Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

В работе выполнен анализ упругих характеристик (уровня, ориентационной зависимости и степени анизотропии) монокристаллов металлов Ti, TiNi-TiFe, Fe, применяемых для изготовления специального хирургического инструментария.

Упругие характеристики материалов медицинского назначения играют большую роль для функциональных свойств материалов и конструкций из них. Механическая совместимость абиотических материалов и инструментов предъявляет особые требования к их пассивному деформационному поведению, а динамика продвижения новых материалов для медицины имеет ряд особенностей, связанных с прохождением ими дополнительных тестов и сертификаций на предмет их дальнейшего использования. В силу этого обстоятельства лишь немногие из перспективных материалов "кандидатов" могут считаться практически ценными и рекомендованными к последующему медико-биологическому применению. Создатели современных материалов стремятся добиться деликатного и благоприятного взаимодействия между материалом и биологической средой, в которой он находится, и которая бы не оказывала обратного отрицательного влияния на сам материал.

В связи с этим являются актуальными знания и сравнительный анализ упругих свойств металлов и сплавов, используемых в сегодняшней медицине и медицинском приборостроении для изготовления инструментария. Тем не менее, сведения о величине и анизотропии упругих свойств медицинских металлических материалов в литературе разрознены и часто содержатся в труднодоступных источниках. В настоящей работе предпринята попытка в некоторой степени восполнить этот пробел на примере соединений на основе титана, никелида титана (нитинола) и железа.

Применение металлических материалов в медицине известно с давних времен. Высокой конкурентной способностью в этой сфере, не в последнюю очередь в связи со своей себестоимостью, до сих пор владели многочисленные легированные стали, например, наиболее широко известные материалы для внутрисосудистых окклюдеров и стентов - нержавеющие стали 300, 304 и 316L на основе железа Fe. Последние являются 8-и 9-и компонентными сплавами, соответственно. Помимо железа и минимального содержания углерода (< 0,3 %) в их состав входит большое количество никеля (10-15 %), хрома (8-21 %), а остальные компоненты, например, молибден (2-4 %), процентное содержание которых невелико, помогают стабилизировать кристаллографическую структуру и определяют физические характеристики сплава. Нержавеющие стали дешевле других материалов легко и поддаются обработке, однако их антикоррозионные свойства невысоки и от трения легко возникает коррозия.

Титан Ti получил более широкое распространение, например, в имплантационной хирургии в связи с тем, что имеет малый удельный вес и высокие механические свойства. Чистый титан характеризуется высокой коррозионной стойкостью вследствие того, что на его поверхности образуется тонкая окисная плёнка, которая защищает его от большинства агрессивных сред.

В 70-х годах произошло открытие, и затем широкое внедрение в клиническую практику новых биоадаптированных материалов с мартенситными превращениями и программируемым формоизменением - сверхэластичных сплавов с эффектом памятью формы. Среди определённого круга таких трансформируемых по свойствам металлических систем с памятью все жёсткие требования практического применения в медицине хорошо выдержали биоинертные сплавы на основе никелида титана TiNi.

Расчёт упругих постоянных и построение сечений поверхностей осуществлено на основании собственных и известных экспериментальных данных.

Наглядное представление об уровне и анизотропии модулей дают указательные поверхности (рис. 1,2). Длина радиуса-вектора, проведенного в любую точку указательной поверхности, равна значению модуля в соответствующем направлении.

p  p

Рис. 1. Ориентационная зависимость модулей Юнга в плоскостях (f  и сдвига в плоскостях f кристаллов Ti, TiNi, Fe.

p

Рис. 2. Эволюция ориентационной зависимости модуля Юнга и сдвига для сплавов системы TiFe-TiNi: 1 - Ti50Fe50 , 2 - Ti50Ni25Fe25, 3 - Ti50Ni35Fe15, 4 - Ti50Ni40Fe10, 5 - Ti50Ni45Fe5 , 6 - Ti50Ni48Fe2, 7 - TiNi (непосредственно перед мартенситным превращением).