POUŽITÍ NANOSTRUKTURNÍHO TITANU PRO NITROKOSTNÍ IMPLANTÁTY USAGE OF NANOSTRUCTURED TITANIUM FOR ENDOSTEAL IMPLANTS Daniel HRUŠÁK a, Michal ZEMKO b, Luděk DLUHOŠ c, Libor KRAUS b a Stomatologická klinika LFUK v Plzni, alej Svobody 80, 304 60 Plzeň - Lochotín, Česká republika, hrusak@fnplzen.cz b COMTES FHT a.s., Průmyslová 995, 334 41 Dobřany, Česká republika, comtes@comtesfht.cz c Timplant s.r.o., Sjednocení 77/1, 725 25 OSTRAVA - Polanka, Česká republika, timplant@timplant.cz Abstrakt Titan, je v současné době nejpoužívanějším kovem na výrobu pasivních implantabilních prostředků zdravotnické techniky, jako jsou např. nitrokostní implantáty. Je mezinárodně uznávaným materiálem pro medicínské aplikace zvláště pak jakost dle normy ASTM F67-06 a třídy čistoty Grade 1 až 4. Pro použití titanu jako konstrukčního prvku implantátů jsou zásadní 3 parametry: 1. chemická čistota, 2. mechanické vlastnosti - pevnost a za 3. biologické vlastnosti materiálu. Pro oblasti medicíny využívající implantabilní kovové materiály se nabízí k využití objemový nanostrukturní titan, jehož výroba spočívá v tváření vstupního titanu technologií SPD - těžkou plastickou deformací, při které zůstávají chemické vlastnosti stejné, ale mechanické vlastnosti výrazně lepší ve vztahu k pevnosti. Nanostrukturní titan si zachovává všechny významné a biologicky příznivé vlastnosti z hlediska použití v implantační medicíně, díky nimž se čistý titan stal preferovaným materiálem i pro dentální implantáty. Nanostrukturní titan (nti) předčí jiné materiály, používané v této aplikaci, svými měrnými mechanickými vlastnostmi, důležitými pro zachování dlouhodobé bezpečné funkce biologického implantátu. Pro použití nanostrukturního titanu v medicínských aplikacích, jeho rozšířené využití k implantibilním zdravotnickým prostředkům, je z důvodu dlouhodobé expozice v lidském organizmu důležité exaktní zmapování všech vlastností nanotitanu. Autoři článku řeší projekt, kterého jeden z cílů je navrhnout standardizaci metodiky chemických, mechanických a biologických rozborů, zkoušek a testů, které budou sloužit jako podklad pro zařazení nti do seznamu mezinárodně uznávaných materiálů pro medicínské aplikace. Z výsledků tohoto výzkumu získá výrobce znalosti o biologickém chování materiálů podle parametrů chemického složení a čistoty, materiálové struktury a mechanických vlastností nanotitanu pro aplikace v medicíně a bude moci modifikovat výrobu stanovením optimální varianty parametrů chemické složení, čistota - mechanické vlastnosti. Abstract Titanium is currently the most frequently used metal for manufacturing passive implantable medical devices, such as endosteal implants. It is an internationally recognized material of choice for medical applications. This applies, in particular, to the material specified by ASTM F67-06, purity Grade 1 to 4. The use of titanium as a structural material for implants depends on its 3 fundamental characteristics: 1) chemical purity, 2) mechanical properties: strength and 3) biological properties.
For those fields of medicine where implantable metallic materials are used, bulk nanostructured titanium is available. It is manufactured by SPD techniques (Severe Plastic Deformation). This forming process leaves the chemical properties of the initial material unchanged but markedly improves its final mechanical properties, in particular the strength. Nanostructured titanium retains all the significant and, from the biological viewpoint, desirable properties important for its use in implants, i.e. those properties which made pure titanium the preferred material for dental implants as well. Nanostructured titanium outperforms other materials used in this application thanks to its mechanical properties per unit. These properties are important for safe and long-term service of the implant. Due to the long-term human exposure, the use of nanostructured titanium in medical applications and implantable medical devices requires thorough investigation of properties of this material. A project carried out by authors of the present paper aims, among other outcomes, at drafting a proposal for standardization of methods of chemical, mechanical and biological testing and analyses as one of background documents for inclusion of nanostructured titanium in a list of internationally recognized materials for medical applications. Outcomes of this research effort will provide manufacturers with data on behaviour of materials in biological environment in relation to their chemical composition and purity and with information on the structure and mechanical properties of nanostructured titanium for medical applications. The manufacturer will thus be able to modify the production process by setting optimum parameter values for chemical composition, purity and mechanical properties. 1. ÚVOD Kovové náhrady lidských orgánů jsou od druhé poloviny minulého století až do současnosti převážně vyráběny z titanu a jeho slitin. Titán za toto postavení vděčí zejména své biokompatibilitě. [1] Mechanické vlastnosti komerčně čistého titanu (cpti) nedosahují pro některé náročné aplikace požadované mechanické vlastnosti. Nevýhodou čistého titanu jeho relativně nízká pevnost v tahu a nízká únavová pevnost (charakterizující odolnost proti cyklickému namáhání). Pro implantabilní medicínské aplikace je podle normy ASTM F67 naopak výhodou relativně nízký modul pružnosti technicky čistého neboli komerčně čistého titanu v Grade 1 až Grade 4. [2] Vysoké pevnosti v tahu i únavovou pevnost dosahují titanové slitiny. Mezi obvyklé legující prvky slitin Ti patří hliník, vanad (TiAl4V - Grade 5), chrom, paladium, měď, zirkon apod. Příměsi kovu v titanových slitinách sice zlepšují mechanické vlastnosti, avšak mohou mít negativní vliv na biotolerabilitu těchto materiálů. Tyto prvky patří do skupiny těžkých kovů a je zcela zřejmé, že dlouhodobým působením tělních tekutin může docházet k uvolňování do organismu. Mechanickými vlastnostmi (únavovou pevností i pevností v tahu), při zachování nízkého modulu pružnosti a především při biokompatibilitě titanu se vyznačuje nanostrukturní čistý titan (nanotitan - nti) v čistotě 99%. Nanomateriály jsou obecně nazývané materiály, jejichž stavební prvky mají rozměry v nanometrech tj. v 10-9 m. Materiál nti Gr. 4 má 2,25 krát vyšší mez pevnost v tahu než cpti Gr.4, 1,35 krát vyšší mez pevnosti než slitina Ti-6Al-4V obsahující potenciálně toxické prvky, 1,37 krát a 1,44 krát vyšší mez pevnosti než Ti slitiny Ti-6Al-7Nb a Ti-15Mo-5Zr.
Biologicky odlišné chování je obecně známou vlastností nanomateriálů, dosud nejsou známy ani prokázány mechanismy tohoto jevu, které nedokáže dnes komplexně prokázat ani výrobce tohoto nanomateriálu. Jak ukázaly naše předběžné studie a zkoušky uplatňuje se v živých tkáních další efekt nanostruktuního materiálu, kterým jsou změněné biologické vlastnosti, které vykazují v nanostruktuovaném povrchu výrazně lepších vlastností ve vztahu k adherujícím živým buňkám. Většímu nasazení nti brání jeho obtížná výroba. Titanový polotovar musí být opakovaně podroben intenzivní plastické deformaci, která zjemní mikrostrukturu řádově s velikosti zrn 10-30 µm na 0,1-0,5 µm (50-500 nm). V současnosti je nti schopná produkovat jenom jedna ruská univerzita v laboratorních podmínkách. Mateřské organizace autorů tohoto příspěvku vytvořili konsorcium, které si klade za cíl zavést průmyslovou výrobu nti polotovarů na území České republiky. 2. VLASTNOSTI NANOTITANU Norma ASTM F67 pro implantabilní medicínské aplikace udává chemické složení a mechanické vlastnosti technicky čistého neboli komerčně čistého titanu v Grade 1 až Grade 4. jak je uvedeno v Tab.1.-2. Tab 1. Chemické složení cpti - grade 1-4 dle ASTM F67 Table 1 Chemical composition of cpti - grade 1-4 according to the ASTM F67 Tab 2. Mechanické vlastnosti cpti - grade 1-4 dle ASTM F67 Table 2 Mechanical properties of cpti - grade 1-4 according to the ASTM F67 Struktura konvenčních materiálů je tvořena zrny o rozměrech řádově desítek mikronů (10-6 m) Struktura objemových nanostrukturních materiálů je v jejich celém objemu, nikoliv jen v povrchové tenké vrstvě. Objem je tvořen zrny o rozměrech menších než stovky nanometrů (100 10-9 m) Obr. 1
20. - 22. 10. 2009, Rožnov pod Radhoštěm, Česká Republika Transversal cross-section, 1000x Longitudinal cross-section, 1000x Obr. 1 Mikrostruktura nti Grade 4 Fig. 1 nti microstructure Grade 4 Nanostrukturní titan se vyrábí z komerčně čistého CP titanu technologií intenzivní plastické deformace, tzv. SPD (Severe Plastic Deformation).Mechanické vlastnosti cpti, a nanostrukurního Ti, z něho vyrobeného jsou uvedeny v Tab. 3. Tab 3. Mechanické vlastnosti cpti, a nti Table 3 Mechanical properties of cpti, and nti Mez pevnosti Mez kluzu Tažnost Modul pružnosti Mez únavy při [MPa] [MPa] [%] [GPa] 10 cyklů [MPa] cpti 700 530 20 105 340 nti 1240 1200 12 100 620 Materiál 6 Nanostrukturní titan má kromě vysokých mechanických vlastností také zvýšenou biokompatibilitu v porovnání s klasickým cpti. Příznivé výsledky dosavadních klinických aplikací ukazují na jeho vliv na vývoj a výslednou kvalitu léčení. Odezva živé tkáně na implantovaný materiál je bezprostředně vázána na vlastnosti povrchu implantátu. K charakteristikám povrchu patří jeho topografie, chemické složení, krystalická struktura a její homogenita, drsnost a biotolerance. Žádoucí parametry povrchu jsou také významně ovlivněny sterilizací povrchu. Studiem vlivu povrchu implantátu na biomechanické vlastnosti a oseointegraci se zabývá řada autorů [1-3]. První klinická aplikace z nti je dentální implantát Nanoimplant. Podle údajů výrobce firmy Timplant s.r.o., bylo do poloviny letošního roku vyrobeno už několik tisíc nanostrukturních implantátů Nanoimplant. Orientační přehled celkového počtu zavedených implantátů 491 u pěti českých lékařů ukazuje, že většina těchto implantátů byla zatížena do 48 hodin po zavedení (Obr. 2.)
Obr. 2. Zavedení tří Nanoimplantátů do místa 45 a 46 s okamžitým zatížením (prim. MUDr. D. Hrušák,PhD.) Fig. 2 Application of three Nanoimplats to the places 45 and 46 with immediate loading (prim. MUDr. D. Hrušák,PhD.) 3. VÝROBA NANOTITANU V současnosti se nti vyrábí v laboratorních podmínkách na Technické univerzitě v Ufě kombinací zpracování ECAP a následovným termo-mechanickým zpracováním s použitím kování a tažení. [4] Jedná se o kusovou výrobu a produkce nepokrývá potřeby trhu. Byla zahájena příprava na výrobu nti ve firmě COMTES FHT na komerčně dostupném zařízení typu Conform Jedná se o zařízení pro kontinuální protlačovaní profilů, tyčí a drátů. Pracoviště bude dovybaveno manipulačními zařízeními pro zavedení materiálu do deformační zóny a jeho následné vyvedení. Před zahájením výroby je potřebné upravit jak stávající geometrii, tak i materiál nástrojů protože výrobní stroje Conform jsou standardně nasazovány jenom pro zpracování hliníku, mědi a jejich slitin. Firma COMTES FHT má více než pětileté zkušenosti s vývojem nástrojů pro technologie tváření s extrémní deformací, a také zkušenosti s materiálovými analýzami a numerickým modelováním nanostrukturních materiálů. Pro potřeby numerické simulace výroby nti byly provedeny mechanické zkoušky cpti v intervalu teplot 20-500 C pro dvě rychlosti deformace. Výsledky jsou uvedeny v Tab 4..a na Obr. 3. Na základě zkoušek byly vytvořeny materiálové data pro MKP program DEFORM.
Tab 4. Výsledky mechanických zkoušek cpti - grade 4 Table 4 Results of mechanical tests of cpti - grade 4 Specimen Temp. Vel. R p0,2 R m A 5 Z C [mm/min] [MPa] [MPa] [%] [%] Ti_20C_1_a 20 1 610,8 649,0 13,0 62,5 Ti_20C_1_b 20 1 626,4 655,0 15,0 61,1 average 618,6 652,0 14,0 61,8 Ti_20C_100_a 20 100 663,1 693,1 14,8 58,5 Ti_20C_100_b 20 100 660,8 693,4 14,5 60,4 average 661,9 693,2 14,7 59,4 Ti_300C_1_a 300 1 349,5 366,6 23,3 78,7 Ti_300C_1_b 300 1 349,6 369,2 23,2 78,4 average 349,5 367,9 23,2 78,5 Ti_300C_100_a 300 100 411,9 423,4 19,8 76,5 Ti_300C_100_b 300 100 396,2 409,4 17,5 75,3 average 404,1 416,4 18,7 75,9 Ti_500C_1_a 500 1 171,1 189,7 43,1 96,5 Ti_500C_1_b 500 1 172,6 192,8 42,2 96,5 average 171,9 191,3 42,6 96,5 Ti_500C_100_a 500 100 249,7 268,0 21,1 91,7 Ti_500C_100_b 500 100 245,4 265,9 28,4 92,7 average 247,6 266,9 24,8 92,2 800 700 Stress in MPa 600 500 400 300 200 Ti_20C_1_a Ti_20C_1_b Ti_20C_100_a Ti_20C_100_b Ti_300C_1_a Ti_300C_1_b Ti_300C_100_a Ti_300C_100_b Ti_500C_1_a Ti_500C_1_b Ti_500C_100_a Ti_500C_100_b 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Strain extensometer in % Obr. 3. Naměřené křivky napětí - deformace pro cpti - grade 4 Fig. 3. Measured stress - strain curves of cpti - grade 4
Byl vytvořen počítačový model zařízení Conform v programu DEFORM 3D. (Obr. 4.-5.). Model umožňuje detailně analyzovat proces s důrazem na navržení optimální geometrie nástrojů a výběr jejich materiálů s ohledem na velikost a stav namáhání. V současnosti probíhá výroba první sady nástrojů pro experimentální protlačování cpti - grade 4. Obr. 4. Sestava modelu pro simulace procesu Conform Fig. 4. Model assembly for Conform process simulation Obr. 5. Tok materiálu v deformační zóně Fig. 5 Material flow in deformation area
4. ZÁVĚR Bylo prokázáno, že nanostrukturní titan, díky svým mechanickým a biologickým vlastnostem umožňuje konstrukci implantátu tenčích průměrů při zachování teoretické i skutečné pevnosti. Proto jsou mechanické i biologické vlastnosti nti nyní předmětem dalšího výzkumu v rámci grantové podpory MPO ČR v programu TIP FR-Tl1//415. V rámci řešení téhož projektu bude zřízena výroba polotovarů z nanostrukturního titánu, čímž se vzhledem k informacím známým z literatury stane Česká republika jediným světovým producentem nanotitanu v průmyslovém měřítku. LITERATURA [1] BAEK-HEE LEE, et al. Effect of surface on biomechanical properties and osseointegration. Materiál Science and Engineering C 28 (2008) s. 1448-1461. [2] HRUŠÁK,D., BŘEZINA,V., DLUHOŠ,L. Biologické vlastnosti nanotitanu. In: Středoevropské sympozium VIII Brněnské implantologické dny. 8. Brno. 2006. s.18. ISBN 80-210-4150-1. [3] HRUŠÁK,D., BŘEZINA,V., DLUHOŠ,L.: Biologické vlastnosti nanotitanu. In: Středoevropské sympozium VIII Brněnské implantologické dny. 8. Brno. 2006. s.18. ISBN 80-210-4150-1 [4] VALIEV, R. Z., et-al. Nanostructured Titanium for Biomedical Applications. Advanced engineering materials 2008, 10, No. 8 [5] ARNOLD, C., HRUŠÁK, D., DLUHOŠ, L.: Nanoimplantáty - vlastnosti a indikace. StomaTeam CZ, 2007,1, ISSN1214-147X,s. 26-30