будучи достаточно редким металлом, более чем вдесятеро дороже титана, но все равно обходится намного дешевле в сравнении с драгоценными металлами. При сходстве большинства основных эксплуатационных свойств по некоторым из них он все же уступает титану, хотя по некоторым превосходит его, что, собственно, и обуславливает актуальность применения.

Именно в силу данных причин титан и тантал, нередко именуемые «медицинскими металлами», а также ряд их сплавов, получили широчайшее распространение во многих врачебных отраслях. Различаясь по ряду характеристик и, тем самым, взаимно дополняя друг друга, они раскрывают перед современной медициной воистину необъятные перспективы.

Ниже будет более подробно рассказано об уникальных характеристиках титана и тантала, основных сферах их использования в медицине, применении различных форм выпуска данных металлов для изготовления инструментов, ортопедического и хирургического оборудования.

Титан и тантал – определение, актуальные свойства

Титан для медицины

Титан (Ti) – легкий металл серебристого оттенка, внешне напоминающий сталь – является одним из химических элементов Периодической таблицы, размещенным в четвертой группе четвертого периода, атомный № 22 (рис. 1).

Рисунок 1. Титановый самородок.

Имеет атомную массу 47,88 при удельной плотности 4,52 г/см 3 . Температура плавления – 1669°С, температура кипения –3263 °С. В промышленных марках с высокой устойчивостью является четырехвалентным. Характеризуется хорошей пластичностью и ковкостью.

Будучи одновременно легким и обладая высокой механической прочностью, вдвое превышающей аналогичный показатель Fe и вшестеро – Al, титан также имеет низкий коэффициент теплового расширения, что позволяет применять его в широком температурном диапазоне.

Титан характеризуется низким показателем теплопроводности, вчетверо меньшим по сравнению с железом и более чем на порядок меньшем, чем у алюминия. Коэффициент терморасширения при 20°С относительно невелик, но увеличивается по мере дальнейшего нагревания.

Отличается данный материал и весьма высоким показателем удельного электросопротивления, который, в зависимости от наличия посторонних элементов, может варьироваться в диапазоне 42·11 -8 ...80·11 -6 Ом·см.

Титан относится к парамагнитным металлам, имея невысокий показатель электропроводности. И хотя у парамагнитных металлов магнитовосприимчивость, как правило, уменьшается по мере разогревания, титан в данном отношении можно отнести к разряду исключений, поскольку его магнитовосприимчивость, напротив, возрастает с увеличением температуры.

За счет суммы вышеперечисленных свойств титан совершенно незаменим в качестве исходного сырья для различных областей практической медицины и медицинского приборостроения. И все же самым ценным качеством титана для использования с этой целью является его высочайшая устойчивость к коррозионным воздействиям, и, как следствие, гипоаллергенность.

Своей коррозионной стойкостью титан обязан тому, что при температурах вплоть до 530-560 °С поверхность металла покрыта прочнейшей естественной защитной пленкой оксида TiO 2 , совершенно нейтральной по отношению к агрессивным химико-биологическим средам. В отношении устойчивости к коррозии титан сравним с платиной и металлами-платиноидами, и даже превосходит эти благородные металлы. В частности, он исключительно устойчив к воздействию кислото-щелочных сред, не растворяясь даже в столь агрессивном «коктейле», как царская водка. Достаточно отметить, что интенсивность коррозионного разрушения титана в морской воде, имеющей химсостав во многом сходный с человеческой лимфой, не превышает 0,00003 мм/год или 0,03 мм в течение тысячелетия!

Благодаря биологической инертности титановых конструкций к организму человека, при имплантации они не отторгаются и не провоцируют аллергических реакций, быстро обтягиваясь костно-мышечными тканями, структура которых остается постоянной на протяжении всей последующей жизни.

Существенным преимуществом титана является и его ценовая доступность, обуславливающая возможность массового применения.

Марки титана и титановые сплавы
Наиболее востребованными медициной марками титана являются технически чистые ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. В них почти не присутствуют примеси, количество которых столь незначительно, что колеблется в пределах нулевой погрешности. Так, в марке ВТ1-0 содержится около 99,35-99,75% чистого металла, а в марках ВТ1-00 и ВТ1-00св, соответственно, – 99,62-99,92% и 99,41-99,93%.

На сегодняшний день в медицине используется широкий спектр титановых сплавов, различных по своему химсоставу, и механотехнологическим параметрам. В качестве легирующих добавок в них чаще всего используются Та, Al, V, Mo, Mg, Cr, Si, Sn. К наиболее эффективным стабилизаторам можно причислить Zr, Au и металлы платиновой группы. При введении в титан до 12% Zr его коррозиестойкость увеличивается на порядки. Достичь же наибольшего эффекта удается при добавлении в титан небольшого количества Pt и платиноидов Pd, Rh, Ru. Введение в Ti лишь 0,25% данных элементов позволяет на десятки порядков уменьшить активность его взаимодействия с кипящими концентрированными H 2 SO 4 и HCl.

Широкое распространение в имплантологии, ортопедии и хирургии получил сплав Ti-6Al-4V, значительно превосходящий по эксплуатационным параметрам «конкурентов» на базисе кобальта и нержавеющих сталей. В частности, модуль упругости у титановых сплавов в два раза ниже. Для медицинского применения (имплантаты для остеосинтеза, эндопротезы суставов и т.д.) это является большим преимуществом, так как обеспечивает более высокую механосовместимость имплантата с плотными костными структурами организма, у которых модуль упругости составляет 5¸20 Гпа. Еще более низкими показателями в этом отношении (до 40 ГПа и ниже) характеризуются титано-ниобиевые сплавы, разработка и внедрение которых особенно актуальны. Однако прогресс не стоит на месте, и сегодня на смену традиционному Ti-6Al-4V приходят новые медицинские сплавы Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb-13Zr и Ti-12Mo-6Zr, не содержащие алюминия и ванадия – элементов, оказывающих хотя и незначительное, но все же токсичное воздействие на живые ткани.

В последнее время все более востребованными для медицинских нужд становятся биомеханически совместимые имплантаты, материалом для изготовления которых служит никелид титана TiNi. Причиной роста популярности данного сплава является присущий ему т. наз. эффект запоминания формы (ЭЗФ). Его сущность состоит в том, что контрольный образец, будучи деформированным при пониженных температурах, способен постоянно сохранять вновь обретенные очертания, а при последующем нагревании – восстанавливать изначальную конфигурацию, демонстрируя при этом сверхупругость. Никелид-титановые конструкции незаменимы, в частности, при лечении позвоночных травм и дистрофии опорно-двигательного аппарата.

Тантал для медицины

Определение и полезные характеристики
Тантал (Ta, лат. Tantalum) – тяжелый тугоплавкий металл серебристо-голубоватого «свинцового» оттенка, которому обязан покрывающей его пленке пентаоксида Ta 2 O 5 . Является одним из химических элементов Периодической таблицы, размещенным в побочной подгруппе пятой группы шестого периода, атомный № 73 (рис. 2).

Рисунок 2. Кристаллы тантала.

Тантал имеет атомную массу 180,94 при высокой удельной плотности 16,65 г/см 3 при 20 °C (для сравнения: удельная плотность Fe – 7,87 г/см 3 , Рв – 11,34 г/см 3). Температура плавления – 3017 °С (более тугоплавкими являются только W и Re). 1669°С, температура кипения – 5458 °С. Тантал характеризуется свойством парамагнитности: его удельная магнитовосприимчивость при комнатной температуре составляет 0,849·10 -6 .

Данный конструкционный материал, сочетая в себе высокие показатели твердости и пластичности, в чистом виде хорошо поддается механообработке любыми способами (штамповка, прокатка, ковка, протяжка, скручивание, резание, и т. д.). При низких температурах обрабатывается без сильного наклепа, подвергаясь деформационным воздействиям (ст. сжатия 98,8%) и не нуждаясь при этом в предварительном обжиге. Тантал не утрачивает пластичности даже в случае его заморозки до –198 °C.

Значение модуля упругости тантала составляет 190 Гн/м 2 или 190·102 кгс/мм 2 при 25 °С, благодаря чему он легко перерабатывается в проволоку. Осуществляется также выпуск тончайшего танталового листа (толщина примерно 0,039 мм) и других конструкционных полуфабрикатов.

Своеобразным «двойником» Та является Nb, характеризуемый множеством схожих свойств.

Тантал отличает исключительная стойкость к агрессивным средам. Это является одним из ценнейших его свойств для применения во множестве отраслей, включая медицинскую. Он устойчив к воздействию таких неорганических агрессивных кислот, как HNO 3 , H 2 SO 4 , HCl, H 3 PO 4 , а также органических кислот любых концентраций. По данному параметру его превосходят лишь благородные металлы, да и то не во всех случаях. Так, Та, в отличие от Au, Pt и многих других драгметаллов, «игнорирует» даже царскую водку HNO 3 +3HCl. Несколько меньшая устойчивость тантала наблюдается по отношению к щелочам.

Высокая коррозиестойкость Та проявляется и по отношению к атмосферному кислороду. Процесс окисления начинается только при 285 °С: на металле формируется поверхностная защитная плёнка пентаоксида тантала Ta 2 O 5 . Именно наличие пленки из этого единственно стабильного из всех окислов Та делает металл невосприимчивым к агрессивным реагентам. Отсюда – такая особенно ценная для медицины характеристика тантала, как высокая биосовместимость с организмом человека, воспринимающим вживляемые в него танталовые конструкции как собственную ткань, без отторжения. На этом ценнейшем качестве основано медицинское использование Та в таких сферах, как восстановительная хирургия, ортопедия, имплантология.

Тантал входит в число редких металлов: его запасы в земной коре составляют примерно 0,0002%. Это обуславливает высокую стоимость данного конструкционного материала. Вот почему столь распространено применение тантала в виде наносимых на основной металл тонких пленок защитных антикоррозийных покрытий, имеющих, кстати, в три-четыре раза большую твердость, чем чистый отожженный тантал.

Еще чаще тантал используется в виде сплавов как легирующую добавку в менее дорогостоящие металлы для придания получаемым соединениям комплекса необходимых физико-механических и химсвойств. Стальные, титановые и другие металлические сплавы с добавлением тантала широко востребованы в химико-медицинском приборостроении. Из них, в частности, практикуют изготовление змеевиков, дистилляторов, аэраторов, рентгеновской аппаратуры, устройств контроля и т.д. В медицине тантал и его соединения применяют также с целью изготовления оборудования для операционных.

Примечательно, что в ряде областей тантал, как менее дорогостоящий, но имеющий множество адекватных эксплуатационных характеристик, способен успешно заменять драгметаллы платиноиридиевой группы.

Марки тантала и его сплавы
Основными марками нелегированного титана с содержанием примесей в пределах статистической погрешности являются:

• ТВЧ: Ta - 99,9%, (Nb) - 0,2%. Прочие примеси, такие как (Ti), (Al), (Co), (Ni), содержатся в тысячных и десятитысячных долях процента.
• ТВЧ 1: Химический состав указанной марки на 99,9% состоит из Ta. Ниобию (Nb), который всегда присутствует в промышленном тантале, соответствует всего 0,03%.
• ТЧ: Та – 99,8%. Примеси (не более %): Nb - 0,1%, Fe - 0,005%, Ti, H - по 0,001%, Si - 0,003%, W+Mo, O - по 0,015%, Co - 0,0001%, Ca - 0,002%, Na, Mg, Mn - по 0,0003%, Ni, Zr, Sn - по 0,0005%, Al - 0,0008%, Cu, Cr - по 0,0006%, C, N - по 0,01%.
• Т: Та – 99,37%, Nb – 0,5%, W – 0,05%, Mo – 0,03%, (Fe) - 0,03%; (Ti) - 0,01%, (Si) - 0,005%.

Высокие показатели твердости Ta позволяют изготавливать на его основе конструкционные твердые сплавы, например, Ta с W (ТВ). Замена сплава TiС танталовым аналогом TaС существенно оптимизирует механические характеристики конструкционного материала и расширяет возможности его применения.

Актуальность применения Та в медицинских целях
На медицинские нужды расходуется примерно 5% производимого в мире тантала. Несмотря на это, значимость его использования в данной отрасли трудно переоценить.

Как уже отмечалось, тантал является одним из лучших металлических биоинертных материалов благодаря самообразующейся на его поверхности тончайшей, но очень прочной и химически стойкой пленки пентаоксида Та 2 О 5 . Благодаря высоким показателям адгезии, облегчающей и ускоряющей процесс сращивания имплантата с живой тканью, наблюдается низкий процент отторжения танталовых имплантатов и отсутствие воспалительных реакций.

Из таких танталовых полуфабрикатов, как лист, пруток, проволока и прочие формы выпуска, изготавливают конструкции, востребованные в пластической, кардио-, нейро- и остеохирургии для наложения швов, сращивания костных обломков, стентирования и клипирования сосудов (рис. 3).

Рисунок 3. Танталовая крепежная конструкция в плечевом суставе.

Применение тонких танталовых пластинчатых и сетчатых конструкций практикуется в челюстно-лицевой хирургии и для лечения черепно-мозговых травм. Волокнами танталовой пряжи замещают ткань мышц и сухожилий. С помощью тантала Хирурги используют танталовое волокно при полостных операциях, в частности, с целью укрепления стенок брюшной полости. Танталовые сетки незаменимы в сфере офтальмопротезирования. Тончайшие танталовые нити используют даже для регенерации нервных стволов.

И, конечно, Та и его соединения, наряду с Ti, повсеместно применяют в ортопедии и имплантологии для изготовления суставных эндопротезов и стоматологического протезирования.

С начала нового тысячелетия обретает все более широкую популярность инновационная сфера медицины, в основу которой заложен принцип использования статических электрополей для активизации в человеческом организме желательных биопроцессов. Научно доказано наличие высоких электретных свойств покрытия из пентаоксида тантала Та 2 О 5 . Титанооксидные электретные пленки ужа получили распространение в сосудистой хирургии, эндопротезировании, создании медицинских инструментов и приборов.

Практическое применение титана и тантала в конкретных отраслях медицины

Травматология: конструкции для сращивания переломов

В настоящее время для скорейшего сращивания переломов все чаще применяют такую инновационную технологию, как металлический остеосинтез. С целью обеспечить стабильное положение костных осколков используют различные фиксирующие конструкции, как наружные, так и внутренние, имплантируемые в тело. Однако применяемые ранее стальные изделия показывают невысокую эффективность ввиду их подверженности коррозии под воздействием агрессивной среды организма и явления гальванизации. В результате наступает как быстрое разрушение самих фиксаторов, так и реакция отторжения, вызывающая воспалительные процессы на фоне сильных болевых ощущений вследствие активного взаимодействия ионов Fe с физиологической средой костно-мышечных тканей в электрическом поле организма.

Избежать нежелательных последствий позволяет изготовление титановых и танталовых фиксаторов-имплантатов, обладающих свойством биосовместимости с живыми тканями (рис. 4).

Рисунок 4. Титановые и танталовые конструкции для остеосинтеза.

Подобные конструкции простых и сложных конфигураций могут быть использованы для продолжительного или даже постоянного внедрения в организм человека. Это особенно важно для пожилых пациентов, поскольку избавляет их от необходимости операции по удалению фиксатора.

Эндопротезирование

Искусственные механизмы, имплантируемые хирургическим путем в костную ткань, называются эндопротезами. Наибольшее распространение получило эндопротезирование суставов – тазобедренного, плечевого, локтевого, коленного, голеностопного и т.д. Процесс эндопротезирования всегда представляет собой сложную операцию, когда часть не подлежащего естественному восстановлению сустава удаляется с последующей ее заменой на имплантат-эндопротез.

К металлическим компонентам эндопротезов предъявляется ряд серьезных требований. Они должны одновременно обладать свойствами жесткости, прочности, эластичности, возможностью создания необходимой поверхностной структуры, стойкостью к коррозионным воздействиям со стороны организма, исключающей риск отторжения, другими полезными качествами.

Для изготовления эндопротезов могут быть использованы различные биоинертные металлы. Ведущее место среди них занимают титан, тантал и их сплавы. Эти долговечные, прочные и удобные в обработке материалы обеспечивают эффективную остеоинтеграцию (воспринимаются костной тканью как естественные ткани организма и не вызывают с его стороны негативных реакций) и быстрое срастание костей, гарантируя стабильность протеза на длительные сроки, исчисляемые десятилетиями. На рис. 5 представлено применение титана в артропластике бедра.

Рисунок 5. Титановый эндопротез тазобедренного сустава.

При эндопротезировании как альтернативу использованию цельнометаллических конструкций широко используют метод плазменного напыления на поверхность неметаллических компонентов протеза защитных биосовместимых покрытий на основе оксидов Ti и Та.

Чистый титан и его сплавы. В сфере эндопротезирования находят широкое применение как чистый Ti (напр. CP-Ti с содержанием Ti 98,2-99,7 %), так и его сплавы. Наиболее распространенный из них Ti-6AI-4V при высоких показателях прочности, характеризуется коррозиестойкостью и биологической инертностью. Сплав Ti-6A1-4V отличается особенно высокой механопрочностью, имея торсионно-аксиальные характеристики, предельно близкие к аналогичным параметрам кости.

К настоящему времени разработан целый ряд современных титановых сплавов. Так, в химическом составе сплавав Ti-5AI-2,5Fe и Ti-6AI-17 Niobium не содержится токсичный V, кроме того, они отличаются низким значением модуля упругости. А сплаву Ti-Ta30 присуще наличие модуля терморасширения, сопоставимого с аналогичным показателем металлокерамики, что обуславливает его устойчивость при длительном взаимодействии с металлокерамическими компонентами имплантата.

Тантало-циркониевые сплавы. В сплавах Та+Zr совмещаются такие важнейшие для эндопротезирования свойства, как биосовместимость с тканями организма на основе коррозионной и гальванической стойкости, поверхностная жесткость и трабекулярная (пористая) структура металлической поверхности. Именно благодаря свойству трабекулярности возможно значительное ускорение процесса остеоинтеграции – наращивания на металлической поверхности имплантата живой костной ткани.

Эластичные эндопротезы из проволочной титановой сетки. Благодаря высокой пластичности и легкости в современной восстановительной хирургии, других медицинских отраслях активно используются инновационные эластичные эндопротезы в виде тончайшей проволочной титановой сетки-«паутины». Упругая, прочная, эластичная, долговечная и сохраняющая свойство биоинертности, сетка является идеальным материалом для эндопротезов мягких тканей (рис. 6).

Рисунок 6. Сетчатый эндопротез из титанового сплава для пластики мягких тканей.

«Паутину» уже успешно опробовали в таких сферах, как гинекология, челюстно-лицевая хирургия и травматология. По мнению специалистов, сетчатые титановые эндопротезы не знают себе равных в плане стабильности при практически нулевом риске побочных проявлений.

Титано-никелевые медицинские сплавы с эффектом запоминания формы

Сегодня в различных сферах медицины находят широкое распространение сплавы из никелида титана, имеющие т. наз. с эффект запоминания формы (ЭЗФ). Данный материал применяют для эндопротезирования связочно-хрящевой ткани опорно-двигательного аппарата человека.

Никелид титана (международный термин нитинол) представляет собой интерметаллид TiNi, который получают путем сплавления в равных пропорциях Ti и Ni. Важнейшей характеристикой никелид-титановых сплавов является свойство сверхупругости, на котором и базируется ЭЗФ.

Сущность эффекта состоит в том, что образец при охлаждении в определенном диапазоне температур легко деформируется, причем деформация самоустраняется при повышении температуры до первоначального значения с возникновением сверхупругих свойств. Другими словами, если пластину из сплава нитинол изогнуть при пониженной температуре, то в этом же температурном режиме она будет сохранять свою новую форму сколь угодно долго. Однако стоит лишь повысить температуру до исходной, пластина вновь выпрямится подобно пружине и обретет первоначальную форму.

Образцы продукции медицинского назначения из сплава нитинол показаны на представленных ниже рис. 7, 8, 9, 10.

Рисунок 7. Набор имплантатов из никелида титана для травматологии (в виде скоб, скреп, фиксаторов и т.д.).

Рисунок 8. Набор имплантатов из никелида титана для хирургии (в виде зажимов, дилататоров, хирургического инструментария).

Рисунок 9. Образцы пористых материалов и имплантатов из никелида титана для вертебрологии (в виде эндопротезов, изделий пластинчатой и цилиндрической конфигурации).

Рисунок 10. Материалы и эндопротезы из никелида титана для челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

Помимо этого, никелид-титановые сплавы, как и большинство изделий на титановой основе, биоинертны вследствие высокой коррозие- и гальваностойкости. Таким образом, это идеальный по отношению к организму человека материал для изготовления биомеханически совместимых имплантатов (БМСИ).

Применение Ti и Та для изготовления сосудистых стентов

Стентами (от англ. stent) - в медицине называют специальные, имеющие вид упругих сетчатых цилиндрических каркасов, металлоконструкции, помещаемые внутрь крупных сосудов (вен и артерий), а также прочих полых органов (пищевод, кишечник, желче- мочевыводящие протоки и др.) на патологически суженных участках с целью их расширения до необходимых параметров и восстановления проходимости.

Наиболее востребовано применение метода стентирования в такой сфере, как сосудистая хирургия, и, в частности, коронарная ангиопластика (рис. 11).

Рисунок 11. Образцы титановых и танталовых сосудистых стентов.

На сегодняшний день научно разработаны и внедрены в реальную практику сосудистые стенты более чем полутысячи различных типов и конструкций. Они различаются между собой по составу исходного сплава, длине, конфигурации отверстий, виду поверхностного покрытия, другим рабочим параметрам.

Требования, предъявляемые к сосудистым стентам, призваны обеспечить их безупречную функциональность, а потому многообразны и весьма высоки.

Данные изделия должны быть:

• биосовместимыми с тканями организма;
• гибкими;
• эластичными;
• прочными;
• рентгеноконстрастыми и т.д.

Основными материалами, используемыми сегодня при изготовлении металлостентов являются композиции благородных металлов, а также Та, Ti и его сплавы (ВТ6С, ВТ8, ВТ 14, ВТ23, нитинол), полностью биоинтегрируемые с тканями организма и сочетающие в себе комплекс всех прочих необходимых физико-механических свойств.

Сшивание костей, сосудов и нервных волокон

Периферические нервные стволы, поврежденные в результате различных механических травм или осложнений тех или иных заболеваний, нуждаются для восстановления в серьезном хирургическом вмешательстве. Положение усугубляется тем, что обычно подобные патологии наблюдаются на фоне травмирования сопутствующих органов, таких, как кости, сосуды, мышцы, сухожилия и др. В этом случае разрабатывается комплексная программа лечения с наложением специфических швов. В качестве же исходного сырья для изготовления шовного материала – нитей, скреп, фиксаторов и т.д. – используются титан, тантал и их сплавы, как металлы, обладающие химической биосовместимостью и всем комплексом необходимых физикомеханических свойств.

На представленных ниже рисунках изображены примеры подобных операций.

Рисунок 12. Сшивание кости титановыми скрепами.

Рисунок 13. Сшивание пучка нервных волокон с применением тончайших танталовых нитей.

Рисунок 14. Сшивание сосудов с применением танталовых скрепок.

В настоящее время разрабатываются все более совершенные технологии нейро- остео- и вазопластики, однако применяемые для этого титано-танталовые материалы продолжают удерживать пальму первенства перед всеми прочими.

Пластическая хирургия

Пластической хирургией называют устранение хирургическим путем дефектов органов с целью воссоздания их идеальных анатомических пропорций. Часто при этом подобные реконструкции выполняются с использованием имплантируемых в ткани различных металлических изделий в виде пластин, сеток, пружин и т.д.

Особенно показательна в данном отношении краниопластика – операция по исправлению деформации черепа. В зависимости от показаний в каждой конкретной клинической ситуации краниопластика может выполняться посредством наложения на оперируемый участок жестких титановых пластин или эластичных сеток из тантала. В обоих случаях допускается применение как чистых металлов без легирующих добавок, так и их биоинертных сплавов. Примеры краниопластики с применением титановой пластины и танталовой сетки представлены на приведенных ниже рисунках.

Рисунок 15. Краниопластика с использованием титановой пластины.

Рисунок 16. Краниопластика с применением танталовой сетки.

Титано-танталовые конструкции могут применяться также при косметическом восстановлении лица, груди, ягодиц и многих других органов.

Нейрохирургия (наложение микроклипсов)

Клипированием (англ. clip зажим) называется нейрохирургическая операция на сосудах головного мозга, имеющая целью остановить кровотечение (в частности, при разрыве аневризмы) либо выключить из кровообращения травмированные мелкие сосуды. Сущность метода клипирования заключается в том, что на поврежденные участки накладываются миниатюрные металлические зажимы - клипсы.

Востребованность метода клипирования, прежде всего, в нейрохирургической сфере объясняется невозможность перевязывания мелких мозговых сосудов традиционными способами.

В связи с разнообразием и спецификой возникающих клинических ситуаций, в нейрохирургической практике используется обширная номенклатура сосудистых клипсов, различающихся по конкретному назначению, способу фиксации, размерным и другим функциональным параметрам (рис. 17).

Рисунок 17. Клипсы для выключения аневризм головного мозга.

На фотографиях клипсы кажутся крупными, на самом же деле по размерам они не больше ноготка ребенка и устанавливаются под микроскопом (рис. 18).

Рисунок 18. Операция по клипированию аневризмы сосуда головного мозга.

Для изготовления клипсов, как правило, используют плоскую проволоку из чистого титана или тантала, в некоторых случаях из серебра. Такие изделия абсолютно инертны по отношению к мозговому веществу, не вызывая реакций противодействия.

Стоматологическая ортопедия

Широкое медицинское применение титан, тантал и их сплавы нашли в стоматологии, а именно в сфере протезирования зубов.

Ротовая полость – особенно агрессивная среда, негативно воздействующая на металлические материалы. Даже такие традиционно используемые при дентальном протезировании драгметаллы, такие как золото и платина, в ротовой полости не могут совершенно противостоять коррозии и последующему отторжению, не говоря уже о высокой стоимости и большой массе, вызывающей дискомфорт у пациентов. С другой стороны, легкие ортопедические конструкции из акриловой пластмассы также не выдерживают серьезной критики в силу своей недолговечности. Подлинной революцией в стоматологии стало изготовление отдельных коронок, а также мостовидных и съемных протезов на базисе титана и тантала. Данные металлы, ввиду таких присущих им ценных качеств, как биологическая инертность и высокая прочность при относительной дешевизне успешно конкурируют с золотом и платиной, а по ряду параметров даже превосходят их.

Большой популярностью, в частности, пользуются штампованные и цельнолитые титановые коронки (рис. 19). А коронки с плазменным напылением из нитрида титана TiN по внешнему виду и функциональным свойствам практически неотличимы от золотых (рис. 19)

Рисунок 19. Цельнолитая титановая коронка и коронка с напылением из нитрида титана.

Что же касается протезов, то они могут быть несъемными (мостовидными) для восстановления нескольких рядом стоящих зубов или съемными, используемыми при утрате всего зубного ряда (полная адентия челюсти). Наиболее распространенные протезы – бюгельные (от нем. der Bogen «дуга»).

Бюгельный протез выгодно отличает наличие металлического каркаса, на котором крепится базисная часть (рис. 20).

Рисунок 20. Бюгельный протез нижней челюсти.

Сегодня бюгельная часть протеза и кламмеры выполняются, как правило, из чистого медицинского титана высокой чистоты марки ТВЧ.

Подлинной революцией в стоматологии явилась становящаяся все более востребованной технология имплантационного зубного протезирования. Протезирование на имплантатах – самый надежный способ крепления ортопедических конструкций, которые в этом случае служат десятилетиями или даже пожизненно.

Дентальный (зубной) имплантат – служащая опорой для коронок, а также мостовидных и съемных протезов двусоставная конструкция, базовая часть которой (собственно имплантат) представляет собой конусный штифт с резьбой, ввинчиваемый непосредственно в кость челюсти. На верхнюю платформу имплантата устанавливается абатмент, служащий для фиксации коронки или протеза (рис. 21).

Рисунок 21. Зубной имплантат Nobel Biocare из чистого медицинского титана класса 4(G4Ti).

Чаще всего для изготовления винтовой части имплантата служит чистый медицинский титан с поверхностным тантал-ниобиевым напылением, способствующим активизации процесса остеоинтеграции – сращивания металла с живыми костными и десневыми тканями.

Однако некоторые производители предпочитают изготавливать не двусоставные, а цельные имплантаты, в которых винтовая часть и абатмент имеют не раздельную, а монолитную структуру. При этом, например, немецкая компания Zimmer производит цельные имплантаты из пористого тантала, который, в сравнении с титаном, обладает большей гибкостью и внедряется в ткань кости с практически нулевым риском осложнений (рис. 22).

Рисунок 22. Цельные зубные имплантаты Zimmer из пористого тантала.

Тантал, в отличие от титана – более тяжелый металл, поэтому пористая структура существенно облегчает изделие, не вызывая, к тому же, необходимости в дополнительном внешнем напылении остеоинтегрирующего покрытия.

Примеры имплантационного протезирования отдельных зубов (коронки) и путем установки на имплантаты съемных протезов показаны на рис. 23.

Рисунок 23. Примеры применения титано-танталовых имплантатов в зубном протезировании.

Ныне, в добавление к уже существующим, разрабатываются все новые методики протезирования на имплантатах, показывающие высокую эффективность в различных клинических ситуациях.

Изготовление медицинского инструментария

Сегодня в мировой клинической практике используется сотни разновидностей различных хирургических и эндоскопических инструментов и медицинской аппаратуры, изготавливаемых с применением титана и тантала (ГОСТ 19126-79 «Инструменты медицинские металлические. Общие технические условия». Они выгодно отличаются от прочих аналогов по показателям прочности, пластичности и коррозиестойкости, обуславливающей биологическую инертность.

Титановые мединструменты по легкости почти вдвое превосходят стальные аналоги, являясь при этом более удобными и долговечными.

Рисунок 24. Хирургические инструменты, изготовленные на титано-танталовой основе.

Основными медицинскими отраслями, в которых более всего востребован титаново-танталовый инструментарий, являются офтальмологическая, стоматологическая, отоларингологическая и хирургическая. В составе обширной номенклатуры инструментов представлены сотни наименований шпателей, клипсов, расширителей, зеркал, зажимов, ножниц, щипцов, скальпелей, стерилизаторов, тубусов, долот, пинцетов, всевозможных пластин.

Биохимические и физикомеханические характеристики легких титановых инструментов имеют особую ценность для военно-полевой хирургии и различных экспедиций. Здесь они совершенно незаменимы, поскольку в экстремальных условиях буквально каждые 5-10 граммов лишнего груза являются существенной обузой, а устойчивость к коррозии и максимум надежности – обязательные требования.

Титан, тантал и их сплавы в виде монолитных изделий или тонких защитных покрытий активно применяют в медицинском приборостроении. Их используют при изготовлении дистилляторов, насосов для перекачки агрессивных сред, стерилизаторов, компонентов наркозо-дыхательной аппаратуры, сложнейших устройств для дублирования работы жизненно важных органов типа «искусственное сердце», «искусственное легкое», «искусственная почка» и др.

Титановые головки аппаратов для УЗИ имеют самый продолжительный эксплуатационный ресурс, при том, что аналоги из прочих материалов даже при нерегулярном воздействии ультразвуковых колебаний быстро приходят в негодность.

В дополнение к выше сказанному можно отметить, что титан, как и тантал, в отличие от многих других металлов, имеют способность к десорбированию («отталкиванию») излучения радиоактивных изотопов, в связи с чем активно применяются в производстве различных защитных устройств и радиологической аппаратуры.

Заключение

Разработка и производство изделий медицинского назначения – одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений научно-технического прогресса. С началом третьего тысячелетия медицинская наука и техника вошли в число основных движущих сил современной мировой цивилизации.

Значение металлов в человеческой жизнедеятельности неуклонно возрастает. Революционные изменения происходят на фоне интенсивного развития научного материаловедения и практической металлургии. И вот уже в последние десятилетия «на щит истории» подняты такие промышленные металлы, как титан и тантал, которые со всеми на то основаниями можно назвать конструкционными материалами нового тысячелетия.

Значение титана в современном врачевании просто невозможно переоценить. Несмотря на относительно непродолжительную историю использования в практических целях, он стал одним из лидирующих материалов во множестве медицинских отраслей. Титан и его сплавы обладают для этого суммой всех необходимых характеристик: коррозиестойкостью (и, как следствие, биоинертностью), а также легкостью, прочностью, твёрдостью, жёсткостью, долговечностью, гальванической нейтральностью и т.д.

Не уступает титану в плане практической значимости и тантал. При общем сходстве большинства полезных свойств по некоторым качествам они уступают, а по некоторым – превосходят друг друга. Вот почему трудно, да и вряд ли разумно объективно судить о приоритетности какого-то одного из этих металлов для медицины: они, скорее, органично дополняют друг друга, чем конфликтуют между собой. Достаточно отметить, что ныне активно разрабатываются и находят реальное применение медицинские конструкции на основе титано-танталовых сплавов, объединяющих в себе все преимущества Ti и Та. И далеко не случайно в последние годы предпринимаются все более успешные попытки создания имплантируемых непосредственно в организм человека полноценных искусственных органов из титана, тантала и их соединений. Близится время, когда, скажем, понятия «титановое сердце» или «танталовые нервы» уверенно перейдут из разряда фигур речи в сугубо практическую плоскость.