Образование оксидной пленки на поверхности титана

Как уже неоднократно отмечалось, титан и его сплавы нашли широкое использование в медицинских и стоматологических имплантатах. Успех титановых сплавов обусловлен отсутствием деградации сплава при нахождении в биологической среде и минимальным откликом окружающих тканей на его присутствие (Thull et al., 1992; Thull, 1994; Ciada et al., 1997; Jacobs et al., 1998; Alcantara et al., 1999) Этот уровень коррозионной стойкости и биосовместимости с человеческим телом обусловлен прежде всего наличием чрезвычайно инертной металлооксидной пленки (почти стехиометрический TiO₂), спонтанно образующейся на поверхности титана. Титан является чрезвычайно реакционно-способным металлом, который при воздействии воздуха или воды быстро окисляется (в течение миллисекунд). Именно благодаря наличию этой чрезвычайно тонкой пленки (порядка 10-100 А), которая служит барьером для непрерывного окисления, титан сохраняет свою металлическую форму. Окисление титана (оставляя в стороне на время емкостное заряжение границы раздела) может идти по следующим реакциям с выходом электронов (создавая переходные токи) (Gilbert et al., 1996):

Ti + H₂O → TiO₂ + 4H⁺ + 4e^-

и

Ti → Ti³⁺ + 3e^-.

Есть и другие возможные реакции, однако весьма вероятно, что здесь представлены основные реакции.

Реакция:

Ti + O₂ → TiO₂

не генерирует каких-либо электронов, которых можно зарегистрировать потенциостатическими методами. Таким образом, эта последняя реакция, даже если она присутствует, не будет вносить вклад в генерированные переходные токи.

Вследствие важной роли пассивной оксидной пленки титана для обеспечения биосовместимости (сопротивления коррозии), решающее значение имеет показатель, характеризующий способности диоксида титана сопротивляться механической, химической и электрохимической деградации (Healy et al., 1992; Gilbert et al., 1996).

Кристаллическая решетка у титана может существовать в ряде фаз, которые можно получить с помощью различных добавок. Титановые сплавы подразделяются на α-, α-β-, и β-сплавы. Кроме того, в любом случае в металле еще присутствует ω-фаза. Некоторые ингредиенты инициируют α-фазу, в то время как другие - β-фазу. α-Титан стабилизируют такие элементы как Al, Sn, Zr, В, С, N и О (Hillmann, Donath, 1996), а β-фазу активируют V, Mo, Nb, Cr, Fe, Mn (Thull, 1996).

В травматологии и ортопедии в последнее время все чаще стали использовать материалы изготовленные на основе β-фазы Ti. Следует еще раз отметить, что в них всегда присутствуют примеси, в частности α-титан.

Практическое использование титана для изготовления хирургических имплантатов было предметом рассмотрения на многочисленных конференциях, симпозиумах и конгрессах (ASTM 1983; Thull, 1988, 1996; EMBEC, 1999). Наиболее широко применяются в стоматологических и ортопедических целях титан (а) и сплав Ti-6Al-4V (α, β). Чистый титан используется реже, преимущественно для стоматологических имплантатов и как материал для нанесения пористых покрытий на имплантаты, так как его прочность ниже, чем у сплавов с легирующими добавками. Модуль упругости для Ti составляет около 110 ГПа, а для Co-Cr-сплавов - 210 ГПа (Imam, Fraker, 1996). Тем не менее, его прочность примерно в пять раз превосходит прочность костной ткани - 20 ГПа. Это делает данный металл весьма перспективным при создании аппаратов и устройств для остеосинтеза (Карлов и др., 1996; Muller et al., 1990; Мюллер, 1996; Thull, 1994).

Другие титановые сплавы, включая β-титан, используются в качестве различных хирургических имплантатов, эндопротезов, требования прочности для которых выше, чем для чистого титана. Среди титановых сплавов β-титановые формы предлагают наибольшую возможность применения в имплантатах благодаря легкости обработки, высоким механическим свойствам, позволяющим переносить многолетние циклические нагрузки (Imam, 1996; Thull, 1994).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики