Biomateriale metalice utilizate la executia tijelor centromedulare zavorate

Mares Mihail-Razvan

Biomateriale utilizate: o otel inoxidabil 316Lo titano aliaje de titan

ProprietatiAvantajeDezavantaje

Aspecte teoretice

Domeniul biomaterialelor a devenit un domeniu important pentru că aceste materiale pot îmbunătăţi calitatea şi longevitatea vieţii umane.

Biomaterialele sunt folosite în diferite zone ale corpului omenesc precum valve artificiale, stenturi în vasele sanguine, implante de înlocuire pentru umăr, genunchi, şold, cot, ureche şi structuri orodentare. Sunt folosite deasemenea ca simulatoare cardiace şi pentru reconstrucţia tractului urinar.

Un exemplu foarte cunoscut de utilizare a acestor biomateriale sunt tijele zăvorâte care se folosesc pentru tratarea fracturilor sistemului scheletal (Figura 1).

Biomaterialele

Figura 1. Poziţionarea unei tije centromedulare zăvorâtă

Designul şi selecţia biomaterialelor depinde de aplicaţia medicală.

Proprietăţile mecanice decid tipul de implant ce va fi selectat pentru o anumită aplicaţie. Unele dintre cele mai importante proprietăţi sunt: duritatea, rezistenţa la tracţiune, modulul şi alungirea.

Răspunsul materialelor la solicitările ciclice este determinat de rezistenţa la oboseală a materialului, iar această proprietate determină și succesul pe timp îndelungat al implantului.

Succesul biomaterialelor depinde în principal de reacţia corpului uman la implant

Cerintele unui biomaterial

Materiale folosite în prezent pentru implantări chirurgicale includ oţelul inoxidabil 316L, aliaje cobalt-crom (Co-Cr), titanul si aliajele sale.

Pentru execuţia tijelor centromedulare zăvorâte sunt utilizate doar oţelurile inxoxidabile austenitice, titanul şi aliajele de titan.

Materiale metalice biocompatibile folosite in prezent si limitarile lor

Selectarea naturală a materialelor pe bază de titan, se datorează incredibilei sale combinaţii de caracteristici precum rezistenţa mare la uzură, densitate mică, imuninate mare la coroziune, faptului că este inert în organismul uman, biocompatibilitate sporită , modul de elaticitate mic şi o mare capacitate de a se uni cu osul precum şi cu alte ţesuturi.

Modulul de elasticitate al câtorva biomateriale reprezentative este prezentat în Figura 2.

Titanul

Rezistenţa aliajelor pe baza de titan este foarte apropiată de cea a 316 L, iar densitatea sa este cu 55% mai mică decât cea a oţelului iar atunci când sunt comparate după rezistenţa mecanică specifică (rezistenţă/densitate), aliajele de titan surclasează orice alt biomaterial.

Proprietăţile mecanice ale titanului şi ale principalelor aliaje de titan biocompatibile sunt prezentate în tabelele urmatoare.

Materialul Standardul Rezistenţa la tracţiune

(Mpa)

Tipul de structură

Prima generaţie (1950 – 1990)

Ti comercial pur ( grad 1-4) ASTM 1341 240 - 550 α

Ti-6Al-4V forjat ASTM F136 860 - 965 α +β

Ti-6Al-4V Grad standard ASTM F1472 895 - 930 α +β

Ti-6Al-7Nb forjat ASTM F1295 900 - 1050 α +β

Ti-5Al-2,5Fe - 1020 α +β

Generaţia a doua (1990-până în prezent)

Ti-13Nb-13Zr forjat ASTM F1713 973-1037 β Metastabil

Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF) ASTM F1813 1060-1100 β

Ti-35Nb-7Zr-5Ta (TNZT) 596 β

Ti-29Nb-13Ta-4,6Zr 911 β

Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0,4V (TNZTO) 1010 β

Ti-15Mo-5Zr-3Al β

Ti-Mo ASTM F2066 β

Tabelul 1Proprietăţile mecanice ale aliajelor de titan

Conţinut oxigen / microstructură Rm (MPa) Rezistența la

tracțiune (MPa)

Alungire

a %

Ra % KIC (MPa/m1/2)

0,15-0,2%, echiaxă 951 1020 15 35 61

0,15-0,2%, lamelar 884 949 13 23 78

0,13% echiaxă maximă 830 903 17 44 91

0,18-0,2% echiaxă 1068 1096 15 40 54

Tabelul 2Proprietăţile mecanice ale aliajelor biomedicale ale titanului

Element de aliere Rm (MPa) R0.2 (MPa) Alungirea (%) Reducerea

suprafeţei (%)

Ti-30Nb-Xta-5Zr

Ta (0-20) 698-823 575-798 19,3-43,8 51,3-73,0

(scade odată cu

creşterea

procentului de

Ta)

(scade odată cu

creşterea

procentului de

Ta)

Ti-XNb-Ta-5Zr

Nb (20-39) 742-806 704-779 11,6-22,6 19,0-62,4

(scade odată

cu creşterea

procentului de

Nb)

(scade odată

cu creşterea

procentului de

Nb)

-

Ti-XNB-13Ta-4,6Zr

Nb (29-39) 715 590 15 -

612 600 22 -

Ti-35Nb-7Zr-5Ta-X0

0,0-0,68 590-1074 - 21-27 47-69

Motivul eşecului implantelor se datorează eliberării de particule de uzură în ţesutul înconjurător, care duce la resorbţia osului, care la rândul ei conduce în final la slabirea stabilităţii implantului (un exemplu este prezentat în Figura 2).

Consecinţele acestui proces duc la slabirea implantului şi de aici şi nevoia de înlocuire a lui cu unul nou.

Uzura aliajelor metalice biocompatibile

Figura 2. Exemplificarea efectului particulelor de uzură în cazul unei proteze de şold

Acoperiri pentru creşterea rezistenţei la uzură şi coroziune

oTehnici de modificare a suprafeţei precum metodele de depuneri fizice (implantare ionică şi acoperiri prin pulverizarea în plasmă), tratamentele de suprafaţă termochimice (nitrurarea, carburarea) sunt folosite pentru a mări duritatea şi rezistenţa suprafeţelor aliajelor de Ti.

Modificările de suprafaţă ale biomaterialelor metalice folosite la aplicaţii medicale

Osteointegrarea care este procesul vindecării osului şi formarea osului nou este scopul clinic al implantării chirurgicale.

Din momentul în care implantul este fixat într-un organism, un număr de reacţii biologice apar în diferite etape.

Procesul ce va apărea depinde de proprietăţile suprafeţei precum compoziţia chimică, topografia, rugozitatea şi în principal de energia suprafeţei ce se schimbă odată cu schimbarea proprietăţilor anterior menţionate.

Mai multe metodologii au fost adoptate pentru a atinge o compatibilitate biomecanică bună, precum realizarea unor suprafeţe poroase, acoperiri cu nanoparticule ceramice, acoperiri cu oxizi şi tratamente termice la cald, pentru a reduce dimensiunile grăunţilor.

Acoperirea pentru îmbunătăţirea osteointegrării

Pentru a acoperi o rază cât mai mare de fracturi, incluzându-le şi pe cele ce implică axul femural, tija Gamma are două versiuni, standard şi lungă. De curând gama modelelor a fost extinsă pentru a include şi o tijă trohanteriană.

Tija Gamma standard are trei diametre (11, 12 şi 14 mm), cele mai folosite fiind cele de 11 mm diametru.

Lungimea tijei standard este de 20 cm, pe când cea trohanterică a fost scurtată la 18 cm deoarece se adresează exclusiv fracturilor tohanteriene. Dacă fractura se extinde în ax, sau în cazul unor fracturi patologice, tija Gamma lungă ar trebui folosită, ea având lungimi între 36-44 cm.

Cele trei tije sunt disponibile cu trei unghiuri de intrare are şurubului de ghidaj (1250, 1300 şi 1350).

Clasificarea tijelor centromedulare zavorate.

Principalele modele de tije: (a) tijă femurală distală-sunt tije tubulare, cu inserare retrogradă, care utilizează şuruburi de blocare distale de 6 mm şi proximale de 5mm; (b) tijă trohanteriană-permite compresia interfragmentară, foloseşte şuruburi de bocare de 5mm; (c) tijă femurală-prevăzută cu patru sisteme de zăvorâre, cu şuruburi de 5 mm sau cu lame.