Motywacją do napisania tego artykułu były rozmowy z klientami na temat materiałów, z których produkujemy implanty oraz wynikające nieporozumienia z definicji tego czym jest implant tytanowy.
Dla większości osób odpowiedź wydaje się oczywista – implanty tytanowe wykonywane są z tytanu. Nie jest to jednak do końca prawda, ponieważ większość implantów kostnych, dostępnych na rynku produkowana jest ze stopu tytanu. Dlaczego tak jest i czy stop tytanu jest lepszy od czystego tytanu dowiecie się w dalszej części artykułu.
Tytan i jego stopy
Aby sklasyfikować tytan i jego stopy przy każdym materiale znajdujemy oznaczenie jego odmiany czyli „Grade X”, gdzie X jest numerem od 1 do 38.
Czysty tytan
Czysty tytan oznaczany jest numerami od 1 do 4. Poniżej przedstawiamy krótką charakterystykę każdej z odmiany:
Grade 1 – najbardziej miękka i plastyczna odmiana tytanu, przez co znajduje zastosowanie tam gdzie możliwość jego formowania ma największe znaczenie. Charakteryzuje się doskonałą odpornością na korozję i dużą odpornością na uderzenia.
Grade 2 – najbardziej popularna odmiana czystego tytanu, posiadająca te same cechy co Grade 1, ale wyróżniająca się większą wytrzymałością (spowodowaną większą zawartością tlenu). Ta odmiana znajduje szerokie zastosowanie do produkcji implantów.
Grade 3 i 4 – odmiany tytanu o większej zawartości tlenu niż Grade 2, zapewniającej większą wytrzymałość. Odmiany te są powszechnie stosowane w przemyśle, a w medycynie znajdują zastosowanie głównie do produkcji narzędzi chirurgicznych oraz implantów stomatologicznych.
Stopy tytanu
Stopy tytanu oznaczane są numerami od 5 do 38. Ze względu na dużą ilość odmian skupimy się na najbardziej popularnych z nich:
Grade 5 (Ti6Al4V) – najbardziej powszechnie stosowany na świecie stop tytanu. Szacuje się, że stanowi on ponad 50% całkowitego wykorzystania tytanu na świecie. Swoją popularność zawdzięcza unikatowym cechom takim jak: wysoka wytrzymałość przy niewielkiej wadze, duża odporność na korozję oraz łatwa obróbka w stosunku do innych odmian.
Nazwa stopu Ti6Al-4V oznacza, że oprócz tytanu w skład stopu wchodzi 6% aluminium oraz 4% wanadu. Grade 5 znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu np. lotniczym, kosmicznym, morskim oraz oczywiście medycznym, gdzie jest to jeden z podstawowych stopów stosowanych do produkcji implantów.
Grade 7 (Ti0.15Pd) – mechaniczny odpowiednik czystego tytanu Grade 2 charakteryzujący się łatwością w obróbce oraz największą ze wszystkich odmian odpornością na korozję. Z tego powodu znajduje głównie zastosowanie w przemyśle chemicznym.
Grade 11 (Ti0.15Pd) – odpowiednik Grade 1 o zwiększonej odporności na korozję poprzez dodanie palladu. Znajduje głównie zastosowanie w przemyśle chemicznym i morskim.
Grade 12 (Ti0.3Mo0.8Ni) – bardzo wytrzymały stop charakteryzujący się bardzo dobrą spawalnością oraz wytrzymałością w wysokich temperaturach.
Grade 23 (Ti6AL4V ELI) – odpowiednik Grade, 5 ale o wyższej czystości, czyli o mniejszej zawartości tlenu, azotu i żelaza. Jest to najlepszy wybór w sytuacji, w której wymagana jest wysoka wytrzymałość, lekkość, dobra odporność na korozję oraz duża wytrzymałość. W porównaniu do Ti6AL-4V posiada większą ciągliwość oraz większą odporność na pękanie.
Tytan w medycynie
Najbardziej istotne właściwości mechaniczne, które pozwalają zdecydować o typie materiału stosowanego do budowy implantów to: granica sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie, moduł odkształcalności liniowej oraz twardość.Z kilkudziesięciu dostępnych na rynku odmian tytanu największe znaczenie dla celów inżynierii biomedycznej mają 3 odmiany: Grade 2, Grade 5 oraz Grade 23.
Którą odmianę wybrać zależy bezpośrednio od zastosowania implantu, ponieważ każda z odmian charakteryzuje się innymi parametrami mechanicznymi. Kluczowe parametry decydujące o wytrzymałości implantu to granica sprężystości oraz wytrzymałość na rozciąganie. Z danych udostępnianych przez producentów tytanu wynika, że stopy Grade 5 oraz 23 cechują się prawie 2 razy lepszą wytrzymałością w porównaniu do czystego tytanu. Na korzyść czystego tytanu przemawia niższa wartość modułu Younga, jednak jest ona niższa tylko o 12%.
Skoro zatem stopy tytanu mają znacznie lepsze parametry mechaniczne od czystego tytanu to czy warto w ogóle stosować czysty tytan?
Stosowane w implantologii stopy tytanu zawierają aluminium oraz wanad, pierwiastki sprawiające, że ich produkty korozji są toksyczne dla pacjenta. Nie jest to jednak zjawisko powszechne, ponieważ tytan oraz jego stopy są bardzo dobrze chronione przed korozją dzięki procesowi pasywacji, polegającym na samoistnym tworzeniu się na ich powierzchni (przy kontakcie z powietrzem) szczelnej, stabilnej warstwy tlenkowej TiO2. Warstwa ta chroni przed przepuszczaniem niebezpiecznych pierwiastków do organizmu ludzkiego. Jednakże w bardzo rzadkich sytuacjach może dojść do uszkodzenia powierzchni implantu i przerwania ciągłości warstwy tlenkowej, co może skutkować przedostaniem się do organizmu toksycznych jonów metali.
Innymi słowy czysty tytan jako materiał na implanty jest najbardziej biozgodnym, metalicznym materiałem, jednakże ze względu na jego słabsze parametry mechaniczne, zasięg jego zastosowania jest zazwyczaj ograniczony do produkcji implantów dentystycznych.
Wytrzymałość na rozciąganie (ang. Ultimate Tensile Strength) – to maksymalne naprężenie, które materiał wytrzymuje w czasie rozciągania (zanim pęknie).
Moduł odkształcalności liniowej (ang. Modulus of elasticity) – zwany także modułem Younga to wielkość określająca sprężystość materiału. Niższa wartość oznacza większą elastyczność.
Granica sprężystości (ang. Yield strength) – oznacza naprężenie, po przekroczeniu którego ciało nie powraca do pierwotnego kształtu po usunięciu naprężenia.
Ti6Al4V vs Ti6Al4V-ELI
W pozostałych zastosowaniach do wyboru mamy 2 stopy Ti6Al4V (Grade 5) oraz Ti6Al4V-ELI (Grade 23). Ti6Al4V-ELI (Grade 23) jest niemalże taki sam jak Ti6Al4V (Grade 5), ale skrót ELI (Extra Low Interstitials) oznacza, że stop charakteryzuje się większą czystością, tzn. zawiera mniejszą ilość tlenu, azotu, węgla oraz żelaza. Większa czystość zapewnia poprawę ciągliwości oraz większą odporność na pękanie materiału, co ma szczególne znaczenie w mocno obciążanych implantach (np. implantach ortopedycznych).
Implant wyłącznie w standardzie medycznym
Tytan w postaci surowego materiału produkowany jest w kilku standardach, określonych normą organizacji ASTM International. Przykładowo tytan Ti6Al4V Grade 5 dostępny jest na rynku w kilku wersjach, np. ASTM B265, B348 lub F1472. Skoro tak, to w jaki sposób określić, z którego z nich można wykonać implant? Wydawałoby się, że skoro mamy do czynienia z tym samym stopem to niepotrzebne są dodatkowe standardy i oznaczenia. Jednak każdy producent w różny sposób może realizować proces wytwarzania tego samego materiału, tym samym może zostać wytworzony wg różnych norm. Podstawowe normy dotyczące tytanu podzielić można na normy zdefiniowane dla tytanu do zastosowań przemysłowych oraz medycznych.
Tytan przemysłowy:
- ASTM B265
- ASTM B348
Tytan medyczny:
- ASTM F67 (ISO 5832-2) – Czysty tytan (Grade 2)
- ASTM F1472 (ISO 5832-3) – Stop 6AL4V (Grade 5)
- ASTM F136 (ISO 5832-3) – Stop 6AL4V ELI (Grade 23)
Implanty przez nas dostarczane produkujemy z tytanu Grade 2, Grade 5 oraz Grade 23 wytworzonego z zastosowaniem norm dla tytanu medycznego (ASTM F67 / F1472 / F136). Dla każdego klinicznego zastosowania doradzamy w doborze tytanu/stopu, ale jego ostateczny wybór zawsze pozostawiamy lekarzowi.
