Переважні марки титану у стоматології. біологічна індиферентність та антикорозійна стійкість до впливу кислот та лугів у невеликих концентраціях

Сплави титануволодіють високими технологічними та фізико-механічними властивостями, а також токсикологічною інертністю. Титан марки ВТ-100 листовий використовується для коронок штампованих (товщина 0,14-0,28 мм), штампованих базисів (0,35-0,4 мм) знімних протезів, каркасів титанокерамічних протезів, імплантатів різних конструкцій. Для імплантації застосовується титан ВТ-6.

Для створення литих коронок, мостоподібних протезів, каркасів дугових (бюгельних), шинуючих протезів, литих металевих базисів застосовується. ливарний титан ВТ-5Л. Температура плавлення титанового сплаву становить 1640°.

У зарубіжній спеціальній літературі існує думка, за якою титан та його сплавивиступають альтернативою золоту. При контакті з повітрям титан утворює інертний тонкий шар оксиду. До інших достоїнств відносяться низька теплопровідність і здатність з'єднуватися з композиційними цементами і фарфором. Недоліком є ​​труднощі отримання виливки (чистий титан плавиться при 1668° З легко реагує з традиційними формувальними масами і киснем). Отже, він повинен відливатись і спаюватись у спеціальних приладах у безкисневому середовищі. Розробляються метали титану з нікелем, які можна відливати традиційним способом (такий метал виділяє дуже мало іонів нікелю і добре з'єднується з порцеляною). Нові методи створення незнімних протезів (насамперед коронок та мостоподібних протезів) за технологією CAD/CAM (комп'ютерне моделювання/комп'ютерне фрезерування) відразу усуває всі проблеми лиття. Певних успіхів досягнуто й вітчизняні вчені.

Знімні зубні протези з тонколистовими титановими базисами товщиною 0,3-0,7 мм мають такі основні переваги перед протезами з базисами з інших матеріалів:

Абсолютну інертність до тканин ротової порожнини, що повністю виключає можливість алергічної реакції на нікель і хром, що входять до складу металевих базисів з інших сплавів; - повна відсутність токсичного, термоізолюючого та алергічного впливу, властивого пластмасовим базисам; - малу товщину та масу при достатній жорсткості базису завдяки високій питомій міцності титану; - високу точністьвідтворення найдрібніших деталей рельєфу протезного ложа, недосяжну для пластмасових та литих базисів з інших металів; - суттєве полегшення у звиканні пацієнта до протезу; - збереження гарної дикції та сприйняття смаку їжі.

Застосування в стоматології отримали пористий титан, а також нікелід титану, що має пам'ять форми як матеріали для імплантатів. Був період, коли в стоматології набуло поширення покриття металевих протезів нітридом титану, що надає золотистий відтінок сталі та КХС та ізолює, на думку авторів методу, лінію паяння. Однак ця методика не набула широкого застосування з наступних причин:

1) покриття нітрид-титаном незнімних протезів базується на старій технології, тобто штампування та паяння;

2) при застосуванні протезів із нітрид-титановим покриттям використовується стара технологія протезів, таким чином, кваліфікація стоматологів-ортопедів не підвищується, а залишається на рівні 50-х років;

3) протези з нітрид-титановим покриттям неестетичні та розраховані на поганий смак деякої частини населення. Наше завдання – не підкреслювати дефект зубного ряду, а приховувати його. І з цього погляду ці протези неприйнятні. Золоті метали теж мають недоліки естетичного характеру. Але прихильність ортопедів-стоматологів до золотих сплавів пояснюється не їх кольором, а технологічністю та великою стійкістю до дії ротової рідини;

4) клінічні спостереженняпоказали, що нітрид-титанове покриття злущується, інакше кажучи, це покриття має ту ж долю, що й інші біметали;

5) слід на увазі, що інтелектуальний рівень наших пацієнтів значно зріс, а разом з цим підвищилися вимоги до зовнішнього вигляду протезу. Це йде врозріз зі спробами деяких ортопедів знайти сурогат золотого сплаву;

6) причини появи пропозиції - покриття незнімних протезів нітрид-титаном - полягають, з одного боку, у відсталості матеріально-технічної бази ортопедичної стоматології, з другого - у недостатньому рівні професійної культури деяких лікарів-стоматологів.

До цього можна додати велику кількість токсико- алергічних реакційорганізму пацієнтів на нітрид-титанове покриття незнімних протезів

Численні фундаментальні та прикладні дослідження заявляють, що найкращим матеріаломвиготовлення дентальних імплантатів є титан.

У Росії для виробництва різних конструкцій використовується технічно чистий титан марок BT 1-0 і BT 1-00 (ГОСТ 19807-91), а за кордоном застосовують так званий комерційно чистий титан, який ділять на 4 марки (Grade 1-4 ASTM , ISO). Також застосовується титановий сплав Ti-6Al-4V (ASTM, ISO), що є аналогом вітчизняного сплаву BT-6. Всі ці речовини різні за хімічним складом та механічними властивостями.

Титан марки Grade 1,2,3 – немає у стоматології, т.к. надто м'який.

Переваги чистого титану марки Grade 4 (CP4)

• Найкраща біологічна сумісність
• Відсутність у складі токсичного ванадію (V)
• Найкраща стійкість до корозії
• 100% відсутність алергічних рекацій

За даними дослідження наукових статей, методичних та презентаційних публікацій зарубіжних компаній, стандартів ASTM, ISO, ГОСТ є порівняльні таблицівластивостей та складу титану різних марок.

Таблиця 1. Хімічний склад титану за ISO 5832/II та ASTM F 67-89.

** Дані ISO та ASTM збігаються в багатьох пунктах, при їх розбіжності показники ASTM наведені в дужках.

Таблиця 2. Механічні властивості титану за ISO 5832/II та ASTM F 67-89.

Таблиця 3. Хімічний склад титанових сплавів за ГОСТ 19807-91.

* У титані марки ВТ 1-00 допускається масова частка алюмінію не більше 0,3%, в титані марки ВТ 1-0 не більше 0,7%.

Таблиця 4. Механічні властивості титанових сплавів за ГОСТ 19807-91.

** Дані наведені за ОСТ 190173-75.
*** У доступній літературі даних не виявлено.

Найміцнішим із розглянутих матеріалів є сплав Ti-6Al-4V (вітчизняний аналог ВТ-6). Збільшення міцності досягається за рахунок введення до його складу алюмінію та ванадію. Однак цей сплав відноситься до біоматеріалів першого покоління і, незважаючи на відсутність будь-яких клінічних протипоказань, він використовується все рідше. Це положення наведено у аспекті проблем ендопротезування великих суглобів.

З точки зору кращої біологічної сумісності, більш перспективними є речовини, що відносяться до групи «чистого» титану. Необхідно відзначити, що коли говорять про «чистий» титан, мають на увазі одну з чотирьох марок титану, допущених для введення в тканини організму відповідно до міжнародними стандартами. Як видно з наведених вище даних, вони різні за хімічним складом, який, власне, і визначає біологічну сумісність та механічні властивості.

Важливим є також питання про міцність цих матеріалів. Найкращими характеристикамиу цьому відношенні має титан класу 4.
Під час розгляду його хімічного складу можна назвати, що у титані цієї марки збільшено вміст кисню і заліза. Принциповим є питання: чи це погіршує біологічну сумісність?

Збільшення кисню, ймовірно, не буде негативним. Збільшення вмісту заліза на 0,3% в титані Grade 4 (порівняно з Grade 1) може викликати деякі побоювання, оскільки, за експериментальними даними, залізно (як і алюміній) при імплантації в тканині організму призводить до утворення навколо імплантату сполучно. -тканинного прошарку, що є ознакою недостатньої біоінертності металу Крім того, за тими ж даними залізо пригнічує зростання органічної культури. Однак, як говорилося, наведені вище дані стосуються імплантації чистих металів.

В даному випадку важливим є питання: чи можливий вихід іонів заліза через шар окису титану в навколишні тканини, і якщо можливий, то з якою швидкістю і який подальший метаболізм? У доступній літературі ми не зустріли інформації з цього приводу.

При зіставленні зарубіжних і вітчизняних стандартів можна назвати, що дозволені клінічного застосування нашій країні титанові метали ВТ 1-0 і ВТ 1-00 фактично відповідають маркам «чистого» титану Grade 1 і 2. Знижений змісткисню і заліза в цих марках призводить до зниження їх властивостей міцності, що не може вважатися сприятливим. Хоча у титану марки ВТ 1-00 верхня межа межі міцності на розтяг відповідає аналогічному показнику Grade 4, межа плинності при цьому у вітчизняного сплаву майже вдвічі нижче. Крім того, до його складу може входити алюміній, що, як зазначалося, небажано.

При зіставленні зарубіжних стандартів можна назвати, що американський стандарт є суворішим, і стандарти ISO посилаються американські у низці пунктів. Крім того, делегація США висловила незгоду при затвердженні стандарту ISO щодо титану, який використовується у хірургії.

Таким чином, можна стверджувати, що:
Кращим матеріалом для виготовлення дентальних імплантатів, на сьогоднішній день, є чистий титан класу 4 за стандартом ASTM, так як він:

• не містить токсичного ванадію, як, наприклад, сплав Ti-6Al-4V;
• наявність у його складі Fe (вимірюваного в десятих частках %) неспроможна вважатися негативним, оскільки у разі можливого виходу іонів заліза в навколишні тканини вплив їх у тканини перестав бути токсичним, як в ванадію;
• титан класу 4 володіє кращими властивостями міцності в порівнянні з іншими матеріалами групи «чистого» титану;

Кобальтохромові сплави

Кобальтохромові сплави марки КХС

кобальт 66-67%, що надає сплаву твердості, покращуючи, таким чином, механічні якості сплаву.

хром 26-30%, що вводиться для надання сплаву твердості та підвищення антикорозійної стійкості, що утворює пасивну плівку на поверхні сплаву.

нікель 3-5%, що підвищує пластичність, в'язкість, ковкість сплаву, покращуючи цим технологічні властивості сплаву.

молібден 4-5,5%, що має велике значення для підвищення міцності сплаву за рахунок надання йому дрібнозернистості.

марганець 0,5%, що збільшує міцність, якість лиття, що знижує температуру плавлення, сприяє видаленню токсичних зернистих сполук зі сплаву.

вуглець 0,2%, що знижує температуру плавлення і покращує рідину сплаву.

кремній 0,5%, що покращує якість виливків, що підвищує рідину сплаву.

залізо 0,5%, що підвищує рідину, що збільшує якість лиття.

азот 0,1%, що знижує температуру плавлення, що покращує рідину сплаву. У той самий час збільшення азоту понад 1% погіршує пластичність металу.

берилій 0-1,2%

алюміній 0,2%

ВЛАСТИВОСТІ: КХС має високі фізико-механічні властивості, відносно малу щільність і відмінну рідину, що дозволяє відливати ажурні зуботехнічні вироби високої міцності. Температура плавлення становить 1458С, механічна в'язкість у 2 рази вище за таку у золота, мінімальна величина межі міцності при розтягуванні становить 6300 кгс/см 2 . Високий модуль пружності та менша щільність (8 г/см 3 ) дозволяють виготовляти легші та міцніші протези. Вони також стійкіші проти стирання і довше зберігають дзеркальний блиск поверхні, наданий поліруванням. Завдяки хорошим ливарним та антикорозійним властивостям сплав використовується в ортопедичній стоматології для виготовлення литих коронок, мостоподібних протезів, різних конструкції суцільнолитих бюгельних протезів, каркасів металокерамічних протезів, знімних протезів з литими базисами, шинуючих апаратів, литих кламмерів.

ФОРМА ВИПУСКУ: випускається у вигляді круглих заготовок масою 10 та 30г, упакованих по 5 та 15 шт.

Усі сплави металів для ортопедичної стоматології діляться на 4 основні групи:

Бюгоденти – сплави для литих знімних протезів.

КХ-денти – сплави для металокерамічних протезів.

НХ-денти – нікелехромові сплави для металокерамічних протезів.

Дентани – залізонікелехромові сплави для зубних протезів.

1. Бюгоденти. Є багатокомпонентним сплавом.

СКЛАД: кобальт, хром, молібден, нікель, вуглець, кремній, марганець.

ВЛАСТИВОСТІ: щільність - 8,35 г/см 3 , твердість по Брінеллю - 360-400 НВ, температура плавлення металу - 1250-1400С.

використовується для виготовлення литих бюгельних протезів, кламерів, шинуючих апаратів.

Бюгодент CCS vac (м'який)- Містить 63% кобальту, 28% хрому, 5% молібдену.

Бюгодент CCN vac (нормальний) – містить 65% кобальту, 28% хрому, 5% молібдену, а також підвищений зміствуглецю і немає у своєму складі нікелю.

Бюгодент CCH vac (твердий)- основу складає кобальт – 63%, хром – 30% та молібден – 5%. Сплав має максимальний вміст вуглецю – 0,5%, додатково легований ніобієм – 2% і не має у своєму складі нікелю. Володіє виключно високими пружними і параметрами міцності.

Бюгодент ССC vac (мідь)- основу становить кобальт - 63%, хром - 30%, молібден - 5%.Хімічний склад сплавів включає мідь і підвищений вміст вуглецю - 0,4%. В результаті цього сплав має високі пружні та міцнісні властивості. Наявність мілини у сплаві полегшує полірування, а також проведення іншої механічної обробки протезів із нього.

Бюгодент CCL vac (рідкий)- до складу сплаву крім кобальту - 65%, хрому - 28% і молібдену - 5% введено бор та кремній. Цей сплав має чудову рідину, збалансовані властивості.

2. КХ-денти

використовуються для виготовлення литих металевих каркасів з фарфоровими облицюваннями. Окисна плівка, що утворюється на поверхні сплавів, дозволяє наносити керамічні або ситалові покриття. Розрізняють кілька видів даного металу: CS, CN, CB, CC, CL, DS, DM.

КХ-Дент CN vac (нормальний) містить 67% кобальту, 27% хрому та 4,5% молібдену, але не містить вуглецю та нікелю. Це суттєво покращує його пластичні характеристики та знижує твердість.

КХ-Дент CB vac (Bondy)має наступний склад: 66,5% кобальту, 27% хрому, 5% молібдену. Сплав має гарне поєднання ливарних та механічних властивостей.

3. НХ-денти

СКЛАД: нікель - 60-65%; хром – 23-26%; молібден – 6-11%; кремній – 1,5-2%; не містять вуглецю.

Сплави НХ-Дент на нікелехромовій основі

ЗАСТОСУВАННЯ: для якісних металокерамічних коронокі невеликих мостоподібних протезів мають високу твердість і міцність. Каркаси протезів легко шліфуються та поліруються.

ВЛАСТИВОСТІ: сплави мають хороші ливарні властивості, мають у своєму складі рафінуючі добавки, що дозволяє не тільки отримувати якісний виріб при литті у високочастотних індукційних плавильних машинах, але й використовувати до 30% литників повторно в нових плавках. Розрізняють кілька видів даного металу: NL, NS, NH.

НХ-Дент NS vac (м'який)) - у своєму складі містить нікель - 62%, хром - 25% та молібден - 10%. Він має високу стабільність форми і мінімальну усадку, що дозволяє проводити виливок мостоподібних протезів великої протяжності в один прийом.

НХ-Дент NL vac (рідкий)) - містить 61% нікелю, 25% хрому та 9,5% молібдену. Цей сплав має гарні ливарні властивості, що дозволяють отримати виливки з тонкими, ажурними стінками.

4.Дентани

ВЛАСТИВОСТІ: сплави типу Дентан розроблені замість ливарних нержавіючих сталей. Вони мають істотно більш високу пластичність і корозійну стійкість за рахунок того, що в їх складі майже в 3 рази нікелю і на 5% більше хрому. Сплави мають хороші ливарні властивості - малу усадку та хорошу рідину. Дуже податливі у механічній обробці.

використовуються для виготовлення литих одиночних коронок, литих коронок з пластмасовим облицюванням. Розрізняють кілька видів даного металу: DL, D, DS, DM.

Дентан Dмістить 52% заліза, 21% нікелю, 23% хрому. Має високу пластичність і корозійну стійкість, має невелику усадку і хорошу рідину.

Дентан DMмістить 44% заліза, 27% нікелю, 23% хрому та 2% молібдену. До складу сплаву додатково введено молібден, що підвищило його міцність у порівнянні з попередніми сплавами, при порівнянні того ж рівня оброблюваності, рідкоплинності та інших технологічних властивостей.

Для деяких нікелехромових сплавів наявність оксидної плівки може мати негативне значення, оскільки при високій температурі випалу оксиду нікелю та хрому розчиняються у фарфорі, забарвлюючи його. Зростання кількості окису хрому у фарфорі призводить до зниження його коефіцієнта термічного розширення, що може спричинити відколювання кераміки від металу.

Сплави титану

ВЛАСТИВОСТІ: сплави титану мають високі технологічні та фізико-механічні властивості, а також біологічну інертність. Температура плавлення титанового металу становить 1640С. Вироби з титану мають абсолютну інертність до тканин порожнини рота, повною відсутністютоксичного, термоізолюючого та алергічного впливу, малою товщиною та масою при достатній жорсткості базису завдяки високій питомій міцності титану, високої точністю відтворення найдрібніших деталей рельєфу протезного ложа.

ВТ-100 листовий- Використовується для виготовлення штампованих коронок (товщина 0,14-0,28мм), штампованих базисів (0,35-0,4мм) знімних протезів.

ВТ-5Л - ливарний -використовується для виготовлення литих коронок, мостоподібних протезів, каркасів бюгельних протезів, що шинують, литих металевих базисів.

Вступ

Стоматологія сьогодні не стоїть на місці. Практично щомісяця доводиться чути про нові методики, обладнання, матеріали тощо. Звичайно, не всі нововведення знаходять відгук у професіоналів. Але є один матеріал, який серйозно і надовго зайняв свою нішу в стоматології, який завдяки своїм якостям блискуче зарекомендував себе. І ім'я цього матеріалу – титан.

Номенклатура використання титану постійно розширюється. На сьогоднішній день його застосовують як у знімному, так і не в знімному протезуванні, імплантології, в ортодонтії і т.д.

В даний час вже освоєно виготовлення зубів з титану, причому дослідження показали, що за корозійною стійкістю в ротовій порожнині титан не поступається дорогоцінним металам. І це не межа. Не буде перебільшенням сказати, що не залишилося вже в стоматології напряму, де не знайшлося б місце титану.

Що стосується застосування, то використання сплавів з титану не обмежилося стоматологією. Титан широко використовується у всіх без винятку сферах медицини, не кажучи вже про промисловість. Якщо говорити про титан, то на думку відразу спадає ціла низка переваг, які в комплексі властиві тільки йому. Біологічна індиферентність, відсутність властивості намагнічуватися, мала питома вага, висока міцність, корозійна стійкість у багатьох агресивних середовищах та доступність зробили титан майже універсальним та необхідним матеріалом. І це лише мала частина плюсів, які можуть дати титанові сплави.

У цьому дипломному проекті буде розкрито всі межі цього революційного матеріалу. У призмі професії зубного техніка ретельно будуть розглянуті властивості титану та його сплавів, методи їх отримання, нюанси обробки титанових сплавів, помилки, що виникають під час роботи з ним, та багато іншого. Буде приділено увагу найостаннішим досягненням у науці та технологіям. Будуть докладно розібрані як давно існуючі титанові сплави, що застосовуються широко у всьому світі, так і останні розробки в даному напрямку. І, звичайно, не можна обійти стороною методи обробки, такі як фрезерування, шліфування титанових сплавів і т.д.

Актуальність дослідження

Вибір матеріалу для протезу одна із важливих етапів планування протеза, оскільки від матеріалу залежатимуть майбутні властивості протеза. В даний час прагне об'єднати в собі відразу два ключові і важливих властивостейа стоматологічних матеріалів – біоінертність та естетичність. Одним із матеріалів, що володіють першою якістю є титан. Використання титану в комплексі з облицюванням керамічними масами дозволяє вирішити друге завдання. Таким чином вирішуються обидві завдання – біоінертність та естетичність. Але в сучасній літературі, і навіть під час навчання у навчальних закладах, слабо висвітлено нюанси роботи з титаном. Тому необхідно докладно вивчивши літературу про титан, узагальнити її, систематизувати й у сумі викласти у цьому дипломному проекті полегшення вивчення у майбутньому цієї теми зубними техніками.

Предмет дослідження

Титан для виготовлення стоматологічних протезів

Об'єкт дослідження

Технологія обробки титану

Мета дослідження

Вивчити технології виготовлення протезів із титану у стоматології

Завдання дослідження

1. Вивчення літератури з цієї теми;
2. Вивчення якості титану, що застосовується в стоматології;
3. Вивчення технологій його обробки;
4. Порівняння технологій обробки титану.

Гіпотеза

Вивчення даного матеріалу дозволить визначити позитивні та негативні сторонирізних технологій обробки титану та виявити найкращі з них, що надалі може послужити покращенням якості протезування.

Методи дослідження

Вивчення вітчизняної та зарубіжної літератури, порівняльний аналіз, систематизація.

Глава 1. Особливості титану та складності при роботі з ним

1.1. Переваги титану

У періодичній системі Д.І. Менделєєв титан має номер 22 (Ti). Зовні титан схожий сталь (рис.1).

Рис.1. Титанові імплантатита абатменти.

Сплави титану мають високі технологічні та фізико-механічні властивості, а також біоінертність.

Конструкційні та високоміцні титанові сплави є твердими розчинами, що дозволяє їм забезпечувати оптимальне співвідношення характеристик міцності та пластичності.

Застосування отримали пористий титан, а також нікелід титану, що має пам'ять форми як матеріали для імплантатів.

У зарубіжній літературі існує думка, через яку титан та її сплави виступають альтернативою золоту. При контакті із повітрям відбувається пасивізація, тобто. на поверхні титану утворюється тонкий інертний шар оксиду. До інших його переваг відносяться низька теплопровідність і здатність з'єднуватися з композиційними цементами і фарфором. Недоліком є ​​труднощі отримання виливки (чистий титан плавиться при 1668 ° С і вступає в реакцію з традиційними масами мас і киснем). Отже, він повинен відливатись і спаюватись у спеціальних приладах у безкисневому середовищі. Розробляються метали титану з нікелем, які можна відливати традиційним способом (такий метал виділяє дуже мало іонів нікелю і добре з'єднується з порцеляною). Нові методи створення незнімних протезів (насамперед коронок та мостоподібних протезів) за технологією CAD/CAM відразу усувають усі проблеми лиття.

Протезування коронкової частини зуба займає провідне місце в клініці ортопедичної стоматології і використовується у всі періоди формування та розвитку жувального апарату, починаючи з грудного вікуі до глибокої старості. Особливе місце в ортопедії займають титанові коронки, які відрізняються такими характеристиками:

• Біологічна інертність;
• Легкість зняття коронки;
• Низька теплопровідність порівняно з іншими металами та сплавами;
• Маленька питома вага, завдяки якій протези виходять легкими;
• Мають високу пружність;
• Менша міцність на стирання ніж нержавіюча сталь при протезуванні молочних зубів.

Згадуючи важливість застосування саме титанових коронок, слід зупинитись на такому стоматологічному захворюваннітвердих тканин зуба, як аплазія та гіпоплазія емалі. Ці дефекти є вади розвитку твердих тканин зуба і виникають внаслідок порушення мінерального та білкового обміну в організмі плода або дитини. Недорозвинення емалі - процес незворотній і залишається на весь період життя. Тому наявність цих захворювань є абсолютним показанням до застосування тонкостінних титанових коронок.

Що ж до знімного протезування, то протези з тонколистовими титановими базисами товщиною 0,3-0,7 мм мають такі основні переваги перед протезами з базисами з інших матеріалів:

• абсолютну інертність до тканин ротової порожнини, що повністю виключає можливість алергічної реакції на нікель і хром, що входять до складу металевих базисів з інших сплавів;
• повна відсутність токсичного, термоізолюючого та алергічного впливу, властивого пластмасовим базисам;
• малу товщину та масу при достатній жорсткості базису завдяки високій питомій міцності титану;
• високу точність відтворення найдрібніших деталей рельєфу протезного ложа, недосяжну для пластмасових та литих базисів з інших металів;
• суттєве полегшення у звиканні пацієнта до протезу;
• збереження гарної дикції та сприйняття смаку їжі.

1.2. Особливості титану та складності роботи з ним

Титан (Titanium) Ti – елемент IV групи 4-го періоду періодичної системи Д. І. Менделєєва, порядковий номер 22, атомна маса 47,90. Отриманий у чистому вигляді лише 1925 р. Основне сировину - мінерали рутил TiO2, ильменит FeTiO3 та інших. Титан - тугоплавкий метал.

Отримують титан відновленням двоокису титану металевим кальцієм, гідридом кальцію, відновленням чотирихлористого титану розплавленим натрієм, металевим магнієм. Титан - перспективний матеріал для авіаційної, хімічної та суднобудівної промисловості та медицини. У більшості випадків титан застосовується у вигляді сплавів з алюмінієм, молібденом, ванадієм, марганцем та іншими металами.

Табл.1.

Порівняльні властивості різних сплавів.

Властивості				Срібно-палладієвий сплав	Нержавіюча сталь
Щільність (г/см³)
Твердість (HB) МПа
Міцність МПа (Н/мм 2), Rm
Модуль пружності, ДПа
Температура плавлення (°С)
Теплопровідність Вт/(м К)
КТР (α 10 –6 °C –1)

Відомо, що деякі хімічні елементи можуть існувати у вигляді двох або більш простих речовин, що відрізняються за будовами та властивістю. Зазвичай речовина переходить з однієї алотропної модифікації в іншу за постійної температури. Титан має дві такі модифікації. α-модифікація титану існує за температури до 882,5 °С. Високотемпературна β-модифікація може бути стійкою від 882,5 ° С до температури плавлення.

Легуючі елементи надають сплаву титану різні властивості. Для цього використовуються алюміній, молібден, марганець, хром, мідь, залізо, олово, цирконій, кремній, нікель та інші.

Легуючі добавки по-різному поводяться у різних алотропних модифікаціях титану. Змінюють вони і температуру, за якої відбувається α/β-перехід. Так, збільшення концентрації алюмінію, кисню та азоту у сплаві титану підвищує це температурне значення. Область існування α-модифікації розширюється. Ці елементи називають α-стабілізаторами.

Олово та цирконій не змінюють температуру α/β-перетворень. Тому їх вважають нейтральними зміцнювачами титану.

Усі інші легуючі добавки до титанових сплавів вважаються β-стабілізаторами. Розчинність їх у модифікаціях титану залежить від температури. А це дає можливість підвищувати міцність титанових сплавів із цими добавками за допомогою загартування та старіння. Використовуючи різні типилегуючих добавок, отримують титанові сплави з різними властивостями.

Для створення литих коронок, мостоподібних протезів, каркасів дугових (бюгельних), протезів, що шинують, литих металевих базисів застосовується ливарний титан ВТ-5Л. Температура плавлення титанового металу становить 1640°С.

Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легований лише алюмінієм. Алюміній відноситься до найбільш поширених легуючих елементів в титанових сплавах. Це зумовлено наступними перевагами алюмінію перед рештою легуючих компонентів:

1. алюміній широко поширений у природі, доступний і коштує порівняно дешево;
2. щільність алюмінію значно менша за щільність титану, і тому введення алюмінію підвищує їх питому міцність;
3. зі збільшенням вмісту алюмінію підвищується жароміцність та опір повзучості сплавів титану;
4. алюміній підвищує модулі пружності;
5. зі збільшенням вмісту алюмінію у сплавах зменшується їх схильність до водневої крихкості. Сплав ВТ5 відрізняється від технічного титану більшою міцністю та жароміцністю. Водночас алюміній значно зменшує технологічну пластичність титану. Сплав ВТ5 деформується у гарячому стані: кується, прокочується, штампується. Тим не менш, його вважають за краще застосовувати не в деформованому стані, а у вигляді фасонного лиття (у цьому випадку йому надають марку ВТ5Л).

Для імплантації використовується титан ВТ-6. Сплави типу ВТ6 (Ti-6A1-4V) (α + β)-класу відносяться до найбільш поширених титанових сплавів і в інших сферах.

Таке широке розповсюдженняцього металу пояснюється вдалим його легуванням. Алюміній в сплавах системи Ti-Al-V підвищує міцнісні і жароміцні властивості, а ванадій відноситься до тих небагатьох легуючих елементів в титані, які підвищують не тільки властивості міцності, але і пластичність.

Поряд з високою питомою міцністю сплави цього типу мають меншу чутливість до водню в порівнянні зі сплавами ОТ4 і ОТ4-1, низькою схильністю до сольової корозії і гарною технологічністю.

Сплави типу ВТ6 застосовують у відпаленому та термічно зміцненому станах. Подвійний відпал також дозволяє підвищити в'язкість руйнування та опір корозійному руйнуванню.

Титан марки ВТ1-00 листовий використовується для коронок штампованих (товщина 0,14-0,28 мм), штампованих базисів (0,35-0,4 мм) знімних протезів, каркасів титанокерамічних протезів, імплантатів різних конструкцій.

Металургійна промисловість постачає напівфабрикати технічного титану двох марок ВТ1-00 і ВТ1-0, що відрізняються вмістом домішок (кисню, азоту, вуглецю, заліза, кремнію та ін.). Це матеріали малої міцності, причому титан ВТ1-00, що містить менше домішок, відрізняється меншою міцністю та більшою пластичністю. Основна перевага титанових сплавів ВТ1-00 і ВТ1-0 - висока технологічна пластичність, що дозволяє отримувати навіть фольгу.

Міцні властивості титану можуть бути підвищені нагартовкою (наклепом), але при цьому сильно знижуються пластичні властивості. Зниження характеристик пластичності виражено сильніше, ніж підвищення характеристик міцності, тому нагартовка не найкращий спосіб поліпшення комплексу властивостей титану. До недоліків титану слід віднести високу схильність до водневої крихкості, у зв'язку з чим вміст водню не повинен перевищувати 0,008% у титані ВТ1-00 та 0,01% у ВТ1-0.

1.3. Особливості обробки титану (шліфування та полірування)

Фізичні властивості, фази оксидації та зміна кристалічних ґрат повинні враховуватися при обробці титану. Правильне обробленняможе успішно вироблятися лише спеціальними фрезами для титану, зі спеціальною хрестоподібною насічкою (рис.2). Зменшений кут робочої поверхні, який дає можливість оптимально знімати досить м'який метал, з гарним охолодженням інструменту. Обробка титану має проводитися без сильного тиску інструмент.

Рис.2.

Фрези для титану повинні зберігатись окремо від інших інструментів. Вони повинні регулярно очищатися пароструминним апаратом і щіточками зі скловолокна від залишків титанової стружки, яка досить міцно осаджується.

При використанні неправильного інструменту або сильному натиску можливі локальні перегріви металу, що супроводжуються сильним утворенням оксиду та зміною кристалічних ґрат. Візуально на оброблюваному об'єкті відбувається зміна кольору і трохи грубіє поверхню. У цих місцях не буде необхідного зчеплення з керамікою (можливість появи тріщин і сколів), якщо це ділянки, що не облицьовуються, то подальша обробка і полірування буде також не відповідати вимогам, що висуваються.

Використання при обробці титану різних карборундових дисків і каменів, або алмазних головок сильно забруднює поверхню титану, що призводить також до тріщин і сколів в кераміці. Тому використання перерахованих вище інструментів придатне тільки для обробки, наприклад, каркасів бюгельних протезів, а використання алмазних головок слід повністю виключити. Шліфування та подальше полірування відкритих ділянок титану можливе лише за допомогою адаптованих для титану шліфувальних гумових головок та полірувальних паст. Багато фірм, що займаються виробництвом інструментів, що обертаються, випускають на даний момент великий асортимент фрез і шліфувальних гумових головок для титану.

Придатні для титану параметри обробки:

• Низька швидкість обертання наконечника – макс. 15 000 об/хв;
• Низький тиск на інструмент;
• Періодична обробка;
• Обробка каркасу лише в одному напрямку;
• Уникати гострих кутів та напусків металу;
• При шліфуванні та поліруванні використовувати тільки відповідні шліфувальні гумові головки та полірувальні пасти;
• Періодичне чищення фрез пароструминним апаратом та пензликом зі скловолокна.

Піскоструминна обробка, перед нанесенням бондингового шару при керамічному покритті так само, як і при облицюванні композитними матеріалами, повинна відповідати наступним вимогам:

• Чистий, лише одноразовий оксид алюмінію;
• Максимальна величина зерна піску 150 µm, оптимально 110-125 µm;
• Максимальний тиск із олівця 2 бари;
• Напрямок потоку піску під прямим кутом до поверхні.

Після обробки необхідно залишити оброблений об'єкт на 5-10 хв пасивуватися, після чого провести чищення поверхні пором.

Оксидний випал або схожі процедури під час роботи з титаном повністю виключаються. Використання кислот або травлення повністю виключено.

1.4.Висновки за першим розділом

Виходячи з матеріалу, представленого вище, можна зробити висновок, що сплави титану мають суттєву кількість дуже важливих властивостей, які незамінні в зубному протезуванні. Основні з них це біоінертність, корозійна стійкість, міцність та твердість при малій питомій вазі. Однак, отримання титану вважається дорогим процесом, але оскільки його кількість, що застосовується при виготовленні протезу, є невеликою, то це не сильно впливає на вартість. Але через те, що технологія виробництва протезів з титану більш дорога за протези з титану коштують дорожче, ніж КХС або нержавіючої сталі.

Також до недавнього часу проблеми викликала обробка титану, але поява та розповсюдження спеціальних інструментів зробило можливим застосуваннятитанових сплавів у стоматології. Позитивні властивості титану були відомі і раніше, але саме тривала і дорога обробка була перешкодою для його впровадження в стоматологічну практику.

Незважаючи на специфічні вимоги, які відсутні при обробці інших металів, та особливості інструментів, цілий список позитивних якостейтитану все ж таки призвело до вдосконалення процесів роботи з ним. Хімічні властивості титану з одного боку відкривають нові можливості для зубних техніків, але з іншого вимагають ретельнішого дотримання технології обробки та обліку всіх особливостей.

Розділ 2. Технології виготовлення протезів із титану

2.1.Штампування титану

Штампування (штампування) - процес пластичної деформації матеріалу зі зміною форми та розмірів тіла. У стоматології штампування піддаються метали.

Варто зазначити, що штамповані коронки з титану досить рідкісне явищана сьогоднішній день. Технологія виготовлення коронок методом штампування з титану не знайшла поширення, тому що в холодному стані титан складно штампувати. Тим не менш, в рамках загального вивченнябуде розглянуто технологію виготовлення титанових коронок методом штампування.

У титанових штампованих коронок ті ж мінуси, що й у звичайних штампованих коронок, а саме:

• Відсутність зносостійкості;
• Наявність плоскої жувальної поверхні зуба;
• Недостатньо щільне прилягання до шийки зуба;
• Відсутність естетичності.

Властивості коронок з титану схожі зі сплавами дорожчих золотих коронок.

Процес штампування з титанових сплавів не дуже відрізняється від процесу виготовлення звичайних штампованих коронок з нержавіючої сталі.

При виготовленні штампованих коронок відбитки зазвичай знімають альгінатною масою стандартними ложками.

Технологія виготовлення титанової штампованої коронки:

Лабораторний етап виготовлення коронки починається із отримання моделі. Далі роблять моделювання зуба моделювальним воском. Нашаровуючи розплавлений віск на поверхню гіпсового зуба, домагаються збільшення обсягу, необхідного для відновлення анатомічної форми. Після моделювання необхідно вирізати із моделі гіпсовий штампік. Потім необхідно виготовити його копію із легкоплавкого металу. Для цього потрібно зробити гіпсову форму. Блок із гіпсу роблять у два етапи. Гіпсовий штамп видаляють, а розколоті частини блоку складають разом і розплавляють легкоплавкий метал. При плавці важливо не перегрівати метал, при перегріві випаровуються деякі компоненти сплаву, і він виходить більш крихким. І потім заповнюють їм форму. Форма повинна бути добре просушена, тому що волога, випаровуючись, зробить метал пористим.

Усього необхідно виготовити два металеві штампики. Перший — найточніший для остаточного штампування. Другий – для попереднього штампування. Після виготовлення металевого штампу необхідно підібрати титанову гільзу.

Гільза має доходити до екватора зуба і кілька із зусиллям на нього заходити. Відпаленій гільзі на пуансонах спеціальної зуботехнічної ковадла ударами молотка надається приблизна форма майбутньої коронки. І потім знову слід відпал. Під час ударів молотка відбуваються зміни в структурі металу, він стає більш пружним і неподатливим подальшій обробці, тобто утворюється наклеп, за допомогою відпалу кристалічна решітка металу відновлюється і стає більш пластичним. Після цього беруть той штамп, що був відлитий другим, одягають на нього гільзу і кількома сильними та точними ударами молотка вбивають його у свинцеву «подушку». Свинцева подушка - злиток м'якого свинцю різних розмірів.

Вбити штамп з гільзою необхідно до рівня екватора коронки. Свинець щільно стискає металеву гільзу по штампику. Штампік з гільзою витягають із свинцю та оцінюють якість попереднього штампування. На гільзі не повинно бути складок та тріщин. Остаточне штампування проводиться в пресі або ручному або механізованому гідравлічному. Сенс один — у основі преса стоїть кювета, наповнена невулканізованим каучуком. Штампік вставляється в кювету в каучук і шток преса під дією сили розкрученого маховика або гідравліки тисне на каучук, останній передає тиск на гільзу, яка під тиском у свою чергу щільно обжимається по металевому штампику.

Варто зазначити, що в холодному вигляді титан дуже погано піддається штампуванню. При гарячому деформуванні і особливо при температурах 900°С і вище, коли розвиваються процеси зміцнення, титан і титанові сплави мають досить високу пластичність. З титанових сплавів куванням та гарячим штампуванням виготовляються складні за геометричною формою вироби, до яких можна віднести і зуби.

Пластичність титану та титанових сплавів різко знижується за наявності на поверхні альфованого шару. Альфінований шар – це твердий розчин кисню в титані. Метал, що має альфований шар, вкрай чутливий при куванні та гарячому штампуванні до зміни напружено-деформованого стану зі збільшенням напружень та деформацій розтягування. Оскільки, практично, при всіх методах кування і штампування діють напруги, що розтягують, і деформації, при нагріванні під гарячу механічну обробку титану і титанових сплавів слід уникати утворення альфованого шару. Це досягається нагріванням під кування і штампування в нагрівальних печах з нейтральною або безокислювальною атмосферою. Найбільш відповідним середовищем для нагрівання титану та титанових сплавів є аргон.

2.2.Литтєвий метод

Висока реакційна здатність титану, висока точка плавлення вимагають спеціальну ливарну установку та пакувальну масу. В даний час на ринку відомі кілька систем, які дозволяють проводити лиття титану.

Як приклад можна навести ливарні установки Аутокаст, які засновані на принципі плавки титану в захисному середовищі аргону на мідному тиглі за допомогою вольтової дуги, так само в промисловості сплавляють титанову губку для отримання чистого титану. Заливка металу в кювету відбувається за допомогою вакууму в ливарній камері та підвищеного тиску аргону в плавильній - під час перекидання тигля.

Зовнішній вигляд і принцип, як функціонує установка, показано малюнку 3.

Рис.3.

На початку процесу обидві камери плавильна (вгорі) і ливарна (внизу) продуваються аргоном, потім з обох камер евакуюється суміш повітря та аргону, після чого плавильна камера заповнюється аргоном, а у ливарній утворюється вакуум. Включається вольтова дуга і починається процес плавлення титану. Після проходження певного часу різко перекидається плавильний тигель і метал всмоктується в форму, що знаходиться у вакуумі, власну вагу, а також тиск аргону, що підвищується, на цей момент також сприяють заповнення ним ливарної форми. Цей принцип дає можливість отримувати хороші, щільні виливки із чистого титану.

Наступним компонентом ливарної системи є пакувальна маса. Так як у розплавленому стані реакційна здатність титану дуже висока, то він вимагає спеціальних пакувальних мас, які виготовляються на основі оксидів алюмінію та магнезії, які дозволяють знизити реакційний шар титану до мінімуму.

Правильне створення литниковой системи, як і, і правильне розташування у кюветі грає величезну роль і виробляється суворо за правилами, запропонованим фірмою виробником ливарних установок. Для коронок і мостів допустиме використання тільки спеціального ливарного конуса, який дозволяє оптимально направляти метал до об'єкта, що відливається. Висота вхідного литникового каналу від конуса до живильної балки 10 мм при діаметрі 4-5 мм. Діаметр живильної балки 4 мм.

Підводні литникові канали до об'єкта, що відливається, мають розмір діаметром 3 мм і висотою також не більше 3 мм. Дуже важливо: підводні канали не повинні розташовуватися навпроти вхідного литникового каналу, інакше дуже висока можливість виникнення газових пор.

Рис.4.

Усі з'єднання мають бути дуже гладкими, без гострих кутів тощо. щоб максимально знизити турбулентність, що виникає під час заливки металу, яка призводить до утворення газових пор. Літникова система для бюгельних протезів, а особливо для цільнолитих базисів повних знімних протезів також відмінна, від литникових систем, які ми застосовуємо для виливки бюгельних протезів з хром-кобальтових сплавів.

Для зуботехнічного застосування перехід титану при температурі 882,5 °З одного кристалічного стану в інший має дуже велике значення. Титан переходить при цій температурі з α-титану з гексагональною кристалічною решіткою в β-титан з кубічною. Що тягне у себе, як зміна його фізичних параметрів, а й збільшення на 17% його обсягу.

З цієї причини також необхідне використання спеціальних керамік, температура випалення яких повинна бути нижчою за 880 °С.

У титану дуже сильне прагнення при кімнатній температурі з киснем повітря утворювати миттєво тонкий оксидний захисний шар, який захищає його надалі від корозії і зумовлює хорошу переносимість титану організмом. Це так званий пасивний прошарок.

Пасивний шар має здатність самостійно регенерувати. Цей шар на різних етапах роботи з титаном повинен гарантуватися. Після піскоструминної обробки, перед чищенням каркаса парою, необхідно залишити каркас щонайменше 5 хвилин пасивуватися. Щойно відполірований протез повинен пасивуватися щонайменше 10-15 хвилин, інакше немає гарантії гарного блиску готової роботи.

2.3.Надпластична формування

Протягом 15 років лиття зубних протезів з титану пропагується у Японії, навіть Німеччини, а останнім часом й у Росії. Розроблено різні видиобладнання для відцентрового або вакуумного лиття, рентгенівського контролю якості виливків, спеціальні вогнетривкі матеріали.

Перелічені вище методи дуже складні технологічно та дорогі. Виходом із цієї ситуації може бути надпластична формування. Суть надпластичності полягає в тому, що при певній температурі метал, що має ультрадрібне зерно, веде себе подібно до розігрітої смоли, тобто може подовжуватися на сотні і тисячі відсотків під дією дуже малих навантажень, що дозволяє виготовляти з листа титанового сплаву тонкостінні деталі складної форми. Це явище, а процес полягає в тому, що надпластичні листові заготовки притискають до матриці і під дією невеликого газового тиску (максимально 7-8 атм.) вона надпластично деформується, за одну операцію приймаючи дуже точну форму порожнини матриці.

Розглянемо застосування методу сферхпластичного формування на прикладі виготовлення знімного пластинкового протеза. Зубний протез, виготовлений методом надпластичного формування, має суттєві переваги. Як основні можна назвати легкість (мала вага) порівняно з протезами, виготовленими з кобальтохромового або нікельхромового сплавів, а також висока корозійна стійкість та міцність. Достатня простота виготовлення протеза робить його незамінним для масового виробництва в ортопедичній стоматології.

Початкові клінічні етапи виготовлення повного знімного протезу з базисом титану не відрізняються від традиційних при виготовленні пластмасових протезів. Це – клінічне обстеження хворих, отримання анатомічних зліпків, виготовлення індивідуальної ложки, отримання функціонального зліпка, виготовлення високоміцної робочої моделі з супергіпсу.

Модель із супергіпсу із попередньо ізольованим бюгельним воском альвеолярним гребенем дублюють у вогнетривку масу. Вогнетривкі моделі розміщують у металевій обоймі з жароміцного сплавуяка має спеціальні вирізи, розміри та форма яких дозволяє розмістити в ній модель верхньої щелепи будь-якого пацієнта.

На керамічні моделі зверху накладають лист титанового сплаву завтовшки 1 мм. Листова заготівля затискається між двома половинками форми. Напівформи утворюють герметичну камеру, розділену листом на дві частини, кожна з яких має канал сполучення з газовою системою і може бути незалежно один від одного або вакуумована або заповнена інертним газом під деяким тиском (рис.5).

Рис.5.

Загерметизовані напівформи нагрівають та створюють перепад тиску. Під листом утворюють розрядження (вакуум) 0,7-7,0 Па. Лист титанового сплаву прогинається у бік вакуумованої напівформи і "вдується" в розташовану в ній керамічну модель, облягаючи її рельєф. У цей час тиск витримують за певною програмою. Після завершення цієї програми напівформи охолоджують.

Після цього тиск в обох напівформах вирівнюють до норми та витягують заготовку із форми. Базиси необхідного профілю вирізують по контуру, наприклад, променем лазера, обточують край на абразивному колі, знімають окалину, нарізають ретенційні смуги абразивним диском в сідлоподібній частині базису до середини відростка альвеолярного і електрополірують за розробленою методикою.

Обмежувач пластмаси формується на різних рівнях титанового базису з піднебінної та оральної поверхні нижче за вершину альвеолярного гребеня на 3-4 мм, методом хімічного фрезерування. Уздовж лінії «А» проводиться хімічне фрезерування для створення ретенційної ділянки при фіксації базисної пластмаси. Наявність пластмаси вздовж лінії «А» потрібна для можливості подальшої корекції клапанної зони.

У клініці лікар визначає центральне співвідношення щелеп традиційними методами. Постановка зубів і приміряння в ротовій порожнині не відрізняються від аналогічних операцій при виготовленні простих знімних протезів. Далі в лабораторії віск замінюють на пластмасу та полірують. У цьому виготовлення знімного зубного протеза з титановим базисом закінчено (рис.6).

Рис.6.

Для надпластичного формування в Росії часто використовується вітчизняна технологія, вітчизняна установка (оригінальна Російська запатентована установка та методика) та вітчизняні листові заготовки вітчизняного сплаву ВТ 14 .

Можна з упевненістю стверджувати, що надпластична формування титанових сплавів має чудові перспективи подальшого розвитку, т.к. поєднує високу довговічність, біоінертність та естетичність.

2.4.Комп'ютерне фрезерування (CAD/CAM)

CAD/CAM – це абревіатура, яка розшифровується як computer-aided design/drafting та computer-aided manufacturing, що дослівно перекладається як «комп'ютерна допомога в дизайні та виробництві». За змістом - це автоматизація виробництва та системи автоматизованого проектування та розробки.

З розвитком технологій, ортопедична стоматологія також пройшла еволюція від часів бронзової людини, коли прив'язувалися штучні зуби золотим дротом до сусідніх зубів. сучасної людини, що використовує технологію CAD/CAM. У момент появи CAD/CAM технологія позбавлена ​​всіх недоліків, властивих технологіям лиття, наприклад, усадки, деформації, у тому числі і при вилученні відлитих коронок, мостоподібних протезів або їх каркасів. Відсутня небезпека порушення технології, наприклад, перегріву металу під час лиття або повторне використання литників, що призводить до зміни складу сплаву. Відсутня усадка каркаса після нанесення керамічного облицювання, можлива деформація при знятті воскових ковпачків з гіпсової моделі, пори та раковини при литті, непролиті ділянки тощо. Основним недоліком технології CAD/CAM є висока собівартість, що дозволяє широко впровадитися цієї технології в ортопедичну стоматологію. Хоча, заради справедливості варто відзначити, що практично з кожним роком з'являються дедалі дешевші установки. Початкова технологія CAD/CAM була комп'ютером з необхідним програмним забезпеченням, на якому проводилося тривимірне моделювання незнімного протеза з подальшим комп'ютерним фрезеруванням з точністю до 0.8 мікрон з цільного металевого або керамічного блоку. На малюнку 7 зображено сучасну CAD/CAM установку.

Рис.7.

За допомогою CAD/CAM можна виготовляти:

• одиночні коронки та мостоподібні протези малої та великої протяжності;
• телескопічні коронки;
• індивідуальні абатменти для імплантатів;
• відтворити повну анатомічну форму для моделей прес-кераміки, що наноситься на каркас (overpress);
• створити тимчасові коронки в повний профіль та різні ливарні моделі.

В даний час, якщо розглядати CAD/CAM як установку для обробки титанових сплавів, то дуже велике поширення (з огляду на невелику собівартість) набуло виготовлення індивідуальних абатментів. Зовнішній вигляд таких абатментів представлено малюнку 8.

Рис.8.

Нижче наведено приклад алгоритму роботи зубного техніка із застосуванням CAD/CAM установки. Вона досить універсальна. І якщо вести мову безпосередньо про титан, то цей алгоритм буде приблизно таким самим.

Опис роботи із застосуванням сучасних CAD/CAM технологій:

Крок 1: Зліпок. Гіпсова модель. Отримання зліпка порожнини рота виконується так само, як і при традиційні методикизубопротезування. З отриманого зліпка виготовляється гіпсова модельщелепи пацієнта.

Крок 2: Сканування. Головною метою цього кроку є отримання цифрових даних, на основі яких буде побудовано електронні тривимірні моделі необхідних виробів (коронки, протези, мости тощо). Оцифровані дані зберігаються у форматі STL. Результатом сканування та основою роботи є тривимірна комп'ютерна геометрична модель (у вигляді STL-файлу) ділянки ротової порожнини, на якій планується встановити зубний протез. Сканер компанії Nobel показаний малюнку 9.

Рис.9.

Крок 3: Тривимірне моделювання (3D). Отриманий на етапі 2 STL-файл імпортують в CAD систему. Вона варта створення комп'ютерних моделей коронок, протезів, мостів тощо. з подальшою їх передачею в CAM систему для програмування обробки на верстаті з ЧПУ. Система була розроблена спеціально для техніків, у ній використовується відповідна термінологія та зручний інтуїтивний інтерфейс. Програма орієнтована недосвідченого у використанні CAD систем користувача.

На цьому кроці зубний технік повинен вибрати з бази даних найбільш підходящий формою зуб і доопрацювати його засобами до потрібної форми. База даних, що поставляється, містить модель коронок під кожен зуб. Для редагування геометрії використовують інтуїтивно зрозумілі функції скульптурного моделювання. У процесі моделювання можна масштабувати комп'ютерну модель, щоб у процесі спікання компенсувати усадку та отримати коронку максимально точних розмірів. Як приклад малюнку 10 показаний інтерфейс програми, у якому моделювали ідивідуальний абатмент.

Рис.10.

Крок 4: Програмування обробки. Після опрацювання геометрії виробів у системі отримані дані передаються в CAМ систему. Вона призначена для програмування обробки виробів на верстатах з ЧПУ. У CAM-системі генеруються траєкторії обробки, які за допомогою постпроцесора переводяться на зрозумілу верстату «мова» - в програму, що управляє. Ця програма орієнтована на недосвідчених користувачів, які не мають досвіду роботи з CAМ системами та програмування верстатів з ЧПК.

Крок 5: Обробка протезів на верстаті з ЧПУ. Отримані керуючі програми відправляють на верстат із ЧПУ. Нижче на малюнку 11 показаний приклад процесу фрезерування трьох абатментів під нанесення та двох балок для протезів.

Рис.11.

2.5.3D друк (CAD/CAM)

Завдяки подальшій еволюції CAD/CAM технології, на зміну комп'ютерного фрезерування прийшла технологія 3D друку, яка дозволила зменшити собівартість та дала можливість виготовляти об'єкти будь-якої форми та складності, які неможливо було зробити до цього жодної з існуючих технологій. Наприклад, завдяки 3D друку можна виготовити цілий порожній об'єкт із будь-якою формою внутрішньої поверхні. Стосовно ортопедичної стоматології, можна виготовити порожнє тіло протеза, що дозволить, не зменшуючи міцності конструкції, зменшити його вагу.

Крім того, 3D принтери у стоматології гарантують прискорення обсягів виробництва та точність готових виробів. 3D принтери, як і комп'ютерні фрезери (ЧПУ) позбавляють зубних техніків дуже витратного часу процесу в роботі - ручного моделювання протезів, коронок та інших виробів. На малюнку 12 зображено 3D принтер X350pro німецької компанії RepRap.

Рис.12.

Технології CAD у 3D друку нічим не відрізняється від технології CAD при комп'ютерному фрезеруванні, і докладно вона описана у попередньому розділі.

Принцип процесу полягає в тому, що робиться нанесення шару металевого порошку, що має мікроскопічну товщину, на підкладку. Потім відбувається спікання, або точніше мікрозварювання лазером у вакуумі мікроскопічних зерен металу в необхідних ділянках шару. Зварювання - це процес перетворення порошку на цілісний матеріал з використанням високої температури, але без розплавлення самого матеріалу. Після цього зверху наноситься ще один шар порошку металу, і виробляється мікрозварювання лазером мікро зерен металу вже не тільки між собою, але і з нижнім шаром.

Унікальну форму кожного зуба точно передати за допомогою ручного виготовлення. Однак стоматологічні 3D принтери роблять непотрібними складні та застарілі методи виробництва. Завдяки новітнім технологіямі самим сучасним матеріаламготова продукція виходить у кілька разів швидше, ніж раніше.

Переваги 3D друку в зуботехнічній сфері:

• можливість виготовлення виробів з порожніми внутрішніми ділянками, що неможливо зробити методом фрезерування;
• значне прискорення виробництва необхідних виробів;
• збільшення обсягів виробництва без додаткового персоналу;
• можливість повторного використання матеріалу після очищення, що зводить відходи виробництва до нуля.

2.6.Виводи з другого розділу.

Зі всього викладеного вище можна зробити певні висновки. Титан був відомий ще з давніх-давен, але не знаходив застосування в стоматології через те, що довгий час не було технологій, для його обробки. З часом ситуація почала змінюватися і на сьогоднішній день титан обробляють кількома способами без шкоди естетики кінцевих реставрацій.

З моменту приходу титану до стоматології і до теперішнього часу з'явилося безліч методів його обробки. Усі вони мають як свої недоліки, так і свої переваги. Така різноманітність природно є незаперечним плюсом титану, оскільки кожна лабораторія, і кожен зубний технік зокрема може вибрати саме той метод роботи з титаном, який більше підходить залежно від поставлених завдань.

Провівши аналіз літератури, ми встановили, що з усіх існуючих або відомих методів обробки титану в стоматології найперспективнішим і найкращим методом є метод 3Д друку титаном, оскільки саме він має найбільшу кількість переваг і практично не має недоліків.

Висновок

З усього розібраного вище матеріалу можна зробити лише один висновок: титан дав нові ідеї та значно прискорив багато операцій. Незважаючи на свою більш ніж скромну історію, титан став лідируючим матеріалом у стоматології. Титанові сплави мають практично всі необхідні в ортопедичній стоматології якості, а саме: біоенергію, міцність, твердість, жорсткість, довговічність, корозійну стійкість, мала питома вага. Незважаючи на безліч незамінних для стоматології якостей, титан, проте, можна обробляти безліччю способів без втрати якості готових виробів. На сьогоднішній день вже є всі необхідні інструменти та обладнання для якісної обробки титанових сплавів.

Проаналізувавши всі методи виготовлення виробів з титану можна зробити висновок, що найпрогресивнішим методом є 3D друк. У порівнянні з іншими методами він має низку переваг, наприклад, простота самого процесу. На відміну від штампування титану, 3D друк має практично ідеальну точність. Технологія комп'ютерного фрезерування також забезпечує високу точність, але на відміну від 3D друку не може відтворювати порожнисті внутрішні частини виробу. І до того ж 3D друк дуже економічний, тому що практично позбавлений відходів виробництва, а матеріал, що залишився, використаний при друку, може бути повторно використаний після очищення. Литєвий метод та метод пластичної деформації вимагають наявності складного технологічного обладнання. А точність виготовлення виробів все одно не може зрівнятися із 3D печаткою.

На завершення можна зробити висновок, що саме метод 3D друку на сьогоднішній день є найбільш перспективним, прогресивним та економічно вигідним методом роботи з виробами із титанових сплавів у стоматології.

бібліографічний список

1. Журнал "Зубний технік". Титан – матеріал для сучасної стоматології / Олександр Модестов © ТОВ «Медична преса» (№ 3 (38) 2003) 1997-2015 рр.
2. Єрвандян, А.Г. CAD/CAM технології в ортопедичній стоматології [Електронний ресурс] / Арутюн Гегамович Єрвандян, 4.10.2015. – Режим доступу: https://www. – Загл. з екрану.
3. Трезубов, В.М. Ортопедична стоматологія. Прикладне матеріалознавство/В.М. Трезубов, Л.М. Мішнєв, О.М. Жульов. - М.: 2008. - 473 с.
4. sgma [Електронний ресурс] «CAD/CAM-технології: хороші новини для зуботехнічних лабораторій» Режим доступу: безкоштовний, 26.04.2008. http://sgma.ucoz.ru/publ/3-1-0-21 - Загл. з екрану
5. Миронова М.Л. «Знімні протези: навчальний посібник» - М.: «ГЕОТАР-Медіа» 2009.
6. Андрющенко І.А., Іванов Є.А., Красносільський І.А. "Нові сплави для зубних протезів" / / Актуальні питання ортопедичної стоматології. М., 1968.
7. Копєйкін В.М., Єфремова Л.А., Ілляшенко В.М. «Застосування нових сплавів у клініці ортопедичної стоматології»// Актуальні питання ортопедичної стоматології,- М.,1968.
8. Болтон У. «Конструкційні матеріали: метали, сплави, полімери, кераміка, композити.» М.: видавничий дім "Додека-XXI", 2004.
9. Нурт Р.В. пер.с англ. за ред. Пахомова Г.М. "Основи стоматологічного матеріалознавства". "КМК-Інвест" 2004.
10. Титан [Електронний ресурс]. Режим доступу: безкоштовний. http://chem100.ru/text.php?t=1926 - Загл. з екрану.

Титан та тантал – «компромісні» метали для медицини
Використання в медицині різних металовиробів практикується з давніх-давен. Поєднання таких корисних властивостейметалів та його сплавів, як міцність, довговічність, гнучкість, пластичність, пружність, немає альтернатив, зокрема, під час виготовлення ортопедичних конструкцій, медичного інструментарію, пристосувань для якнайшвидшого зрощування переломів. А в останні десятиліття завдяки відкриттю ефекту «пам'яті форми» та впровадженню інших інновацій метали стали широко застосовуватися також у судинній та нейрохірургії для виготовлення шовного матеріалу, сітчастих стентів для розширення вен та артерій, великих ендопротезів, в офтальмологічній та стоматологічній імплантології.

Однак далеко не всі метали придатні для застосування в медичній сфері, і головними деструктивними причинами тут виступають схильність до корозії і вступ у реакцію з живими тканинами - фактори, що мають руйнівні наслідки, як для металу, так і для самого організму.

Звичайно, поза конкуренцією стоять золото та метали платинової групи (платина, іридій, осмій, паладій, родій тощо). Тим не менш, можливість використання дорогоцінних металів для масового застосування практично відсутня через їхню надмірно високу вартість, та й поєднання корисних властивостей, затребуваних у тих чи інших конкретних клінічних ситуаціях, властиво благородним металам далеко не завжди.

Значне місце у цій сфері по сьогодні займають нержавіючі сталі, леговані певними добавками для отримання необхідних характеристик. Але подібні металоматеріали, які в сотні разів дешевші за дорогоцінні метали, недостатньо ефективно протистоять корозії та іншим агресивним впливам, що значно обмежує можливість їх застосування для цілого ряду медичних потреб. Крім того, перешкодою для приживлення виробів з нержавіючих сталей, що імплантуються всередину організму, є їх, конфлікт з живими тканинами, що зумовлює високий ризиквідторгнення та інших ускладнень.

Своєрідним компромісом між цими двома полюсами є такі метали, як титан і тантал: міцні, ковкі, майже не схильні до корозії, що мають високу температуруплавлення, а головне - зовсім нейтральні в біологічному відношенні, за рахунок чого сприймаються організмом як власна тканина і практично не викликають відторгнення. Що ж до вартості, то у титану вона не висока, хоча і значно перевершує аналогічний параметр нержавіючих сталей. Тантал же, будучи досить рідкісним металом, більш ніж удесятеро дорожчий за титан, але все одно обходиться набагато дешевше в порівнянні з дорогоцінними металами. При подібності більшості основних експлуатаційних властивостей за деякими з них він все ж таки поступається титану, хоча за деякими перевершує його, що, власне, і зумовлює актуальність застосування.

Саме з цих причин титан і тантал, нерідко звані «медичними металами», і навіть ряд їх сплавів, набули поширення у багатьох лікарських галузях. Розрізняючись по ряду характеристик і, тим самим, взаємно доповнюючи один одного, вони розкривають перед сучасною медициноювоістину неосяжні перспективи.

Нижче буде більш детально розказано про унікальні характеристики титану та танталу, основні сфери їх використання в медицині, застосування різних форм випуску даних металів для виготовлення інструментів, ортопедичного та хірургічного обладнання.

Титан і тантал – визначення, актуальні властивості

Титан для медицини

Титан (Ti) - легкий метал сріблястого відтінку, що зовні нагадує сталь - є одним з хімічних елементівПеріодичної таблиці, розміщеної у четвертій групі четвертого періоду, Атомний № 22 (рис. 1).

Малюнок 1. Титановий самородок.

Має атомну масу 47,88 при питомій густині 4,52 г/см 3 . Температура плавлення - 1669 ° С, температура кипіння -3263 ° С. У промислових марках із високою стійкістю є чотиривалентним. Характеризується гарною пластичністю та ковкістю.

Будучи одночасно легким і володіючи високою механічною міцністю, що вдвічі перевищує аналогічний показник Fe і вшестеро – Al, титан також має низький коефіцієнт теплового розширення, що дозволяє застосовувати його у широкому температурному діапазоні.

Титан характеризується низьким показником теплопровідності, вчетверо меншим у порівнянні із залізом і більш ніж на порядок меншим, ніж у алюмінію. Коефіцієнт терморозширення при 20°С невеликий, але збільшується в міру подальшого нагрівання.

Відрізняється даний матеріал і дуже високим показником питомого електроопору, який, залежно від наявності сторонніх елементів, може змінюватись в діапазоні 42·11 -8 ...80·11 -6 Ом·см.

Титан відноситься до парамагнітних металів, маючи невисокий показник електропровідності. І хоча у парамагнітних металів магнітосприйнятливість, як правило, зменшується в міру розігрівання, титан у цьому відношенні можна віднести до розряду винятків, оскільки його магнітосприйнятливість, навпаки, зростає зі збільшенням температури.

За рахунок суми вищезазначених властивостей титан абсолютно незамінний як вихідна сировина для різних областей практичної медицини та медичного приладобудування. І все ж таки найціннішою якістю титану для використання з цією метою є його найвища стійкість до корозійних впливів, і, як наслідок, гіпоалергенність.

Своєю корозійною стійкістю титан зобов'язаний тому, що при температурах аж до 530-560 ° С поверхня металу покрита міцною природною захисною плівкою оксиду TiO 2 абсолютно нейтральною по відношенню до агресивних хіміко-біологічних середовищ. Щодо стійкості до корозії титан порівняний з платиною та металами-платиноїдами, і навіть перевершує ці шляхетні метали. Зокрема, він виключно стійкий до дії кислото-лужних середовищ, не розчиняючись навіть у такому агресивному коктейлі, як царська горілка. Досить відзначити, що інтенсивність корозійного руйнування титану в морській воді, що має хімсклад багато в чому подібний до людської лімфи, не перевищує 0,00003 мм/рік або 0,03 мм протягом тисячоліття!

Завдяки біологічній інертності титанових конструкцій до організму людини, при імплантації вони не відторгаються і не провокують алергічних реакцій, швидко обтягуючись кістково-м'язовими тканинами, структура яких залишається постійною протягом усього життя.

Істотною перевагою титану є його цінова доступність, що зумовлює можливість масового застосування.

Марки титану та титанові сплави
Найбільш популярними медициною марками титану є технічно чисті ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. У них майже немає домішок, кількість яких настільки незначна, що коливається в межах нульової похибки. Так, у марці ВТ1-0 міститься близько 99,35-99,75% чистого металу, а в марках ВТ1-00 та ВТ1-00св, відповідно, – 99,62-99,92% та 99,41-99,93 %.

На сьогоднішній день в медицині використовується широкий спектр титанових сплавів, різних за своїм хімскладом, та механотехнологічних параметрів. Як легуючі добавки в них найчастіше використовуються Та, Al, V, Mo, Mg, Cr, Si, Sn. До найефективніших стабілізаторів можна віднести Zr, Au та метали платинової групи. При введенні в титан до 12% Zr його корозії стійкість збільшується на порядки. Досягти найбільшого ефекту вдається при додаванні в титан невеликої кількості Pt і платиноїдів Pd, Rh, Ru. Введення Ti лише 0,25% даних елементів дозволяє на десятки порядків зменшити активність його взаємодії з киплячими концентрованими H 2 SO 4 і HCl.

Широке поширення в імплантології, ортопедії та хірургії отримав сплав Ti-6Al-4V, що значно перевершує за експлуатаційними параметрами «конкурентів» на базисі кобальту та нержавіючих сталей. Зокрема, модуль пружності у титанових сплавів вдвічі нижчий. Для медичного застосування (імплантати для остеосинтезу, ендопротези суглобів і т.д.) це є великою перевагою, оскільки забезпечує більш високу механосумісність імплантату із щільними кістковими структурами організму, у яких модуль пружності становить 520 ГПа. Ще більш низькими показниками в цьому відношенні (до 40 ГПа і нижче) характеризуються титано-ніобієві сплави, розробка та впровадження яких є особливо актуальними. Однак прогрес не стоїть на місці, і сьогодні на зміну традиційному Ti-6Al-4V приходять нові медичні сплави Ti-6Al-7Nb, Ti-13Nb-13Zr і Ti-12Mo-6Zr, які не містять алюмінію та ванадію – елементів, які надають хоч і незначний, але все ж таки токсичний вплив на живі тканини.

Останнім часом все більш популярними для медичних потреб стають біомеханічно сумісні імплантати, матеріалом для виготовлення яких служить нікелід титану TiNi. Причиною зростання популярності даного сплаву є властивий йому т. зв. ефект запам'ятовування форми (ЕЗФ) Його сутність полягає в тому, що контрольний зразок, будучи деформованим при знижених температурах, здатний постійно зберігати набуті обриси, а при подальшому нагріванні - відновлювати початкову конфігурацію, демонструючи при цьому надпружність. Нікелід-титанові конструкції незамінні, зокрема, при лікуванні хребетних травм та дистрофії опорно-рухового апарату.

Тантал для медицини

Визначення та корисні характеристики
Тантал (Ta, лат. Tantalum) - важкий тугоплавкий метал сріблясто-блакитного «свинцевого» відтінку, якому зобов'язаний плівці, що покриває його, пентаоксиду Ta 2 O 5 . Є одним із хімічних елементів Періодичної таблиці, розміщеним у побічній підгрупі п'ятої групи шостого періоду, атомний № 73 (рис. 2).

Малюнок 2. Кристали танталу.

Тантал має атомну масу 180,94 при високій питомій густині 16,65 г/см 3 при 20 °C (для порівняння: питома густина Fe – 7,87 г/см 3 , Рв – 11,34 г/см 3). Температура плавлення – 3017 °С (більш тугоплавкими є тільки W і Re). 1669 ° С, температура кипіння - 5458 ° С. Тантал характеризується властивістю парамагнітності: його питома магнітосприйнятливість за кімнатної температури становить 0,849·10 -6 .

Даний конструкційний матеріал, поєднуючи в собі високі показники твердості та пластичності, в чистому вигляді добре піддається механообробці будь-якими способами (штампування, прокатка, кування, протяжка, скручування, різання тощо). При низьких температурах обробляється без сильної наклепу, піддаючись деформаційним впливам (ст. стиснення 98,8%) і не потребуючи при цьому попереднього випалу. Тантал не втрачає пластичності навіть у разі його заморожування до –198 °C.

Значення модуля пружності танталу становить 190 Гн/м 2 або 190 102 кгс/мм 2 при 25 °С, завдяки чому він легко переробляється в дріт. Здійснюється також випуск найтоншого танталового листа (товщина приблизно 0,039 мм) та інших конструкційних напівфабрикатів.

Своєрідним «двійником» Та є Nb, що характеризується безліччю подібних якостей.

Тантал відрізняє виняткову стійкість до агресивних середовищ. Це є однією з найцінніших його властивостей для застосування у багатьох галузях, включаючи медичну. Він стійкий до впливу таких неорганічних агресивних кислот, як HNO 3 H 2 SO 4 HCl H 3 PO 4 а також органічних кислот будь-яких концентрацій. За цим параметром його перевершують лише шляхетні метали, та й то не завжди. Так, Та, на відміну від Au, Pt та багатьох інших дорогоцінних металів, «ігнорує» навіть царську горілку HNO 3 +3HCl. Дещо менша стійкість танталу спостерігається по відношенню до лугів.

Висока корозиестойкость Та проявляється щодо атмосферного кисню. Процес окислення починається лише за 285 °С: на металі формується поверхнева захисна плівка пентаоксиду танталу Ta 2 O 5 . Саме наявність плівки з цього єдино стабільного з усіх оксидів Та робить метал несприйнятливим до агресивних реагентів. Звідси - така особливо цінна для медицини характеристика танталу, як висока біосумісність з організмом людини, що сприймає танталові конструкції, що вживляються в нього, як власну тканину, без відторгнення. На цій цінній якості засновано медичне використанняТа у таких сферах, як відновна хірургія, ортопедія, імплантологія.

Тантал входить до рідкісних металів: його запаси в земній корі становлять приблизно 0,0002%. Це спричиняє високу вартість даного конструкційного матеріалу. Ось чому настільки поширене застосування танталу у вигляді тонких плівок, що наносяться на основний метал, захисних антикорозійних покриттів, що мають, до речі, в три-чотири рази більшу твердість, ніж чистий відпалений тантал.

Ще частіше тантал використовується у вигляді сплавів як легуючу добавку в менш дорогі метали для надання сполукам комплексу необхідних фізико-механічних і хімвластивостей. Сталеві, титанові та інші металеві сплави з додаванням танталу широко потрібні в хіміко-медичному приладобудуванні. З них зокрема практикують виготовлення змійовиків, дистиляторів, аераторів, рентгенівської апаратури, пристроїв контролю тощо. У медицині тантал та його сполуки застосовують також з метою виготовлення обладнання для операційних.

Примітно, що в ряді областей тантал, як менш дорогий, але має безліч адекватних експлуатаційних характеристик, здатний успішно замінювати дорогоцінні метали платиноїрідієвої групи.

Марки танталу та його сплави
Основними марками нелегованого титану із вмістом домішок у межах статистичної похибки є:

• ТВЧ: Ta – 99,9%, (Nb) – 0,2%. Інші домішки, такі як (Ti), (Al), (Co), (Ni), містяться у тисячних та десятитисячних частках відсотка.
• ТВЧ 1: Хімічний склад зазначеної марки на 99,9% складається з Ta. Ніобію (Nb), який завжди присутній у промисловому танталі, відповідає лише 0,03%.
• ТЧ: Та - 99,8%. Домішки (не більше %): 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%.

Високі показники твердості Ta дозволяють виготовляти на його основі тверді конструкційні сплави, наприклад, Ta з W (ТВ). Заміна сплаву TiС танталовим аналогом TaС суттєво оптимізує механічні характеристики конструкційного матеріалу та розширює можливості його застосування.

Актуальність застосування Та з медичною метою
На медичні потреби витрачається приблизно 5% виробленого у світі танталу. Незважаючи на це, значущість його використання у цій галузі важко переоцінити.

Як зазначалося, тантал одна із кращих металевих біоінертних матеріалів завдяки самоутворюваної його поверхні найтоншої, але дуже міцної і хімічно стійкої плівки пентаоксида Та 2 Про 5 . Завдяки високим показникам адгезії, що полегшує та прискорює процес зрощування імплантату з живою тканиною, спостерігається низький відсоток відторгнення танталових імплантатів та відсутність запальних реакцій.

З таких танталових напівфабрикатів, як лист, пруток, дріт та інші форми випуску, виготовляють конструкції, затребувані в пластичній, кардіо-, нейро- та остеохірургії для накладання швів, зрощення кісткових уламків, стентування та кліпування судин (рис. 3).

Малюнок 3. Танталова кріпильна конструкція у плечовому суглобі.

Застосування тонких танталових пластинчастих та сітчастих конструкцій практикується в щелепно-лицьовій хірургії та для лікування черепно-мозкових травм. Волокнами танталової пряжі заміняють тканину м'язів та сухожилля. За допомогою танталу Хірурги використовують танталове волокно при порожнинних операціях, зокрема з метою зміцнення стінок черевної порожнини. Танталові сітки незамінні у сфері офтальмопротезування. Найтонші танталові нитки використовують навіть для регенерації нервових стволів.

І, звичайно, Та та його сполуки, поряд з Ti, повсюдно застосовують в ортопедії та імплантології для виготовлення суглобових ендопротезів та стоматологічного протезування.

З початку нового тисячоліття набуває все більшої популярності інноваційна сфера медицини, в основу якої закладено принцип використання статичних електрополів для активізації в людському організмібажаних біопроцесів Науково доведено наявність високих електретних властивостей покриття з танталу пентаоксиду Та 2 Про 5 . Титанооксидні електретні плівки вужа набули поширення в судинній хірургії, ендопротезуванні, створенні медичних інструментів та приладів.

Практичне застосування титану та танталу у конкретних галузях медицини

Травматологія: конструкції для зрощування переломів

В даний час для якнайшвидшого зрощування переломів все частіше застосовують таку інноваційну технологіюяк металевий остеосинтез. З метою забезпечити стабільне положення кісткових уламків використовують різні фіксуючі конструкції, як зовнішні, так і внутрішні, що імплантуються в тіло. Однак застосовувані раніше сталеві вироби показують невисоку ефективність через їх схильність до корозії під впливом агресивного середовища організму і явища гальванізації. В результаті настає як швидке руйнування самих фіксаторів, так і реакція відторгнення, що викликає запальні процеси на тлі сильних больових відчуттів внаслідок активної взаємодії іонів Fe з фізіологічним середовищем кістково-м'язових тканин в електричному полі організму.

Уникнути небажаних наслідківдозволяє виготовлення титанових і танталових фіксаторів-імплантатів, що мають властивість біосумісності з живими тканинами (рис. 4).

Малюнок 4. Титанові та танталові конструкції для остеосинтезу.

Подібні конструкції простих і складних змін можуть бути використані для тривалого чи навіть постійного впровадження в організм людини. Це особливо важливо для літніх пацієнтів, оскільки позбавляє їх необхідності операції з видалення фіксатора.

Ендопротезування

Штучні механізми, що імплантуються хірургічним шляхомв кісткову тканину називаються ендопротезами. Найбільшого поширення набуло ендопротезування суглобів – тазостегнового, плечового, ліктьового, колінного, гомілковостопного тощо. Процес ендопротезування завжди є складною операцією, коли частина суглоба, що не підлягає природному відновленню, видаляється з подальшою її заміною на імплантат-ендопротез.

До металевих компонентів ендопротезів пред'являється низка серйозних вимог. Вони повинні одночасно мати властивості жорсткості, міцності, еластичності, можливість створення необхідної поверхневої структури, стійкість до корозійних впливів з боку організму, що виключає ризик відторгнення, іншими корисними якостями.

Для виготовлення ендопротезів можуть бути використані різні біоінертні метали. Чільне місце серед них займають титан, тантал та їх сплави. Ці довговічні, міцні та зручні в обробці матеріали забезпечують ефективну остеоінтеграцію (сприймаються кістковою тканиною як природні тканини організму та не викликають з його боку негативних реакцій) та швидке зрощення кісток, гарантуючи стабільність протеза на тривалі терміни, що обчислюються десятиліттями. На рис. 5 представлене застосування титану в артропластику стегна.

Малюнок 5. Титановий ендопротез кульшового суглоба.

При ендопротезуванні як альтернативу використанню суцільнометалевих конструкцій широко використовують метод плазмового напилення на поверхню неметалічних компонентів протеза захисних покриттів біосумісних на основі оксидів Ti і Та.

Чистий титан та його сплави. У сфері ендопротезування знаходять широке застосуванняяк чистий Ti (напр. CP-Ti з вмістом Ti 98,2-99,7%), і його сплави. Найбільш поширений з них Ti-6AI-4V при високих показникахміцності, характеризується корозієстійкістю та біологічною інертністю. Сплав Ti-6A1-4V відрізняється особливо високою механічною міцністю, маючи торсіонно-аксіальні характеристики, гранично близькі до аналогічних параметрів кістки.

Наразі розроблено цілу низку сучасних титанових сплавів. Так, у хімічному складі сплававши Ti-5AI-2,5Fe та Ti-6AI-17 Niobium не міститься токсичний V, крім того, вони відрізняються низьким значенням модуля пружності. А сплаву Ti-Ta30 властива наявність модуля терморозширення, який можна порівняти з аналогічним показником металокераміки, що зумовлює його стійкість при тривалій взаємодії з металокерамічними компонентами імплантату.

Тантало-цирконієві сплави. У сплавах Та+Zr поєднуються такі найважливіші для ендопротезування властивості, як біосумісність із тканинами організму на основі корозійної та гальванічної стійкості, поверхнева жорсткість та трабекулярна (пориста) структура. металевої поверхні. Саме завдяки властивості трабекулярності можливе значне прискорення процесу остеоінтеграції – нарощування на металевій поверхні імплантату живої кісткової тканини.

Еластичні ендопротези із дротяної титанової сітки. Завдяки високій пластичності та легкості у сучасній відновлювальній хірургії, інших медичних галузях активно використовуються інноваційні еластичні ендопротези у вигляді найтоншої дротяної титанової сітки-«павутини». Пружна, міцна, еластична, довговічна та зберігає властивість біоінертності, сітка є ідеальним матеріалом для ендопротезів м'яких тканин (рис. 6).

Малюнок 6. Сітчастий ендопротез із титанового сплаву для пластики м'яких тканин.

«Павутину» вже успішно випробували у таких сферах, як гінекологія, щелепно-лицьова хірургія та травматологія. На думку фахівців, сітчасті титанові ендопротези не знають собі рівних у плані стабільності за практично нульового ризику побічних проявів.

Титано-нікелеві медичні сплави з ефектом запам'ятовування форми

Сьогодні у різних галузях медицини знаходять стала вельми поширеною сплави з нікеліду титану, мають т. зв. з ефектом запам'ятовування форми (ЕЗФ). Даний матеріал застосовують для ендопротезування зв'язково-хрящової тканини опорно-рухового апарату людини.

Нікелід титану (міжнародний термін нітінол) є інтерметалідом TiNi, який отримують шляхом сплавлення в рівних пропорціях Ti і Ni. Найважливішою характеристикою нікелід-титанових сплавів є властивість надпружності, на якій і базується ЕЗФ.

Сутність ефекту полягає в тому, що зразок при охолодженні певному діапазоні температур легко деформується, причому деформація самоусувається при підвищенні температури до початкового значення з виникненням надпружних властивостей. Іншими словами, якщо пластину зі сплаву нітінол вигнути при зниженій температурі, то в цьому ж температурному режимівона буде зберігати свою нову форму як завгодно довго. Однак варто лише підвищити температуру до вихідної, пластина знову випрямиться подібно до пружини і набуде початкової форми.

Зразки продукції медичного призначенняіз сплаву нітінол показані на поданих нижче рис. 7, 8, 9, 10.

Малюнок 7. Набір імплантатів з нікеліду титану для травматології (у вигляді скоб, скріп, фіксаторів тощо).

Малюнок 8. Набір імплантатів із нікеліду титану для хірургії (у вигляді затискачів, дилататорів, хірургічного інструментарію).

Рисунок 9. Зразки пористих матеріалів та імплантатів із нікеліду титану для вертебрології (у вигляді ендопротезів, виробів пластинчастої та циліндричної конфігурації).

Малюнок 10. Матеріали та ендопротези з нікеліду титану для щелепно-лицьової хірургії та стоматології.

Крім цього, нікелід-титанові сплави, як і більшість виробів на титановій основі, біоінертні внаслідок високої корозії та гальваностійкості. Таким чином, це ідеальний по відношенню до організму людини матеріал для виготовлення біомеханічно-сумісних імплантатів (БМСІ).

Застосування Ti та Та для виготовлення судинних стентів

Стентами (від англ. stent) - в медицині називають спеціальні, що мають вигляд пружних сітчастих циліндричних каркасів, металоконструкції, що містяться всередину великих судин (вен і артерій), а також інших порожнистих органів (стравохід, кишечник, жовчо-сечові протоки та ін.) на патологічно звужених ділянках з метою їх розширення до необхідних параметрів та відновлення прохідності.

Найбільш затребуваним є застосування методу стентування в такій сфері, як судинна хірургія, і, зокрема, коронарна ангіопластика (рис. 11).

Малюнок 11. Зразки титанових та танталових судинних стентів.

На сьогоднішній день науково розроблені та впроваджені в реальну практику судинні стенти більш ніж півтисячі різних типівта конструкцій. Вони різняться між собою за складом вихідного сплаву, довжиною, конфігурацією отворів, видом поверхневого покриття, іншим робочим параметрам.

Вимоги до судинних стентів покликані забезпечити їх бездоганну функціональність, а тому різноманітні і дуже високі.

Дані вироби мають бути:

• біосумісними з тканинами організму;
• гнучкими;
• еластичними;
• міцними;
• рентгеноконстрастими і т.д.

Основними матеріалами, що використовуються сьогодні при виготовленні металостентів, є композиції. благородних металів, а також Та, Ti та його сплави (ВТ6С, ВТ8, ВТ 14, ВТ23, нітінол), що повністю біоінтегруються з тканинами організму і поєднують у собі комплекс всіх інших необхідних фізико-механічних властивостей.

Зшивання кісток, судин та нервових волокон

Периферичні нервові стовбури, пошкоджені внаслідок різних механічних травм чи ускладнень тих чи інших захворювань, потребують відновлення у серйозному хірургічному втручанні. Положення посилюється тим, що зазвичай подібні патологіїспостерігаються на тлі травмування супутніх органів, таких, як кістки, судини, м'язи, сухожилля та ін У цьому випадку розробляється комплексна програма лікування з накладенням специфічних швів. Як вихідна сировина для виготовлення шовного матеріалу – ниток, скріп, фіксаторів і т.д. - використовуються титан, тантал та їх сплави, як метали, що володіють хімічною біосумісністю та всім комплексом необхідних фізикомеханічних властивостей.

На наведених нижче малюнках зображені приклади подібних операцій.

Малюнок 12. Зшивання кістки титановими скріпами.

Малюнок 13. Зшивання пучка нервових волокон із застосуванням найтонших танталових ниток.

Малюнок 14. Зшивання судин із застосуванням танталових скріпок.

В даний час розробляються все більш досконалі технології нейро-остео-і вазопластики, проте титано-танталові матеріали, що застосовуються для цього, продовжують утримувати пальму першості перед усіма іншими.

Пластична хірургія

Пластичною хірургієюназивають усунення хірургічним шляхом дефектів органів із єдиною метою відтворення їх ідеальних анатомічних пропорцій. Часто при цьому подібні реконструкції виконуються з використанням різних металевих виробів, що імплантуються в тканини, у вигляді пластин, сіток, пружин і т.д.

Особливо показова в цьому плані краніопластика – операція з виправлення деформації черепа. Залежно від показань у кожній конкретній клінічній ситуації краніопластика може виконуватися за допомогою накладання на ділянку жорстких титанових пластин або еластичних сіток з танталу. В обох випадках допускається застосування як чистих металів без добавок, що легують, так і їх біоінертних сплавів. Приклади краніопластики із застосуванням титанової пластинита танталової сітки представлені на наведених нижче малюнках.

Малюнок 15. Краніопластика із використанням титанової пластини.

Малюнок 16. Краніопластика із застосуванням танталової сітки.

Титано-танталові конструкції можуть застосовуватися також при косметичному відновленні обличчя, грудей, сідниць та багатьох інших органів.

Нейрохірургія (накладення мікрокліпсів)

Кліпуванням (англ. clip затискач) називається нейрохірургічна операція на судинах головного мозку, що має на меті зупинити кровотечу (зокрема, при розриві аневризми) або вимкнути з кровообігу травмовані дрібні судини. Сутність методу кліпування полягає в тому, що на пошкоджені ділянки накладаються мініатюрні затискачі металеві - кліпси.

Затребуваність методу кліпування насамперед у нейрохірургічній сфері пояснюється неможливістю перев'язування дрібних мозкових судин традиційними способами.

У зв'язку з різноманітністю і специфікою клінічних ситуацій, що виникають, в нейрохірургічній практиці використовується широка номенклатура судинних кліпсів, що різняться за конкретним призначенням, способом фіксації, розмірним та іншим функціональним параметрам (рис. 17).

Рисунок 17. Кліпси для виключення аневризм головного мозку.

На фотографіях кліпси здаються великими, насправді за розмірами вони не більше нігтики дитини і встановлюються під мікроскопом (рис. 18).

Рисунок 18. Операція з кліпування аневризм судини головного мозку.

Для виготовлення кліпсів, як правило, використовують плоский дріт із чистого титану або танталу, у деяких випадках із срібла. Такі вироби абсолютно інертні щодо мозкової речовини, не викликаючи реакцій протидії.

Стоматологічна ортопедія

Широке медичне застосування титан, тантал та його сплави знайшли у стоматології, саме у сфері протезування зубів.

Ротова порожнина – особливо агресивне середовище, що негативно впливає на металеві матеріали. Навіть такі традиційно використовувані при дентальному протезуванні дорогоцінні метали, такі як золото і платина, ротової порожнинине можуть повністю протистояти корозії та подальшому відторгненню, не кажучи вже про високу вартість і велику масу, викликає дискомфорту пацієнтів. З іншого боку, легкі ортопедичні конструкції з акрилової пластмаси також не витримують серйозної критики через свою недовговічність. Справжньою революцією у стоматології стало виготовлення окремих коронок, а також мостоподібних та знімних протезів на базисі титану та танталу. Дані метали, зважаючи на такі властиві їм цінних якостей, Як біологічна інертність і висока міцність при відносній дешевизні успішно конкурують із золотом і платиною, а по ряду параметрів навіть перевершують їх.

Великою популярністю, зокрема, користуються штамповані та цільнолиті титанові коронки (рис. 19). А коронки з плазмовим напиленням з нітриду титану TiN за зовнішнім виглядом та функціональними властивостями практично не відрізняються від золотих (рис. 19)

Малюнок 19. Цільнолита титанова коронка та коронка з напилюванням з нітриду титану.

Що ж до протезів, всі вони можуть бути незнімними (мостовидними) на відновлення кількох поруч зубів, що стоятьабо знімними, що використовуються при втраті всього зубного ряду (повна адентія щелепи). Найбільш поширені протези - бюгельні (від нім. Der Bogen "дуга").

Бюгельний протез вигідно відрізняє наявність металевого каркаса, на якому кріпиться базова частина (рис. 20).

Малюнок 20. Бюгельний протез нижньої щелепи.

Сьогодні бюгельна частина протезу та кламери виконуються, як правило, із чистого медичного титану високої чистоти марки ТВЧ.

Справжньою революцією в стоматології стала дедалі більш затребуваною технологія імплантаційного зубного протезування. Протезування на імплантатах – найнадійніший спосіб кріплення ортопедичних конструкцій, які в цьому випадку є десятиліттями або навіть довічно.

Дентальний (зубний) імплантат – опора для коронок, що служить, а також мостоподібних і знімних протезів двоскладова конструкція, базова частина якої (власне імплантат) являє собою конусний штифт з різьбленням, що загвинчується безпосередньо в кістку щелепи. На верхню платформу імплантату встановлюється абатмент, який служить для фіксації коронки або протеза (рис. 21).

Рисунок 21. Зубний імплантат Nobel Biocare із чистого медичного титану класу 4(G4Ti).

Найчастіше для виготовлення гвинтової частини імплантату служить чистий медичний титан з поверхневим тантал-ніобієвим напиленням, що сприяє активізації процесу остеоінтеграції – зрощування металу з живими кістковими та ясенними тканинами.

Однак деякі виробники воліють виготовляти не двоскладові, а цілісні імплантати, в яких гвинтова частина та абатмент мають не роздільну, а монолітну структуру. При цьому, наприклад, німецька компанія Zimmer виробляє цілісні імплантати з пористого танталу, який, порівняно з титаном, має більшу гнучкість і впроваджується в тканину кістки з практично нульовим ризиком ускладнень (рис. 22).

Малюнок 22. Цілісні зубні імплантати Zimmer із пористого танталу.

Тантал, на відміну від титану – більш важкий метал, тому пориста структура істотно полегшує виріб, не викликаючи, до того ж, необхідності додаткового зовнішнього напилення остеоінтегруючого покриття.

Приклади імплантаційного протезування окремих зубів (коронки) та шляхом встановлення на імплантати знімних протезів показані на рис. 23.

Рисунок 23. Приклади застосування титано-танталових імплантатів у зубному протезуванні.

Нині, на додаток до вже існуючим, розробляються нові методики протезування на імплантатах, що показують високу ефективність у різних клінічних ситуаціях.

Виготовлення медичного інструментарію

Сьогодні у світовій клінічній практицівикористовується сотні різновидів різних хірургічних і ендоскопічних інструментів і медичної апаратури, що виготовляються із застосуванням титану і танталу (ГОСТ 19126-79 «Інструменти медичні металеві. Загальні технічні умови». Вони вигідно відрізняються від інших аналогів за показниками міцності, пластичності. .

Титанові медінструменти по легкості майже вдвічі перевершують сталеві аналоги, будучи більш зручними і довговічними.

Малюнок 24. Хірургічні інструменти, виготовлені на титано-танталовій основі.

Основними медичними галузями, у яких найбільше затребуваний титаново-танталовий інструментарій, є офтальмологічна, стоматологічна, отоларингологічна та хірургічна. У складі великої номенклатури інструментів представлені сотні найменувань шпателів, кліпсів, розширювачів, дзеркал, затискачів, ножиць, щипців, скальпелів, стерилізаторів, тубусів, доліт, пінцетів, різних пластин.

Біохімічні та фізикомеханічні характеристики легких титанових інструментів мають особливу цінність для військово-польової хірургії та різних експедицій. Тут вони абсолютно незамінні, оскільки в екстремальних умовах буквально кожні 5-10 грамів зайвого вантажу є суттєвим тягарем, а стійкість до корозії та максимум надійності – обов'язкові вимоги.

Титан, тантал та їх сплави у вигляді монолітних виробів або тонких захисних покриттів активно застосовують у медичному приладобудуванні. Їх використовують при виготовленні дистиляторів, насосів для перекачування агресивних середовищ, стерилізаторів, компонентів наркозо-дихальної апаратури, найскладніших пристроїв для дублювання роботи життєво важливих органів типу "штучне серце", "штучне легеня", "штучна нирка" та ін.

Титанові головки апаратів для УЗД мають найтриваліший експлуатаційний ресурс, при тому, що аналоги з інших матеріалів навіть при нерегулярному впливі ультразвукових коливань швидко стають непридатними.

На додаток до вище сказаного можна відзначити, що титан, як і тантал, на відміну від інших металів, мають здатність до десорбування («відштовхування») випромінювання радіоактивних ізотопів, у зв'язку з чим активно застосовуються у виробництві різних захисних пристроїв і радіологічної апаратури.

Висновок

Розробка та виробництво виробів медичного призначення – один з напрямків науково-технічного прогресу, що найбільш інтенсивно розвиваються. З початком третього тисячоліття медична наука і техніка увійшли до основних рухових сил сучасної світової цивілізації.

Значення металів у людській життєдіяльності неухильно зростає. Революційні зміни відбуваються на тлі інтенсивного розвитку наукового матеріалознавства та практичної металургії. І ось уже в останні десятиліття «на щит історії» піднято такі промислові метали, як титан і тантал, які з усіма підставами можна назвати конструкційними матеріалами нового тисячоліття.

Значення титану у сучасному лікуванні просто неможливо переоцінити. Незважаючи на відносно нетривалу історію використання в практичних ціляхВін став одним з лідируючих матеріалів у багатьох медичних галузях. Титан і його сплави мають для цього суму всіх необхідних характеристик: корозієстійкість (і, як наслідок, біоінертність), а також легкість, міцність, твердість, жорсткість, довговічність, гальванічна нейтральність і т.д.

Не поступається титану у плані практичної значущості та тантал. При загальній схожості більшості корисних властивостей за деякими якостями вони поступаються, а за деякими перевершують один одного. Ось чому важко, та й навряд чи розумно об'єктивно судити про пріоритетність якогось одного з цих металів для медицини: вони радше органічно доповнюють один одного, ніж конфліктують між собою. Досить відзначити, що нині активно розробляються і знаходять реальне застосування медичних конструкцій на основі титано-танталових сплавів, що поєднують у собі всі переваги Ti та Та. І далеко не випадково останніми роками робляться більш успішні спроби створення імплантованих безпосередньо в організм людини повноцінних штучних органів з титану, танталу та їх сполук. Наближається час, коли, скажімо, поняття "титанове серце" або "танталові нерви" впевнено перейдуть з розряду фігур мови в суто практичну площину.