Ваше развитие

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4349 (2023) Цитировать эту статью

684 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Одноосный коленный протез представляет собой искусственное биомеханическое устройство, обеспечивающее движение людям с ампутированными конечностями без необходимости использования вспомогательных приспособлений. Помимо того, что они в основном состоят из металлических материалов, современные коммерческие материалы не обладают адекватными свойствами для длительного использования или доступной стоимостью. В ходе этого исследования были получены и охарактеризованы сплавы Ti-(10-x)Al-xV (x = 0, 2 и 4 мас.%) для потенциального использования в качестве одноосных протезов коленного сустава. Образцы демонстрировали постепенное снижение значений плотности при правильном химическом смешивании легирующих элементов на микроуровне. В фазовом составе образцов Ti-8Al-2V и Ti-6Al-4V присутствует первичная α-фаза и второстепенная α' + β-фаза. Из-за другого атомного радиуса по сравнению с Ti добавление легирующих элементов изменило параметры ячейки. Их выбранные механические свойства (модуль Юнга, микротвердость по Виккерсу и коэффициент демпфирования) показали лучшие значения, чем у CP-Ti класса 4. Образцы также продемонстрировали хорошие коррозионные свойства по отношению к моделируемому морскому раствору. Трибокоррозионная стойкость образцов была лучше, чем у контрольного материала, при этом следы износа состояли из нескольких трибослоев и канавок, возникших в результате адгезионного и абразивного износа. Сплав Ti-10Al показал наилучшие свойства и низкую стоимость для использования в качестве одноосных протезов коленного сустава.

Протез коленного сустава — это биомеханическое устройство, используемое пациентами с ампутированной конечностью и являющееся эффективным способом восстановления после ходьбы, бега и стояния без использования вспомогательных приспособлений. Ампутация ноги возникает в результате травм (дорожно-транспортных происшествий или несчастных случаев на производстве) или заболеваний (хронических или возрастных), требующих хирургического удаления конечности1. Протез колена может быть механическим или компьютеризированным, причем первый из них обходится пациенту дешевле. Механический коленный протез разделяют также по числу осей вращения, которые могут быть одноосными, многоосными и полицентрическими2. Одноосный — самый простой тип, который позволяет только сгибать и разгибать колено и является лучшим экономически эффективным вариантом для бедных и пожилых людей2,3. К основным недостаткам относятся чрезмерная мышечная сила, необходимая для поддержания стабильной ходьбы и стояния, а также сложность контроля вращения коленей, что может повлиять на походку и создать риск падений и травм4. Учитывая, что современные протезы из нержавеющей стали не отвечают клиническим потребностям, разработка недорогих сплавов на основе Ti потенциально может преодолеть эти недостатки без чрезмерного увеличения затрат.

Титан и его сплавы в основном используются в качестве биомедицинских материалов из-за их благоприятных механических, коррозионных, износостойких и биологических свойств. В основном используются имплантаты и устройства для ортопедии, кардиологии и одонтологии5. Сочетание легирующих элементов и правильной термомеханической обработки может изменить пропорцию α (гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура, ГПУ) и β-фаз (объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура, ОЦК) или выделить метастабильные фазы (такие как мартенситная α' и α″ или ω), которые могут напрямую влиять на свойства Ti6. Формирование твердых растворов Ti с нетоксичными легирующими элементами в настоящее время признано разумной стратегией преодоления ограничений, связанных с эффектом защиты от напряжений, вызванным несоответствием модуля Юнга человеческой кости, разрушениями, вызванными коррозией со стороны биологических жидкостей, и токсичностью. в результате высвобождения ионов и мусора, возникшего в результате износа механизмов7. Однако разработка новых материалов на основе Ti, отвечающих всем клиническим потребностям, по-прежнему остается сложной задачей.

Сплав Ti-6Al-4V, также называемый CP-Ti класса 5, соответствует стандарту ASTM F1368 и в настоящее время является самым популярным титановым сплавом во всем мире. Материал был разработан в 1950-х годах с целью использования в конструктивных элементах самолетов и воздушного пространства благодаря его легкому весу, высокой прочности, превосходной вязкости разрушения и хорошей коррозионной стойкости, обеспечиваемой его двойным α + β-фазным составом. В 1970-х годах этот материал начали использовать в качестве биоматериала, в частности, при производстве ортопедических имплантатов. Однако некоторые опасения по поводу высвобождения вредных и токсичных ионов Al и V по-прежнему предупреждают медицину9,10. В этой ситуации некоторые стратегии преодоления этого недостатка и открытия новых приложений основаны на добавлении легирующих элементов, таких как сплавы Ti-Al-V-X (X = Fe, Zr и Mo)11,12,13. Однако текущие исследования сосредоточены только на потенциальном применении сплавов Ti в биомедицинских имплантатах, не рассматривая внешние протезы, несмотря на обширные требования в этой области.