I.BiomaterialeScurt istoricNefiind scris o istorie complet a biomaterialelor, se poate urmri dezvoltarea multimilenar a lor prin intermediul progreselor realizate n arta i tiin. Realizrile n domeniul biomaterialelor au la baz trei domenii tiinifice: chimia, biologia i fizica, apoi aplicaiile tehnice sau punerea n oper culminnd cu realizrile clinice. Din totdeauna oamenii au fost preocupai de restaurarea unor pri ale corpului, deteriorate sau pierdute datorit unor accidente sau boli. Printre primele griji ale oamenilor a fost restaurarea danturii care, de regul, se deteriora prima datorit modului de via i de hran. Astfel, cele mai vechi exemple de proteze dentare se pare c au fost lucrrilor din aur ale fenicienilor, etruscilor i, mai trziu, ale grecilor i romanilor. Aurul este considerat unul din cele mai vechi materiale utilizate, fiind folosit n scopuri stomatologice de cel puin 2500 ani . De asemenea, babilonienii, asirienii i egiptenii (4500 4000 en) prelucrau i utilizau aurul, argintul, cuprul i plumbul. Fenicienii (2700 en), unul din cel mai mare popor comercial al lumii antice, erau considerai cei mai pricepui metalurgiti ai antichitii au rspndit n bazinul mediteranian cultura prelucrrii metaleor precum cea a cositorului (epoca bronzului, 1000 3000 en) sau a fierului (~990 en). Dinii folosii de antici erau umani sau cioplii din dini de animal, precum cei din filde. Hippocrates (nscut n 460 en) utiliza firele din aur i in n imobilizarea fracturilor osoase. Tot Hippocrates a fost inventatorul unui clete de extracie dentar precum i a altor instrumente stomatologice. Se pare, totui, c n perioada antic materialele utilizate n restaurarea dentar erau simple i n numr redus, iar lucrrile erau grosolane. Realizrile n domeniul biomaterialelor n perioada de la nceputul erei noastre i pn n jurul anului 1500, datorit misticismului i fanatismului religios, sunt total dezamgitoare. Totui n anul 659 e.n. s-a turnat primul aliaj dentar utilizat de om n medicina chinez: amalgamul cu compoziia 100 pri Hg, 45 pri Ag i 900 pri Sn. Sfritul Evului mediu, marcat de inventarea tiparului (1436) i de descoperirea Americii (1492) constituie practic trezirea popoarelor. S-au nfiinat numeroase universiti cu faculti tehnice i medicale la Bolognia, Oxford, Paris sau Montpellier. Dei erau cunoscute nc din antichitate utilizarea foliilor de aur pentru obturarea cavitilor a reprezentat un salt semnificativ n tehnica de restaurare. O serie de scrieri ale lui Plinius (23 -79), Theophilus (sec.XI) i Cellini (1558) descriu activiti desfurate de pictori, bijutieri, sculptori, metalurgi etc. Niciunul dintre ei nu-i arog originalitatea practicilor lor, ceea ce demonstreaz existena acestor metode. Preotul Theophilus n Eseu asupra artelor descrie turnarea unei cupe de argint prin metoda cerii pierdute sau metoda eliminrii modelului de cear. Aceast metod s-a aplicat n stomatologie dup multe secole. De asemenea, i Plinius i Theophilus i Cellini au descris lipirea aurului prin utilizarea acetatului de cupru, salpetrului (azotat de potasiu) i boraxului. La sfritul secolului al XVI-lea, n Italia, Frana i Germania, dinii din os i filde se fixau de cei vecini prin srme de aur i argint. n 1728 Pierre Fouchard menioneaz plumbul, cositorul i aurul ca materiale de obturaie, iar utilizarea acelor dentare era o practic de rutin. Anul 1789 este anul introducerii porelanului n uzul dentar, un eveniment deosebit pentru practica utilizrii biomaterialelor n stomatologie. ncepnd cu secolul XVII (1746) ncep s apar primele cri despre stomatologia mecanic i deci i noi biomateriale restaurative. Studiul biomaterialelor a realizat un salt semnificativ dup 1900. Folosirea biomaterialelor nu a fost util pn la descoperirea tehnicii chirurgicale aseptice, descoperit i studiat de Lister n anii 1860. Interveniile chirurgicale precedente, fie c biomaterialele erau sau nu folosite, n general euau, din cauza infeciilor ce apreau. Problemele cauzate de infecii tind s se agraveze n prezena biomaterialelor, deoarece implantul poate fi incompatibil cu celulele care confer imunitate corpului. n general, implanturile care s-au bucurat de succes, att cele timpurii, ct i o mare parte a implanturilor moderne, au fost acelea realizate la nivelul sistemului osos. Plcile osoase au nceput s fie 1

nlocuite de pe la nceputul secolului XX, pentru vindecarea fracturilor. La nceput, primele placi se rupeau, din cauza modelului mecanic rudimentar : erau prea subiri, iar centrul de greutate era situat pe coluri. Totodat, s-a descopeit c materiale precum vanadiul, materiale alese tocmai pentru proprietile lor mecanice, sufereau procesul de coroziune n interiorul corpului. Modele i materiale mult mai bune au fost ulterior descoperite. Odat cu descoperirea metalelor inoxidabile, i a aliajelor de cobalt i crom n anii 1930, procesul de fixare i de vindecare a fracturilor a cunoscut mult mai mult succes, iar prima intervenie de nlocuire a articulailor a reuit. Ct despre polimeri, s-a descoperit c piloii de avioane de rzboi din timpul celui de-al II-lea Rzboi Mondial care erau rnii cu fragmente din acoperiul din plastic al aparatului de zbor (polimetil metacrilat PMMA), nu sufereau de reacii adverse cronice din cauza prezenei acelor fragmentate n corp. De atunci, PMMA a nceput sa fie foarte des folosit n operaiile de nlocuire a corneei sau chiar n nlocuirea unor poriuni de os cranian afectate. Ulterior, noi descoperiri s-au fcut n ceea ce privete folosirea biomaterialelor, cum ar fi de exemplu nlocuirea vaselor de snge, tehnic descoperit n anii 1950 ; nlocuirea valvulei cardiace i a articulaiilor n anii 1960. n ultimii ani, multe alte inovaii n acest domeniu au fost fcute. Astzi, exist centre specializate de studiere a biomaterialelor, afiliate sau nu, pe lng universiti de prestigiu, colective interdisciplinare de chimiti, biologi, fizicieni,informaticieni sau ingineri metalurgi. Cercetrile sunt focalizate pe materiale metalice, ceramice, polimerice sau de tip compozit. O statistica arata ca USA foloseste in cea mai mare proportie materialele biocompatibile fig.1.

2

II. INTRODUCERE IN BIOMATERIALE

S-a descoperit, c in tratarea bolilor si rnilor, pot fi utile o multitudine de materii nevii. Exemple comune ar fi suturile i lipirea dinilor. Prin biomaterial se intelege un material sintetic folosit pentru a nlocui o parte a unui sistem viu sau pentru a funciona in strnsa legatur cu un esut viu. Dup Catedra de Biomateriale a Universittii Clemson, in mod formal, biomaterialul este o substant inert din punct de vedere sistematic i farmacologic, creat pentru a fi implantat n sau pentru a convietui alturi de sisteme vii. Dimpotriv, prin material biologic se nalege un material cum ar fi structura osoas sau smalul dinilor, produs de un sistem biologic. Materiale artificiale care pur i simplu intr in contact cu pielea, cum ar fi aparatele auditive sau protezele pentru brae, nu sunt biomateriale de vreme ce pielea joac rol de barier fa de mediul extern. Biomaterialele sunt folosite, aa cum indic i Tabelul 1-1, pentru a nlocui o parte a corpului care i-a pierdut funciile din cauza unei boli, ca sprijin in procesul vindecrii, pentru a ameliora funcii i pentru a corecta anomalii. Importana biomaterialelor a crescut i datorit inovaiilor aduse n multe ramuri ale medicinei. De exemplu, o dat cu descoperirea antibioticelor, bolile infecioase nu mai reprezint o aa mare ameninare cum fuseser n trecut, aa nct bolile degenerative capt o mai mare importan. Ba mai mult, inovaiile n tehnicile de chirurgie au fcut posibil folosirea materialelor n domenii n care pn atunci nici nu fusese posibil utilizarea lor. In fig.2. este materialele biocompatibile si utilizarea lor specifica.

3

Aciunea i performana materialelor n corpul uman poate fi studiat din mai multe perspective. n primul rnd, putem caracteriza biomaterialele din punct de vedere al zonei cu probleme ce trebuie vindecat, ca n Tabelul 1.

Tabelul 2-1. Folosirea biomaterialelor . Zonele afectate nlocuirea unui pri bolnave sau afectate Exemple -articulaia artificial a oldului, aparat pentru dializ renal

mbunatirea funciilor Tratarea unor anomalii Corectarea problemelor cosmetice Ajutor n diagnosticare Ajutor n tratament

-suturi, proteze si uruburi osoase dentare -protez Harrington pentru coloana vertebral -mamoplastie, corectarea brbiei -probe i catetere -catetere, tuburi de dren

n al doilea rnd, putem lua n consideratie corpul doar la nivelul esuturilor, organelor (Tabelul 2) sau ntregului sistem (Tabelul 3). n al treilea rnd, putem pune accent pe clasificarea materialelor n metale, polimeri, ceramice i compuii lor, dup cum se prezint n Tabelul 2-4. n acest caz, funcia principal a unor materiale precum biomaterialele vizeaz felul cum interacioneaza materialul i corpul, mai exact, influena pe care o exercit mediul din corp asupra materialului i efectul materialului asupra corpului. 4

Tabelul.2. Biomateriale n organeOrgan Inim Pmni Ochi Ureche Oase Rinichi Vezica urinar Exemple -pacemaker cardiac, valvul cardiac artificial -oxigenator -lentile de contact, transplant de cristalin -aparate auditive, refacerea cosmetica a urechii externe -proteze osoase -aparat pentru dializa renal -cateter

Este evident faptul c cele mai curente aplicaii ale biomaterialelor vizeaz chiar acele organe i sisteme care nu sunt neaprat structurale prin nsi natura lor sau funcii chimice sau fizice. Funciile chimice complexe precum cele ale ficatului i funciile fizice sau electromagnetice ca ale creierului i organelor de sim nu pot fi ndeplinite de biomateriale. [Pentru completri, a fost introdus n curs i un capitol despre transplantul de organe i esuturi.]

Tabelul 3. Biomaterialele n sistemele din corp Sistem Sistemul osos Sistemul muscular Sistemul digestiv Sistemul circulator Sistemul respirator Sistemul tegumentar Sistemul urinar Sistemul nervos Sistemul endocrin Sistemul reproductiv Exemple Protez osoasa, nlosuirea total a articulaiilor Suturi Suturi Valvul cardiac artificial, vase sangvine artificiale Aparat pentru respiraie artificial Suturi, pansament osos, pliele artificial Catetere, aparat pentru dializ renal Drenaj hidrocefalic, pacemaker cardiac Grupri de celule pancreatice ncapsulate Mamoplastie i alte ameliorri cosmetice

2.1. Clasificarea biomaterialelor Calitatea unui material utilizat la construcia unui implant trebuie s respecte urmtoarele dou criterii : criteriul biochimic i criteriul biomecanic. Conform criteriului biochimic, aplicabilitatea unui material este determinat de biocompatibilitatea sa, iar din punct de vedere biomecanic de rezistena la oboseal, cel mai important parametru dar nu singurul. O clasificare uzual a biomaterialelor, /V.Bulancea, St.Lacatusu, I.Alexandru (2006)/, este realizat pe criterii structurale, n patru clase mari de biomateriale, Tabelul 4, metalice, ceramice, polimerice i compozite. Cele mai uzuale i cunoscute sunt biomaterialele metalice. Majoritatea materialelor 5

metalice, Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo i W, utilizate pentru majoritatea implantelor, sunt tolerate de esuturile vii n cantiti foarte mici, dei unele elemente metalice sunt eseniale pentru funciile celulare. Se menioneaz o categorie special de aliaje cu memoria formei , dup deformare plastic ele revin, prin nclzire, la forma iniial. [Aplicaii medicale:pentru anevrisme intracraniene, filtre pentru vena cav, implanturi ortopedice etc.].

Biomaterialele ceramice sunt compui policristalini, de obicei anorganici: oxizi metalici (alumina), carburi, hidride refractare, sulfide, selenide. [Principalele biomateriale ceramicesunt utilizate, n special, n stomatologie: coroane dentare, pentru aspectul estetic deosebit, rezistenei mari la compresiune i lipsei de reacie cu lichidele corpului uman].

Biomaterialele compozite se formeaz din dou sau mai multe faze distincte cu proprieti diferite de materialul omogen. Materialul de adaos dintr-un compozit poate avea form de particule, fibre sau benzi. Materialele compozite fibroase sau sub form de benzi laminate sunt compozite anizotrope, iar cele cu incluziuni sub form de particule distribuite uniform n matrice sunt compozite izotrope. Compozitele anizotrope au rezisten mai mare dect cele izotrope. Compozitele anizotrope pot fi folosite doar dac se cunoate direcia de aplicare a tensiunii. De asemenea, este necesar ca fiecare constituent al compozitului s fie biocompatibil ceea ce nseamn ca interfaa dintre constitueni s nu fie degradat de mediul corpului. [Aplicaii medicale: compozite dentare pentru plombe, metilmetacrilatul ranforsat cu fibre de carbonsau cu particule osoase, zirconia, ciment osos].

Biomateriale polimerice sunt materiale realizate prin legarea unor molecule mai mici (meri) prin legturi covalente primare ntr-un lan principal. . [Aplicaii medicale: implante pentrunlocuirea sau refacerea esuturilor moi umane suturi, vase de snge, piele artificial].

Tabelul 4 . Materiale folosite n corpul uman Materiale POLIMERI Nylon Silicon Teflon Dacron METALE Titan Oeluri inoxidabile Aliaje Co-Cr Aur CERAMICE Oxid de aluminiu Carbon Hidroxiapatit Zirconia Sticlele ceramice COMPOSITE Carbon-Carbon Avantaje Elastic Uor de fabricat Dur, greu Elastice Dezavantaje Nu e rezistent Se deformeaz n timp Se poate degrada Poate intra n coroziune Dens Exemple Suturi, vase sangvine, articulaiile oldului, ureche, nas, alte esuturi moi

nlocuirea articulaiilor, plcilor i uruburilor osoase, implanturi de rdcin dentar Alveole dentare ; articulaia oldului

Foarte biocompatibil Inert Rezistent la compresie

Fragil, sfrmicios Greu de obinut Nu este elastic

Rezistent, maleabil

Greu de obinut

Implanturi de articulaii ; valvule cardiace

O clasificare complet este propus de Muster (1999) care introduce un nou criteriu O clasificare complet este propus de Muster (1999) care introduce un nou criteriu privind originea biomaterialelor. Dup acest criteriu clasificarea biomaterialelor poate fi: 1. Biomateriale care nu sunt de origine vie: 6

1.1. Biomateriale metalice Metale pure Aliaje metalice

- preioase (Au, Ag, Pt) - nepreioase (Ti, Ta, W, Nb) - oeluri inoxidabile austenitice - de titan (TiAl6V4, TiAl5Fe2,5) - tip cobalt crom (cu sau fr W, Mo, Ni)

Compui intermetalici - amalgame dentare - compui sau aliaje cu memoria formei 1.2. Biomateriale ceramice Bioinerte Bioactive - pe baz de oxizi (Al2O3, ZrO2) - pe baz de carburi i nitruri (Si, Ti) - pe baz de fosfat de calciu (hidroxiapatit HA, fosfat tricalcic TCP)

- pe baz de alte sruri ale calciului (carbonai, sulfai, aluminai) 1.3. Biomateriale pe baz de polimeri de sintez Elastomeri: siliconi, poliuretani; Materiale plastice - termodurificabile (rini epoxi, triazine etc.) - termoplastice (PMMA, PHEMA, PVA, polietilena, PTFE, polisulfon, PEEK etc.) - bioresorbabile: acid poliglicolic PGA, acid polilactic PLA) 1.4. Biomateriale composite de sintez De tip organo organice De tip mineralo minerale De tip organo minerale 2. Biomateriale de origine biologic 3. Biomateriale composite mixte [ Totui din gama de biomateriale descrise puine sunt cele utilizate, i aceasta datorit biocompatibilitii reduse a unei pri din ele. Ca tehnic de vrf, se fac cercetri privind elaborarea unor biomateriale spongioase dar n acelai timp i cu rezisten mecanic mare. Din aceast categorie pot face parte spumele poliuretanice sau aliajele metalice tip spum n care pot fi cultivate celule vii pentru realizarea unor esuturi vii deci cu biocompatibilitate foarte ridicat]. Pentru selecia biomaterialelor, n scopul realizrii unui implant, este necesar luarea n consideraie a unei multitudini de factori ca: economic, mecanic, electric, mediu (chimic), siguran (biologic), termic, suprafa, estetic, porforman i cercetare, /Bunea/.

2.2. Proprietile biomaterialelor Reuita aciunii unui biomaterial n corp depinde de anumii factori cum ar fi 7

proprietile materiale, design i biocompatibilitatea materialului folosit, precum i ali factori care nu se afl sub controlul direct al inginerului, incluznd n aceast categorie i tehnica folosit de chirurg, starea de sntate a pacientului, precum i preocuprile pacientului. Dac desemnm o valoare numeric f probabilitii de eec (nereuit) al unui implant, atunci coeficientul de fiabilitate (reabilitate)(r) poate fi exprimat astfel : r=1-f 1.1 Dac, aa cum se intmpl de cele mai multe ori, se ntmpl s existe mai multe modaliti de eec, fiabilitatea total rt este dat de produsul fiabilitilor ri = (1- fi ), etc.: rt = r1r2rn 1.2 Astfel, la un implant fcut n cazul unei fracturi, chiar dac una dintre modalitile de eec este inut sub control astfel nct fiabilitatea corespunztoare s rman unitar, pot aprea alte posibiliti de eec, cum ar fi o infecie, limitnd utilitatea implantului reprezentat de fiabilitatea total implantului. Alte modaliti de eec care se poate ntmpla n cazul folosirii unui biomaterial sunt cazul afectrii implantului de ctre sistemul imunitar al corpului, aciunea nedorit a implantului asupra corpului ex. toxicitate, pot induce la inflamaii sau chiar la cancer. Prin urmare, dintre condiiile importante necesare pentru o bun funcionare a implantului sunt, printre altele, bio-compatibilitatea, bio-funcionalitatea i bio-degradabilitatea. Biocompatibilitaea presupune acceptarea unui implant artificial de ctre esuturile din jur i implicit de ctre corp n general. Biofuncionalitatea este capacitatea implantului de a-i realiza funcia pentru care este introdus n corp un timp ct mai mare. Biodegradabilitatea este o proprietate a implantului de a se degrada n aceeai durat de timp cu esuturile vii nconjurtoare sau de a se degrada dup realizarea rolului pentru care a fost introdus. Materialele biocompatibile nu produc iritaii structurilor nconjurtoare, nu provoac inflamaii, nu dau natere unor reacii alergice, i nu cauzeaz cancer. Alte caracteristici care ar putea fi importante n aciunea i structura unui implant pe baz de biomateriale sunt proprieti mecanice adecvate, cum ar fi rezistenta, duritatea i durata la oboseal ; proprieti optice adecvate n cazul n care materialul urmeaz s fie folosit n ochi, piele sau dini ; densitate adecvat ; gradul de prelucrare ; i designul tehnic adecvat. Cu ct trece mai mult timp de la realizarea implantului, cu att i importana i gravitatea acestor cazuri de eec difer din ce n ce mai mult. S lum ca exemplu cazul nlocuirii tuturor articulaiilor n care infecia poate s apar cel mai probabil imediat dup intervenia chirurgical, pe cnd gravitatea slbirii legturilor articulare i a fracturilor devine din ce n ce mai mare o dat cu trecerea timpului, aa cum ne arat i Figura 3. Modaliitile de eec depind de asemenea i de tipul implantului i de locaia i funcia acestuia n corp. De exemplu, e mult mai probabil ca un vas artificial de snge s cauzeze probleme prin formarea unui cheag sau prin ruperea pereilor acestuia..

8

2.3.Biocompatibilitatea materialelorUn biomaterial poate s aib toate caracteristicile mecanice, fizice i chimice cerute de o aplicaie medical dar la contactul cu mediile biologice, inclusiv cu organismul uman, el gsete condiii fiziologice particulare cu care interacioneaz prin procese specifice, precum difuzia de ioni i fluide, drenaj limfatic, circulaia sngelui, dar i prin mecanisme fiziologice (locale i sistematice) mai puin previzibile. Aceste reacii specifice fac ca materialul s fie sau nu tolerat de mediul respectiv. Mai mult, n acelai organism uman, aceste condiii mecanice, fizico-chimice i fiziologice variaz ntr-un domeniu destul de larg. De exemplu, pH-ul are valoare de 1.2 -3 n sucul gastric pn la 7.15-7.4 n snge i 6-8 n mediul intracelular, sau temperatura care are valoare normal de 37C la nivelul inimii, dar poate s fie 20C 42.5C n anumite boli. Succesul actului medical este asigurat numai de interacia biomaterial-organism viu, adic biocompatibilitatea material- mediu biologic. Un material care ndeplinete la nceput toate cerinele de biocompatibilitate poate s piard n timp aceste caliti nu numai datorit unor procese de uzur, oboseal, degradare, dar i pentru c esuturile nconjurtoare, iniial sntoase, se mbolnvesc sau pur i simplu mbtrnesc. Indiferent de aplicaia medical, un material biocompatibil trebuie s ndeplineasc urmtoarele cerine:

s nu fie toxic i s nu conin produi filtrani s nu provoace efecte alergice, cancerigene, teratogene (generate de anomalii morfologice) s nu provoace fenomene de respingere de ctre organism s nu modifice compoziia sngelui i s nu perturbe mecanismul coagulrii (s fie hemocompatibil) s nu modifice pH-ul biologic s nu provoace sedimentri n esuturi i biodegradri s nu conin site hidrofile sau hidrofobe care s favorizeze ptrunderea i aderena celular

Teste de biocompatibiliate, dup recomandri din ISO 10993 i EN 30993, cu urmtoarele precizri:

biocompatibilitatea materialelor n contact cu organismul viu se stabilete prin teste de laborator (in vitro i ex vivo), teste preclinice (in vivo) pe animale, iar n final prin teste clinice (in vivo) pe organisme umane; testele se realizeaz ntr-o ordine foarte precis, n aceleai condiii de pH (bazicitate), temperatur, ca n organismul viu; anumite teste se pot realiza att in vitro ct i in vivo, ele se numesc complementare; testele sunt diferite, dup cum materialele sunt n contact cu organismul viu pe durat limitat (24 h), prelungit (24 h 30 zile) i permanent (peste 30 zile); testele se fac cu materiale de referin (de control), procesate n aceeai manier, cu aceeai compoziie chimic, sterilizate prin aceeai tehnic; este indicat ca materialul s nu fie nici cel mai performant; dar nici cel mai modest din punct de vedere al proprietilor de biocompatibilitate.

2.4.Tehnologia general de prelucrare a biomaterialelor Tehnologia general de prelucrare a biomaterialelor are la baz urmtoarele principii: 9

1)Cea mai mare parte a biomaterialelor necesit a fi aduse n contact cu alte substane. Indiferent de proporia lor fa de biomaterial, ele sunt considerate ca materiale auxiliare . 2)Atunci cnd contactul dintre biomaterial i auxiliari are loc n mas, actul n sine se interpreteaz ca operaie de amestecare (biomaterialul fiind sub form de pulbere, granule, fibre, fie compozite sau poroase). Rezultatul amestecrii se va numi amestec de prelucrare. 3) Aducerea volumului de amestec de prelucrare ntr-o anumit form se numete profilare i este posibil prin mai multe metode i procedee ce depind de proprietile intrinseci ale amestecului. Profilarea poate interveni n mai multe poziii ale fluxului tehnologic: drept component la etapa de finisare a semifabricatului, n cadrul fazei de asamblare sau chiar i la consolidare. 4) Stabilizarea formei amestecului profilat cu ajutorul unor procese ce determin tranziia de stare fizic i organizarea noii faze se va numi formare. La majoritatea tehnologiilor de obinere a produselor medicale, formarea are loc dup profilare. Exist ns i situaii cnd procesele specifice celor dou etape tehnologice au loc ntr-o singur faz de procesare i se va denumi profilare-formare. 5) Ansamblul de operaii ce urmresc modificarea geometriei sau a structurii morfologice n mas sau de la suprafaa semifabricatului, se vor denumi operaii de finisare. 6) Aducerea n contact a semifabricatului sau a subansamblului cu un alt material auxiliar (Aux 2), care poate fi un alt amestec, semifabricat sau subansamblu, se constituie ca operaie denumit asamblare i urmrete modificarea compoziiei chimice i a structurii morfologice a sistemului supus prelucrrii. Rezultatul operaiei l constituie aa-numitul ansamblu. 7) Operaiile prin care se asigur imobilizarea componenilor ansamblului, unele n raport cu altele, poart numele de consolidare.

Principiul tehnologic general de prelucrare a biomaterialelor fig.4. 10

III. Biomateriale metalice folosite n implanturiDe-a lungul vremii, metalele au fost folosite, sub diferite forme, n implanturi. Primul metal studiat specific pentru folosirea lui n implanturile n corpul uman a fost vanadiul (Sherman Vanadium Steel), care a fost folosit n fabricarea plcilor i uruburilor utilizate la fracturi osoase. Majoritatea metalelor precum Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo i W folosite pentru realizarea implanturilor pot fi acceptate de corpul uman dup numai cteva minute. Cteodat aceste elemente metalice, n form natural, sunt eseniale n funciile celulare (Fe) sau n sinteza vitaminei B12 (Co), dar nu pot fi tolerate atunci cnd se folosesc n corp n cantiti mari. Biocompatibilitatea implantulurilor metalice este o problem considerabil pentru c acestea au tendia de a se coroda ntr-un mediu ostil. Consecina coroziunii este pierderea de material, care va slbi rezistena implantului, i poate chiar mai important de att, coroziunea produce deteriorri n esuturi, acest lucru ducnd la efecte nedorite. n continuare, se studiaz relaia dintre compoziia, structura i proprietile metalelor i aliajelor folosite pentru fabricarea implanturilor.

3.1.Clasificarea materialelor metalice utilizate n medicinBiomaterialele metalice se clasific, din punct de vedere al compoziiei chimice i al structurii fizice, n trei grupe principale: metale tehnic pure, aliaje metalice i compozite cu matrice metalic (CMM). Metalele sunt utilizate n domeniul medical, n mod curent, ca implante chirurgicale, ca materiale dentare i n construcia diverselor aparate i dispozitive medicale. Exist peste 30 de elemente metalice utilizate n medicin sub form de: - implante i proteze ortopedice i stomatologice: Al, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, V, W, Zr, etc. - aliaje dentare preioase i semipreioase cu: Ag, Au, Cu, Ga, In, Ir, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, Zn, etc - aliaje dentare nepreioase cu: Al, B, Be, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Si, Ti, V, W Aliajele utilizate ca implante chirurgicale n ortopedie i stomatologie, se mpart n: - oeluri inoxidabile austenitice constituie grupa aliajelor pe baz de Fe, cu coninut ridicat de crom i nichel sunt utilizate n stare laminat; - aliaje pe baz de cobalt, numite i aliaje CoCr, caracterizate prin coninut ridicat de crom (25 30%), molibden (5 7%) i alte metale ca nichel, mangan zirconiu i staniu sunt utilizate att n stare deformat plastic ct i turnate; - aliaje pe baz de titan, cu 70 90% Ti, pot conin elemente ca Al, V, Nb, Ta, Mn, Zr i Sn. Aceste materiale sunt utilizate ca aliaje binare: Ti30Nb, Ti30Ta, TiMn, TiAl, TiNi (aliaj cu memorarea 11

formei nitinol),sau ternare ca:TiAlV,TiAlZr, etc. Aliajele menionate la aceast subgrup pot fi integrate n diverse dispozitive medicale utilizate n neurochirurgie, ortopedie, cardiologie, chirurgia maxilofacial, otologic i visceral. Cele mai utilizate aliaje sunt cele pe baz de cobalt crom (cca. 70%), urmate de aliajele cu titan; ultimele au excelente proprieti biocompatibile. Aliajele dentare utilizate pentru restaurri dentare sub form de: - coroane i puni de legtur (aliaje convenionale); - porelan lipit pe aliaje metalice (compozite ceramo-metalice); - srme pentru corectarea danturii; - dantur metalic din aliaje dentare; - aliaje pentru lipirea (brazarea) lucrrilor dentare. Exist peste 1000 aliaje dentare, care dup compoziia chimic se clasific n 4 subgrupe: - aliaje preioase cu coninut de Au, Pt, Ag, Cu i elemente platinice; - aliaje semipreioase cu coninut sczut de aur, dar pe baz de paladiu ( Ag, Au, Pt, Cu); - aliaje nepreioase din grupa oel inoxidabil, CoCr, NiCr; - aliaje pe baz de titan. Materiale compozite cu matrice metalic CMM, din care fac parte: amalgamele dentare cu matrice de mercur i galiu; materialele metalo-ceramice, componentele protetice acoperite cu diverse straturi ceramice, etc. Straturile superficiale depuse pe implante le confer acestora proprieti speciale ca: rezistena la coroziune, aspect estetic, duritate i faciliteaz dezvoltarea i ancorarea esutului viu din zona implantului, etc.

12

IV. Titanul i aliaje pe baz de titan

4.1 Caracterizare generalTitanul este un element activ din punct de vedere chimic, ocup n seria electrochimic a metalelor un loc ntre Mg i Be, ca urmare ar trebui s se corodeze puternic n condiiile mediului ambiant; n realitate acest fenomen nu se manifesta datorit formarii unei pelicule protectoare de TiO2 pe suprafaa sa, cu o grosime de 20-50 . La nclzirea n aer, titanul i aliajele sale interacioneaz puternic cu gazele din atmosfer, rezultnd combinaii chimice care formeaz pelicula protectoare. La creterea temperaturii, viteza de oxidare se intensific existnd posibilitatea formarii unor explozii. De asemenea, titanul se combin cu azotul i hidrogenul, formnd nitruri i hidruri. Datorit densitii mici, asociate cu proprieti mecanice bune, titanul microaliat i aliajele sale sunt superioare celorlalte materiale metalice, avnd o nalta rezisten raportat la densitate :30-40 daN/mm2, care este superioar oelurile nalt aliate, a cror valoare variaz ntre 15 i 35 daN/mm2. Proprietile fizice principale ale titanului sunt: greutatea specific:

TiC)- 4,55 g/cm3 TiC)- 4,32 g/cm3

temperatura de transformare alotropic: 882C temperatura de topire: 1660C temperatura de fierbere: 3300C cldura specific la 20C: 0,543 J/g grad cldura latent: - de topire: 420,9 kJ/kg - de transformare alotropic: 2839 J/mol - de fierbere: 771 J/mol

conductibilitatea termic 0,152 J/cm grad sec coeficientul de dilatare termic : - la 20C: 8,2 10-6 /grad - la 100C: 8,3 10-6 /grad

rezistena electric mm2/m modul de elasticitate: - E: 112 GPa - G: 410 GPa

Titanul metalic prezint doua stri alotropice n stare solid: -Ti : stare stabil la temperaturi joase, sub 8820C, avnd reea hexagonal compacta cu parametri a=2,95; c=4,683 i raportul c/a=1,587; -Ti : stare stabil la temperaturi nalte, peste 8820C, avnd reea cubic cu volum centrat cu parametrul a=3,306 la 9000C. 13

4.2. Recristalizarea fazic a titanuluin titanul pur, modificaia cristalin nu poate fi obinut la temperatura ambiant chiar prin clire cu viteze de rcire foarte mari; faz trece n forma printr-o transformare de tip martensitic. n titanul pur, structura apare n microstructur sub forma poliedric. La clire n domeniul fazei , structura rmne practic neschimbat, grunii poliedrici prezentnd margini zimate. n cazul titanului tehnic i aliajelor slab aliate pe baz de titan, la clirea n domeniul fazei structura se modific brusc, transformndu-se din poliedric n acicular. Dac prin clire se stabilizeaz cele doua faze, structura care se obine este format din faze primare i martensit secundar. Pentru micorarea grunilor grosolani, care se pot forma datorit supranclzirii titanului prelucrat prin deformare, se pot aplic doua procedee: primul procedeu consta n deformarea la rece la grade de deformare peste 10%, urmate de recoacere n domeniul , adic la cca. 7000C sau recoaceri de scurta durat la limita domeniilor (800-9000C); al doilea procedeu const n deformarea la cald a metalului la temperaturi de 650-800 0C cu un grad minim de deformare de 10%, urmat de un tratament de recristalizare. Cea mai eficace cretere a rezistenei i plasticitii titanului se obine prin clirea peste punctul de transformare alotropica, urmat de revenire la temperaturi imediat sub punctul de transformare; acest tratament este caracteristic pentru titan, spre deosebire de oeluri.-

Microstructura titanului recopt n vid la 11000C i rcit lent, prezint gruni poliedrici de faza (fig. 1.). Prin clire la temperaturi superioare punctului de transformare alotropic (peste 882 0 C) se obine o structur de tip martensitic (fig. 5.), cu faz sub forma acicular, orientat n anumite direcii cristalografice.

Figura 5. Microstructura aliajelor de Ti (500x). (a) aliaj -Ti recopt, (b) Ti 6Al 4V, aliaj - recopt, (c) aliaj -Ti recopt. (Dup G.H.Hille, Titanium for Surgical Implants, J.Mater, 1, 373-

4.3.Influena unor elemente de aliere asupra proprietilor titanuluiMolibdenul, vanadiul i niobiul formeaz cu titanul sisteme de aliaje binare cu serii continue de soluii solide n care se gsesc ambele modificaii alotropice, aa cum se constat n diagramele de echilibru prezentate n figurile. 2. i 3.

14

Fig. 6. Diagrama de echilibru fazic a sistemului Ti-Mo

Fig.7. Diagrama de echilibru fazic a sistemului Ti-V

Solubilitatea acestor elemente n Ti este limitat ca urmare a diferentelor existente n construcia reelelor cristaline. La clire n domeniul se poate fixa aceasta structur n proporie de 100% n aliaje binare care conin 10%Mo, 15%V. Dac aceste elemente sunt adugate n cantiti mici, n timpul clirii are loc procesul de transformare martensitic a fazei n Dup influena asupra temperaturii de transformare alotropica, elementele de aliere ale titanului se mpart n trei grupe:- elementele stabilizatoare: aluminiu, oxigen, carbon, azot, bor; ele cresc temperatura de transformare alotropic i se dizolva n Ti; - elementele stabilizatoare: niobiu, tantal, molibden, siliciu, vanadiu, fier, crom, mangan, hidrogen; ele scad temperatura de transformare alotropica, se dizolva n Ti sau formeaz eutectoide; - elemente cu influen redus asupra temperaturii de transformare: staniu, cupru, hafniu, zirconiu, thoriu, etc. Dac ns clirea se efectueaz n domeniul bifazic + se poate fixa faza chiar la coninuturi mai mici ale elementelor de aliere dect valorile critice. Aceste elemente au un rol de prim ordin n aliajele pe baz de titan, contribuind la mbuntirea simultan a diferitelor proprieti inclusiv a rezistenei la coroziune

15

Fig.7. Diagrama de echilibru Ti-Al

Nichelul formeaz cu titanul aliaje speciale cu memoria formei n urma unor tratamente termice i termomecanice martensitice. Aluminiu este unul din puinele elemente de aliere care conduce la creterea temperaturii de transformare alotropic a titanului. Aa cum se observa n diagrama de echilibru (fig. 7.), aluminiul formeaz un domeniu larg de soluii solide cu titanul, solubilitatea sa fiind de 25% la 14000C i de 6% la temperatura ambianta. Aluminiul se consider a fi elementul de aliere principal al titanului, fiind prezent n majoritatea aliajelor acestui metal, aciunea sa fiind comparat cu adaosul de carbon n aliajele fierului.

16

Crete cantitatea de elemente stabilizatoareElemente alfa ( ) stabilizatoare (Al, O2, N2)STRUCTURA STRUCTURA preponderent

ale fazei alfa ( )Elemente beta ( )

Crete cantitatea de elemente stabilizatoare ale fazei beta ( )STRUCTURA mixt STRUCTURA preponderent

stabilizatoare (Mo, V, Cr)STRUCTURA

Ti nealiat Ti -5Al -2,5Sn

Ti -8Al -1Mo -1V -2Sn Ti -6Al -2Mo -4Zr

Ti -6Al -4V

- Ti -6Al -6V -2Sn

Ti -8Mn Ti -8Mo -8V -2Fe -3Al Ti -13V -11Cr -3Al

Crete densitatea Crete efectul termic Crete rezistena mecanic Crete rezistena la fluaj Crete sensibilitatea la deformare mbuntete sudabilitatea mbuntete prelucrabilitatea

Figura 8. Efectul elementelor de aliere asupra structurii i proprietilor titanului i clasificare aliajelor de titan

17

4.4 Influena impuritilor asupra structurii i proprietilor titanuluiCaracteristica de baz a titanului (ca i a molibdenului, zirconiului, molibdenului) este sensibilitatea mare fa de oxigen i azot, elemente care se dizolva uor n metal, micornd plasticitatea n schimbul creterii rezistenei mecanice, a duritii i n final a fragilitii, dup cum urmeaz: - azotul, dei determin o cretere mare a limitei de rezisten, provoac fragilizarea titanului i din aceasta cauz, n practica, coninutul lui este limitat sub 0,1%; - oxigenul poate fi considerat nu numai o impuritate duntoare ci i un element de aliere dac coninutul su nu depete 0,2%, mrind rezistena mecanica, de pn la trei ori. La depirea valorii de 0,2% n titan i aliajele sale se constat o instabilitate a proprietilor i mai ales a rezistenei la coroziune, motiv pentru care oxigenul este limitat la valoarea menionat (max. 0,2%). - carbonul prezent n aliajele titanului se limiteaz la valori sub 0,2% din cauz formarii carburilor i a favorizrii apariiei fragilizrii; - hidrogenul se consider impuritatea cea mai duntoare deoarece provoac fragilitatea la rece, prin formarea unor hidruri fragile la marginea grunilor, ca urmare a scderii solubilitii n metalul solidificat. Din analiza influenei impuritilor asupra titanului i aliajelor sale rezulta urmtoarele concluzii pentru procesele de elaborare i prelucrare la cald: - evitarea impurificrii cu gaze a metalului n procesele de prelucrare metalurgic (elaborare, turnare, deformare la cald i la rece) prin realizarea acestor operaii sub vid sau n atmosfera de protecie (n argon); - pentru domeniile biomedicale se impune utilizarea titanului de puritate avansat pentru a se preveni fenomenele de coroziune i alte reacii nedorite la contactul cu organismul uman.

4.5 Aliaje pe baz de titan4.5.1.Clasificarea aliajelor pe baz de titan utilizate n practic se poate face dup mai multe criterii: Dup modul de prelucrare: - aliaje deformabile plastic;

aliaje pentru turnatorie;

-

Dup proprieti : aliaje cu plasticitate mare i rezisten medie; aliaje suficient de plastice i cu rezisten mare; aliaje cu rezisten foarte bun la coroziune; aliaje superplastice; aliaje amorfe; aliaje cu memoria formei; Dup domeniul de utilizare: pentru construcii sudate; pentru aviaie i tehnic spaial; pentru industria chimic i instrumental; pentru dispozitive protetice; Dup structur se grupeaz n trei categorii: 18

aliaje cu structur Ti , elementele de aliere se dizolva n titan; aliaje cu structur + (bifazice); aliaje cu structur Ti , elementele de aliere stabilizeaz aceasta structur la temperaturi ambianta. Deformarea plastic la cald, prin matriare, are loc la 650 870oC pentru calitile de titan Ti 1 i Ti 2 i 700 900oC pentru Ti 3 i Ti 4. Aliajele de titan se deformeaz la cald n domeniul 760 1050oC.-

Deformarea plastic la rece se realizeaz fr dificulti avnd n vedere proprietile de plasticitate ridicate ale acestor aliaje. Titanul i aliajele sale sunt susceptibile la toat gama de tratamente termice, ca recoaceri i cliri, datorit transformrilor structurale determinate de fazele i specifice. Titanul i aliajele sale sunt dificil de a fi turnate deoarece au temperaturi ridicate de topire i tendin accentuat de impurificare cu gaze (hidrogen, oxigen, azot) i cu materiale refractare provenite din forma de turnare. 4.5.6.Compoziii de titan i aliaje de titan utilizate ca biomateriale Exista patru caliti de titan utilizate ca implanturi chirurgicale prezentate n tabelul 1.Coninutul de impuriti este prezentat n diferite proporii, acesta trebuie controlat cu atenie mai ales n privina oxigenului, fierului i azotului. Oxigenul are o mare influen asupra rezistenei i ductibilitii aliajelor de titan. Tab.5. Compoziia chimic a patru calitii de titan utilizate ca biomateriale (conf. ASTM F67)

Elemente Azot Carbon Hidrogen Fier Oxigen Titan

Compoziia max. admisa, % I 0,003 0,10 0,01 0,20 0,18 I 0,003 0,10 0,015 0,30 0,25 III 0,005 0,10 0,015 0,30 0,35 Diferena IV 0,005 0,10 0,015 0,50 0,40

Un aliaj pe baz de titan care este larg utilizat n fabricarea implanturilor chirurgicale este simbolizat prin Ti6Al4V, prezentat din punct de vedere al compoziiei chimice n tab 6.

Tabelul 6. Compoziia chimic a aliajului Ti6Al4V conform ASTM F136 Elemente Al V Fe 19 Coninut procentual 5.5 6.5 3.5 4.5 max 0.25

Alte elemente C N H O

0.1 fiecare sau 0,4 total max 0.08 max 0,05 Max 0.0125 max 0.13

n literatura de specialitate sunt menionate i alte doua aliaje pe baz de titan: TiSnMoAl i Ti13V11Cr3Al. Primul intitulat comercial HILITE 50 conine 4% Al, 2% Sn i 4% Mo, rest titan se caracterizeaz printr-o rezisten la uzare ridicat.

4.5.6.1. Aliajele de titan cu structura cuprind urmtoarele sisteme: Ti-Al; Ti-Al-Sn; TiAl-Zr; Ti-Al-Sn-Cu; Ti-Cu-Zr i altele. Aliajele din sistemul Ti-Al utilizate curent au n compoziia lor 2-7% Al. Conform diagramei de echilibru prezentat n fig. 9, aluminiul ridic temperatura de transformare alotropic de la 882 la 11000C cea ce favorizeaz formarea unui domeniu larg de soluii solide . La temperatura de 11000C are loc reacia n stare solid:

+ 2 1100 C

0

iar la temperaturi mai joase, odat cu micorarea solubilitii aluminiului n titan, soluia se descompune aprnd n sistem faza 2. Studiile efectuate asupra interaciunii dintre aceste doua metale au dus la concluzia c n sistem pot s apar trei compui intermetalici: Ti6Al; Ti3Al i Ti2Al.

4

8

12

Al%

4

8

12

Al%

Fig.9.Influena aluminiului asupra caracteristicilor mecanice ale titanului

20

n aliajele de utilitate practic, care conin pn la 10% Al, se formeaz compusul intermetalic Ti6Al. n fig. 5. se prezint influena aluminiului asupra proprietilor mecanice ale titanului, de unde rezult c valori maxime ale acestora se obin la un adaos de 4-6% Al. Aliajele Ti-Al se deformeaz uor la cald i suficient de bine la rece. Pot fi prelucrate prin forjare i matriare. Ele nu se durific prin tratamente de clire i deci sunt livrate i utilizate n stare recoapt, operaie realizat la 800-9000C. Aceste aliaje se sudeaz uor n atmosfera de argon i se prelucreaz uor prin achiere. Au rezisten deosebit la coroziune i sunt utilizate n industria chimic i n realizarea diferitelor dispozitive protetice. Aliajele binare Ti-Al pot fi aliate cu alte elemente metalice n scopul mbuntirii caracteristicilor mecanice, pstrndu-se structura . Aceste elemente pot fi staniul, zirconiul, cuprul care formeaz cu elementele de baz combinaii intermetalice i care, printr-un tratament termic adecvat, conduc la durificarea prin mbtrnire.

4.5.6.2. Aliajele de titan cu structura + au la baz urmtoarele sisteme: Ti-Al-Mn; TiAl-V; Ti-Al-Mo; Ti-Al-Mo-V; Ti-Al-Mo-Cr, etc. n practic, sunt larg utilizate aliajele de titan pe baz sistemului Ti-Al-element stabilizator. Aciunea aluminiului n aceste aliaje consta n limitarea domeniului soluiei solide , creterea temperaturii de transformare alotropica, mrirea solubilitii elementelor stabilizatoare izomorfe. n acelai timp adaosul acestor elemente n aliajele binare TiAl elimin fragilitatea, ntruct se prentmpin formarea fazei 2. Tratamentul termic de durificare n cazul aliajelor pe baz de titan cu structura + consta n fenomenul stabilizrii soluiei solide la descompunerea fazei metastabile sau n urma tratamentului termic de clire-revenire se pot asigura n aliajele bifazice rezistene la ruperea de ordinul 180-200 daN/mm2, meninnd caracteristicile de plasticitate n limite rezonabile. Analiznd aciunea concomitent a alierii i tratamentului termic aplicat asupra acestor aliaje se constat c diferitele adaosuri au aciune complexa asupra proprietilor mecanice. Din grupa elementelor stabilizatoare cea mai puternic aciune durificatoare o au fierul, manganul, cromul, molibdenul i vanadiul (fig. 10.).

A, %

R, daN/mm2

%

Fig.10.Influena vana-diului, molibdenului, niobiului elemente Gradul de durificare a fazelor i n aliajele binare ale titanului cu i telurului stabilizatoare se poate aprecia conform datelor din tabelul 5. asupra proprietilor mecanice a aliajelor cu titan 21

Aceste date arat c diferena ntre rezistena titanului i a aliajelor n stare recoapt este de 4-21 daN/mm2; iar n cazul aliajelor clite, aceasta diferen variaz n limitele 11-70 daN/mm2.

Tabelul. 5.Durificarea fazelor i funcie de elementele de aliere Pentru aliajele cu structura + rezistena depinde de raportul existent ntre cele doua faze (fig 7). Pe msura creterii cantitilor de faz n matricea se mrete rezistena aliajului, atingnd un maxim n cazul cnd cele doua faze sunt n proporii egale.

Fig. 11. Influena proporiei dintre fazele + asupra ezistenei de rupere la traciune

n prezena aluminiului aliajele de titan bifazice ( + ) se durific puternic; att n domeniul fazei ct i al fazei i deci aceste aliaje au proprieti superioare iar maximul de rezisten se deplaseaz n domeniul aliajelor care conin cantiti mari de faz . 22

Aliajele cu cea mai larg utilizare ca biomateriale, beneficiind de proprieti mecanice i tehnologice foarte bune, sunt cele pe baz sistemului ternar Ti-Al-V, deoarece vanadiul pn la un coninut de 5% n aliajele binare Ti-Al le mrete plasticitatea, concomitent cu mrirea refractaritii i rezistenei la coroziune. De altfel, influena vanadiului ca element stabilizator n aliajele binare TiAl n stare normal (recoacere la 8000C timp de o or i rcire lent la 6000C, recoacere la 6000C timp de 30 minute i rcire rapid) este prezentat n fig. 8. Pentru aceste aliaje se recomand recoacerea la 8500C, rcirea n cuptor pn la 7500C i meninerea la aceasta temperatur timp de 30 minute i rcirea n aer. Rezistena aliajelor poate fi mbuntit prin tratamentul termic de clire n domeniul soluiei + i mbtrnire la 450-5500 C. Pentru aliajul Ti6Al4V, cu cea mai larg utilizare medical, se recomand urmtorul ciclu de tratamente termice: clire la 9500C timp de o or, rcire n ap i mbtrnire la 450-5000C timp de 8 ore. Toate aliajele din acest sistem sunt uor deformabile la cald, fiind superplastice la peste 9000C, procesul de clire i recoacere se va realiza n vid, sudarea se poate realiza n atmosfer de argon, rezistena sudurii ajunge la 90% din valoarea materialului metalic. Aliajul posed rezisten foarte bun la coroziune n diferite tipuri de soluii corozive i proprieti mecanice ridicate (fig. 11.). Aceste aliaje sunt foarte sensibile la aciunea incluziunilor nemetalice, care afecteaz direct proprietile mecanice.

c

Fig.13. Influena vanadiului asupra caracteristicilor mecanice ale aliajului Ti6Al4V (calire la 8500C, rcire n apa, mbtrnire la 5000C 4.5.6.3. Aliaje de titan cu proprieti speciale timp de 24 ore) Fig.12. Influena vana-diului asupra propriet-ilor mecanice ale ali-ajelor Ti-Al - Aliaje cu memoria formei compuse din 50% Ti, i 50% Ni (Nitinol) posed, i proprietatea de a se dilata n mod neobinuit pn la 200%; - Aliaje superplastice, care n anumite condiii au alungirea la traciune de peste 100%; - Aliaje cu nalt rezisten la coroziune ca Ti6Al4V i Ti20Al6Zr. 23

Propriettile mecanice ale titanului pur comercial i ale aliajului Ti 6Al 4V sunt date n Tabelul 5-6. Coeficientul de elasticitate al acestor materiale este de 110 GPa, ceea ce este jumtate din valoarea celui din cazul aliajelor Co-Cr. Din Tabelul 5-6 se poate observa coninutul ridicat de impuriti care induce la o rezisten ridicat i o ductilitate redus. Rezistena materialului variaz de la o valoare mult mai sczut dect cea n cazul tipului de aliaj 316 sau al aliajelor pe baz de Co, pn la o valoare aproape egal cu cea a aliajului 316 normalizat sau al aliajului turnat CoCrMo. Cu toate acestea, atunci cnd este comparat din punct de vedere al rezistenei specifice (rezisten/densitate), aliajul de titan exceleaz peste toate celelalte materiale folosite la realizarea implanturilor, , titanul are o rezisten de mrginire sczut, fcndu-l indesirabil pentru implanturile de uruburi osoase, plci osoase i alte aplicaii similare.

Figura 14. Raportul rezisten/densitate pentru materialele de implanturi. (Dup G.H.Hille, Titanium for Surgical Implants, J.Mater, 1, 373-383,1966).Tabelul 6. Proprietile mecanice ale Ti i ale aliajelor pe baz de Ti Proprieti Rezistena la traciune (MPa) Limita de curgere 0,2% (MPa) Alungire (%) Gtuirea (%) Ti 1 240 170 24 30 Ti 2 345 275 20 30 Ti 3 450 380 18 30 Ti 4 550 485 15 25 Ti 6Al 4V 860 795 10 25

24

V. Elaborarea i turnarea titanului i aliajelor sale

Datorit proprietilor specifice ale titanului i aliajelor sale, ca temperatura ridicat de topire precum i creterea brusc a activitii chimice cu temperatura, acestea se elaboreaz n cuptoare electrice cu arc i prin inducie, numai n atmosfer de protecie cu vid sau gaze inerte

Fig.15 Schema cuptorului electric cu arc sub vid 1- electrod rcit cu ap; 2-eav de ap; 3- evacuarea apei; 4- introducerea apei; 5 - dispozitiv de ncrcare; 6- evacuarea argonului; 7- camer racit cu ap; 8,15- capace de alam; 9- izolaie; 10presgarnitur; 11-piese din alam; 12- legare la pmnt; 13,16- garnitur de cauciuc; 14- introducerea argonului; 17- vizor; 18- creuzet; 19 - vrf de wolfram.

25

Cuptoarele electrice cu arc sunt prevzute cu electrozi de wolfram i creuzet din cupru rcit cu ap precum i cu instalaii de producere a atmosferei de protecie (fig. 15.). Parametrii de lucru pentru cuptorul cu arc sunt: tensiunea 25-36 V, intensitatea 300-600 A, lungimea arcului 5-12 mm. Pentru topirea ncrcturii se pot utiliza i electrozi cu arc consumabil, executai din titan La elaborarea n cuptoare cu inducie de nalt frecven (fig. 16.), se utilizeaz creuzete din grafit sau oxid de thoriu, n atmosfer de argon. Orificiul din partea inferioar a creuzetelor, indiferent de tipul cuptorului, comunic cu lingotiera n care se toarn arja, acesta este nfundat cu burete de titan pe durata elaborrii. La sfritul elaborrii, buretele de titan se topete fie prin inducie, fie prin arc electric, funcie de tipul de cuptor. Pentru majoritatea aliajelor pe baz de titan este necesar o dubl topire, deoarece una singur nu asigur o compoziie omogen a lingourilor. La prima topire trebuie s se asigure solubilizarea elementelor de aliere i distribuia mai uniforma a lor n baia metalic precum i degazarea acesteia, cu eliminarea impuritilor volatile. La a doua topire, se urmrete realizarea densitii maxime a aliajului, o suprafa bun a lingoului i diminuarea proceselor de segregare chimic i fizic n structura lingoului. ncrctura metalic poate fi constituit din burete de titan de puritate avansat, n proporie corespunztoare i elementele de aliere necesare pentru marca de aliaj elaborat Se poate folosi i o ncrctur combinat ntre elementele

Fig. 16 Schema cuptorului electric cu inductie sub vid 1-vizor; 2- buncr de incrcare; 3- mpingtor; 4- grafit 5ameste-ctoare; 6- tub de cuar; 7 induc-tor(eav de cupru rcit cu ap); 8- buc de grafit; 9- lingotier de grafit; 10- dispozitiv de ridicat

26

metalice pure i deeuri de titan de compoziie cunoscut i corespunztoare mrcii de aliaj ce se elaboreaz. Pe baza practicii elaborrii i degazrii sub vid, se impune respectarea urmtorilor parametrii de lucru: - sistemul de vidare trebuie s asigure o presiune remanent n timpul topirii sub arc de peste 10 mm Hg; sub aceasta valoare are loc efectul de descrcare luminiscent i arcul nu-i mai face efectul de topire; - productivitatea instalaiei de vidare trebuie s fie de minimum 50 dm3/h; - evitarea pierderii prin volatilizare a elementelor de aliere cu tensiune mare de vapori la temperatura de elaborare (Al, Mg, etc.). Descrcarea luminiscent a arcului poate conduce la declanarea exploziilor n incinta instalaiei de elaborare, fenomen ce este favorizat cnd vidul este avansat (sub 5-6 mm Hg). Procesul de topire sub arc n vid se conduce pe baz experienei specifice pentru fiecare instalaie i cuprinde urmtoarele faze tehnologice: - ncrcarea n creuzetul din materialul refractar a bucilor cntrite de metale i aliaje supuse topirii; - pornirea pompei de vid dup etanarea cuptorului; - declanarea arcului electric ntre electrod i ncrctur cnd valoarea vidului a atins cca. 100 mm Hg; - meninerea arcului electric pn la topirea ntregii ncrcturi metalice; - controlul temperaturii bii metalice se poate face cu ajutorul unei sonde--termocuplu care se imerseaz n baia de metal sau pe baz de experien practic; - dac se elaboreaz aliajul cu doua topiri, se ia proba din prima topitur (cu ajutorul unei sonde aflat n incinta instalaiei), se rcete topitura i se elimin zgura format pe suprafaa metalului solidificat n creuzet; - se determin compoziia chimic a aliajului, se face corecia compoziiei chimice prin adugarea de metale n creuzet; - se repornete topirea sub arc n vid; - aliajul elaborat se toarn sub forma de lingou sau pies n cochilia aflat n incinta etan a instalaiei, unde atmosfera este controlat n prezena argonului sau sub vid; - se continua rcirea semifabricatului turnat n condiii de vid pn ce temperatura coboar sub 2000C. O instalaie moderna pentru elaborarea aliajelor de titan este cuptorul cu plasma cu cristalizator rcit cu ap, care prezint urmtoarele avantaje n comparaie cu arcul electric sub vid: - permite reglarea vitezei de topire; - se poate topi sub vid mai naintat (0,4-0,5 mm Hg) deci aliajul va fi mai pur. n tabelul 5.6. se prezint coninutul de gaze i caracteristicile mecanice ale titanului elaborat prin cele doua procedee prezentate. Utilizarea titanului i aliajelor sale n domeniile tehnologiei protetice se face n stare prelucrat plastic la cald prin laminare i matriare urmat de tratamente termice corespunztoare; n consecina lingourile obinute prin procedura prezentat mai sus vor fi supuse operaiilor de deformare plastic la cald.

27

Tabelul 7. Caliti de titan obinute prin topirea sub arc electric n vid i n cuptor cu plasma

Tipul de cuptor

Vid real izat, mm Hg

Coninut de gaze % O2

Caracteristici mecanice n stare deformat Rd aN /m m2 57 A % 2 3 . 2 2 7 . 2 2 3 . 8 2 9 H B 1 3 4 1 2 7 1 2 1 1 1 2 %

H2

N2

cu arc

75

0. 1 0. 0 9 0. 0 8 0. 0 7

0.0 04

0.0 3

63.4

cu arc

75

0.0 12

0.0 2

58. 3

61.6

cu plasm

0.5

0.0 06 0.0 03

0.0 2 0.0 2

47. 8 45. 8

72.4

cu plasm

0.3

70.7

28