of 22 /22
Universitatea Politehnica București Departamentul de Bioinginerie și Biotehnologie Biomateriale metalice Aliaje Ti- Mo și Ti- Zr Masterand: Mihai Mihaela Specializarea: Biomateriale An I 2010-2011

Biomateriale metalice -proiect

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Biomateriale metalice -proiect

Universitatea Politehnica București

Departamentul de Bioinginerie și Biotehnologie

Biomateriale metalice

Aliaje Ti- Mo și Ti- Zr

Masterand: Mihai Mihaela

Specializarea: Biomateriale

An I

2010-2011

Page 2: Biomateriale metalice -proiect

2

Cuprins

1. Biomateriale metalice – scurt istoric .............................................. 3

2. Proprietățile biomaterialelor metalice ............................................ 4

3. Titanul folosit ca biomaterial ......................................................... 6

3.1. Titanul și aliajele sale folosite în medicină ............................... 7

3.1.1. Aliaje Ti-Mo ....................................................................... 8

3.1.2. Aliaje Ti-Zr ....................................................................... 14

4. Bibliografie .................................................................................. 21

Page 3: Biomateriale metalice -proiect

3

1. Biomateriale metalice – scurt istoric

Ştiinţa biomaterialelor este „ştiinţa care se ocupă cu interacţiunile dintre organismele vii şi

materiale”, iar biomaterialele ca fiind „orice substanţă sau combinaţie de substanţă, de origine

naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine determinată, ca un

întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbeşte, sau înlocuieşte un

ţesut, organ sau o funcţie a organismului uman”(Williams 1992).

Astfel s-a născut ştiinţa biomaterialelor cu un vocabular medical şi ştiinţific îmbogăţit de

noi termeni, destinaţi definirii interacţiunii între un organism viu si un material.

Ortopedia, chirurgia estetica, oftamologia, chirurgia maxio-facială, cardiologia, urologia

si neurologia şi practic toate specialităţile medicale nu numără mai puţin de 400 de produse

diferite şi 10% din activităţile medicale necesită utilizarea de biomateriale în scopuri de:

diagnosticare, prevenţie şi terapie (Fig.1).

Din categoria biomaterialelor folosite pentru realizarea implanturilor şi a dispozitivelor

medicale fac parte următoarele materiale: polimerii, metalele, ceramicele şi compozitele.

Metalele sunt unele dintre cele mai folosite biomateriale în cazul implanturilor ortopedice,

şi nu numai. Acestea sunt cunoscute pentru rezistenţa mare la uzură, ductibilitate şi duritate

ridicată. Cel mai des folosite metale pentru realizarea implanturilor sunt oţelurile inoxidabile,

aliajele de cobalt-crom-molibden, titanul şi aliajele de titan.

Titanul şi aliajele acestuia sunt folosite cu precădere la realizarea implanturilor ortopedice

datorită faptului că proprietăţile mecanice ale acestuia sunt asemănătoare cu cele ale ţesutului

osos.

Principalele dezavantaje al acestor metale sunt rigiditatea ridicată pe care o au în

comparaţie cu ţesuturile gazdă, precum şi tendinţa acestora de a crea artefacte în cazul

procedeelor de diagnosticare avansate (investigarea cu computerul tomografic şi rezonanţă

magnetică).

Page 4: Biomateriale metalice -proiect

4

Figura 1. Aplicaţii ale biomaterialelor în medicină

2. Proprietățile biomaterialelor metalice

Proprietăţile materialelor sunt guvernate direct chiar de structura lor. La nivel atomic,

metalele sunt formate din ioni pozitivi, aflaţi în interiorul norului de electroni liberi. Acest

nivel atomic este responsabil pentru caracteristicile şi proprietăţile distincte ale metalelor.

Legăturile metalice permit atomilor să se autoaranjeze într-o anumită ordine, să se repete şi să

se organizeze într-un model cristalin tridimensional. Electronii liberi sunt responsabili pentru

proprietăţile electrice şi de conductibilitate termică a metalelor. Datorită faptului că legăturilor

interatomice din structura metalelor nu sunt spaţial orientate, atomii aflaţii la capătul

straturilor pot aluneca de pe un strat pe altul dând astfel naştere deformaţiei plastice.

Proprietăţile chimice ale metalelor depind tot de natura legăturilor lor atomice. Cu cât

legăturile dintre atomi sunt mai puternice, şi greu de rupt, cu atât materialul este mai inactiv.

Page 5: Biomateriale metalice -proiect

5

Deoarece interacţiunea dintre ţesutul uman şi biomaterial are loc la nivelul interfeţei dintre

cele două componente, proprietăţile suprafeţei materialului implantat sunt de mare

importanţă.

Metalele în stare pură sunt mai rar utilizate, aliajele acestora fiind mai des folosite datorită

faptului că îmbunătăţesc unele dintre proprietăţi, cum ar fi rezistenţa la coroziune şi duritatea.

Trei grupe de materiale domină grupa biomaterialelor metalice: oţelurile inoxidabile 316 L,

aliajele de cobalt-crom-molibden şi titanul pur sau aliaje de titan (tabelul 1).

Primul tip de oţel inoxidabil folosit în implanturi a fost oţelul de vanadiu (18-8Va), dar

rezistenţa la coroziune a acestuia nu a fost prea bună. Pentru a-i mări rezistenţa la coroziune,

în compoziţia acestuia s-a adăugat molibden (18-8Mo), care mai târziu a devenit oţelul

inoxidabil 316. În anii 1950, componenta de carbon a oţelului inoxidabil 316 a fost redusă de

la 0,08% la 0,03% din greutatea totală, cu scopul de creştere a rezistenţei la coroziune. Astăzi,

acest oţel poartă numele de oţel inoxidabil 316L şi conţine o cantitate de 0,03% carbon, 2%

magneziu, 17-20% crom, 12-14% nichel, 2-4% molibden şi alte elemente în cantităţi mai mici

cum ar fi fosforul, sulful, şi siliconul(Davis J.R. , 2003).

Tabelul 1 Compoziţia % a biomaterialelor metalice folosite în implanturile medicale.

Element Oţel inoxidabil 316

L

Aliajul Co-Cr-

Mo

Titan Aliaj Ti-6Al-AV

C 0,03% 0,035% 0,010% 5,5-6,5%

Co - ponderat - 0,08%

Cr 17-20% 26-30% - -

Fe ponderat 0,75% 0,3-0,5% -

H - - 0,0125-0,015% 0,25%

Mo 2-4% 5-7% - 0,0125%

Mn 2% 1% - -

N - 0,25% 0,03-0,05% -

Ni 12-14% 1% - 0,05%

O - - 0,18-0,40% -

P 0,03% - - 0,13%

S 0,03% - - -

Si 0,75 1% - -

Ti - - ponderat -

V - - - ponderat

W - - - 3,5-4,5%

Page 6: Biomateriale metalice -proiect

6

3. Titanul folosit ca biomaterial

Primele încercări de utilizare a titanului în implanturile medicale datează din anii

1930. Greutatea uşoară (4,5 g/cm3) precum şi proprietăţile mecano-chimice forte bune ale

titanului, fac din acesta un material foarte utilizat în cazul implanturilor ortopedice. Există

patru categorii de titan folosite în aplicaţiile medicale. Deosebirile dintre ele sunt date de

impurităţi ca: oxigen, fier şi nitrogen. În particular, oxigenul are o bună influenţă în cazul

ductibilităţii şi rezistenţei mecanice. Pe lângă componentele prezentate mai sus se mai

folosesc şi alte componente ca: hidrogenul şi carbonul (0,015% şi respectiv 0,1%). De

asemenea titanul are o rezistenţă foarte mare la coroziune, datorită formării unui strat de oxid

de titan (TiO2) pe suprafaţa acestuia. Această peliculă produce grăbirea procesului de

osteointegrare, proces prin care ţesutul osos aderă la suprafaţa implantului fără apariţia

inflamaţiei cronice.

Dezavantajele titanului includ o rezistenţă la forfecare relativ mică, rezistenţă mică la

uzură şi dificultăţi în procesul de fabricaţie.

În tabelul 2 sunt redate cele mai importante proprietăţi mecanice ale biomaterialelor

metalice folosite mai des în aplicaţiile medicale.

Tabelul 2 Proprietăţile mecanice ale celor mai folosite biomateriale metalice

Proprietăţi Oţel

inoxidabil

Aliaj

Co-Cr Titan

Aliaj

Ti-6Al-4V

Os

cortical

Rezistenţa de rupere la tracţiune T [MPa] 586-1351 655-1896 760 965-1103 70-150

Limita de curgere E [MPa] 221-1213 448-1606 485 896-1034 30-70

Densitate [g/cm3] 7,9 8,3 4,5 4,5 -

Modul de elasticitate E [GPa] 190 210-253 110 116 15-30

Rezistenţa la oboseală O[MPa] 241-820 207-950 300 620 -

Modulul de elasticitate al materialelor prezentate este de cel puţin şapte ori mai mare

decât cel al ţesutului osos. Această neconcordanţă poate duce la apariţia fenomenului de

„supraconsolidare”, o stare caracterizată prin reabsorbţia osoasă în vecinătatea implantului.

Complicaţiile clinice apar datorită faptului că cea mai mare parte din solicitarea mecanică este

preluată de către implant, privând ţesutul osos de stimularea mecanică necesară procesului de

homeostază. Proprietăţile mecanice ale unui implant depind nu numai de tipul materialului

folosit dar şi de procesul de fabricaţie, tratamentele termice şi mecanice putând schimba

Page 7: Biomateriale metalice -proiect

7

microstructura materialului. De exemplu, în cazul prelucrării la rece (forjare sau cilindrare),

deformările rezultate duc la o creştere a durităţii şi a rezistenţei materialului, dar din păcate

scade ductibilitatea şi creşte reactivitatea chimică.

3.1. Titanul și aliajele sale folosite în medicină

Biomaterialelor metalice au fost utilizate în principal pentru fabricarea dispozitivelor

medicale pentru înlocuirea ţesuturilor dure, cum ar fi articulaţiile artificiale de sold , placi

osoase şi implanturi dentare, deoarece acestea sunt foarte sigure din punct de vedere al

performanţelor mecanice. Această tendinţă este de aşteptat să continue. Mai mult, oţeluri

inoxidabile, aliajelor Co, şi Ti şi aliajele sale (denumit în continuare aliaje de titan) sunt

utilizate în principal la fabricarea de biomateriale metalice

De când se cunoaște că aliajele de Ti au cea mai buna biocompatibilitate, cercetarea și

dezvoltarea sistemului de biomateriale bazat pe Ti a fost urmarit cu mare interes în zona

biomaterialelor metalice.

Deoarece chiar şi aliajele de titan, care sunt extrem de biocompatibile, nu sunt

bioactive, cercetări considerabile s-au efectuat pe studiul modificării suprafețelor ceramicii

bioactive cu scopul de a studia pe viitor biocompatibilitatea acestor materiale.

Foarte recent, au început cercetări ale suprafețelor modificate de polimeri a aliajelor de titan

prin legăturile chimice, în scopul de a mări biofuncționalitatea .

Este de aşteptat ca cercetările privind creșterea biofunctionalității biomaterialelor

metalice prin topirea şi omogenizarea lor cu ceramica, polimeri, sau ambele, în funcţie de

scopul dorit, importanţa acordată acestui subiect va creşte.

Cele mai multe cercetări asupra biomaterialelor de titan se fac concentrându-se pe

aliaje de titan deoarece variabilele de prelucrare pot fi controlate pentru a produce rezultate

selectate; proprietăţi îmbunătăţite, cum ar fi modul redus de elasticitate, rezistenţă sporită la

coroziune, şi răspunsul ţesuturilor îmbunătăţite sunt posibile în comparaţie cu aliaje de tip

(Geetha M. și colab,2008).

Prin urmare, aliajel de titan compus din elemente non-toxice, cum ar fi Nb, Ta, Zr,

Mo, şi Sn având modulul de elasticitate inferior şi rezistenţă mai mare ar trebui să fie din ce

in ce mai mult dezvoltate.

Page 8: Biomateriale metalice -proiect

8

3.1.1. Aliaje Ti-Mo

În ultimii ani, aliaje Ti-Mo privite ca biomaterialelor au fost studiate, cu accent pe

microstructura şi proprietăţile lor mecanice.

Hoet și colab., Sugano și colab ., Guo şi Enomoto ,Sukedai și colab., şi Liu și colab. ,

de exemplu, au efectuat diferite studii privind transformarile de faza, eliberare de stres, şi

proprietăţile mecanice a diferitelor aliaje de Ti-Mo.

Zhang și colab . au studiat formarea martensitei indusă într-un aliaj metastabil Ti-

Mo bazat pe utilizarea difracției de raze X și microscopie electronică de transmisie.

Într-o a doua lucrare, Zhang și colab. folosește microscopie electronică cu transmisie

de înaltă rezoluţie, difracție de raze X in situ analize folosite pentru a elucida sensibilitatea

compozițională a comportamentului la deformare în aliaje bazate pe Ti-Mo.

Aliaje cu 8% Mo expuse la tensiuni elastice/plastice care duc la formarea ireversibilă

de martensită ortorombică indusă de stres.

Aliaj care conţine 10% Mo au prezentat un răspuns pronunţat pseudoelastic cu recuperare de

80% din tulpina impusă de tracțiune.

Având în vedere că există doar câteva studii care se ocupă cu aliajele ti-mo aliaje și

utilizarea lor potenţială ca biomateriale, scopul acestei lucrări a fost de a obţine aliaje Ti-Mo,

cu concentraţii diferite de Mo de la 4 la 20 % , şi să analizeze caracteristicile lor chimice,

morfologice, structurale şi electrochimice în condiţiile date.

Aliajele Ti-Mo cu diferite compoziții (4, 6, 8, 10, 15, şi 20 Mo%.), s-au topit într-un cuptor cu

arc electric având un electrod neconsumabil de W si un suport de cupru răcit cu apă în

atmosfera de argon pur, în urma unei proceduri bine-cunoscut descrise in literatura de

specialitate(Oliveira Nilson T.C. și colab., 2006).

Iniţial, un vid de 10-3 atm a fost creat şi apoi argon ultra-pur a fost injectat.

Această procedură a fost repetată de trei ori şi un vid de 10-3 atm de argon a fost menţinut

până la sfârşitul procesului, asigurând eliminarea tuturor gazelor de oxigen din sistem.

După această procedură, diverse aliaje au fost topite din elemente chimice de înaltă

puritate. Lingouri de aproximativ 60 g au fost obţinute pentru fiecare aliaj. În scopul de a

asigura omogenitatea probelor au fost întoarse și retopite de 20 de ori.

Analizele chimice (EDX şi XRF) au fost efectuate în domenii diferite (în vrac şi de

suprafaţă) şi rezultatele arată că compoziţia chimică efectivă a aliajelor este aproape de

valorile lor nominale (Tabelul 3) şi sunt in conformitate cu ASTM F-67.

Page 9: Biomateriale metalice -proiect

9

Tabel 3. Rezultatul analizelor EDX şi XRF pentru aliajul Ti-Mo

După cum se poate observa, numai din aliaj Ti-20Mo a fost uşor diferită (în jur de

2%), atunci când valorile nominale şi experimentale au fost comparate. Compoziţia chimică a

aliajelor a fost omogenă şi nu au fost gasite diferenţe la suprafaţă şi în vrac.

Rezultatele obţinute în această lucrare a arătat că structura cristalina a aliajelor binare Ti-Mo

este sensibilă la concentraţia de molibden din aliaj (Fig. 2).

Figura 2. Difractogramele XRD ale aliajelor Ti-Mo de la 4 la 20 %Mo

Page 10: Biomateriale metalice -proiect

10

Prin compararea rezultatelor obţinute pentru diverse aliaje, se poate observa că un

amestec de faze hexagonal ′ şi ortorombic ′′ a fost observată pentru aliajul Ti-4Mo, şi faza ′′

se observă aproape exclusiv în cazul în care concentraţia de Mo adăugat titanului ajunge la 6%.

O retenţie semnificativă a fazei se observă pentru aliaje care conţin 10% Mo, în timp ce la

concentraţii mai mari (15% şi 20%), retenţia de faza este verificată numai în spectrele de

raze X.

Comportarea la coroziune a aliajului Ti-15Mo utilizat pentru implanturi dentare

Aliajele de titan dezvoltate în stadiu incipient sunt în principal cele de tip.

Recent, biocompatibilitate mecanică a biomaterialelor este, de asemenea, considerată ca fiind

un criteriu important în selecţia biomaterialului. Prin urmare, cercetarea şi dezvoltarea de

aliaje de titan de tip , care sunt considerate avantajoase în termeni de biocompatibilitate

mecanică, sunt în creştere.

Mai multefaze- a aliajelor de titan, având Nb, Ta, Zr si Mo ca elemente de aliere (elemente

-stabilizator), cum ar fi, Ti-12Mo-6Zr-2Fe şi Ti-13Mo-7Zr-3Fe ("TMZF"), Ti-15Mo-5Zr-

3Al, Ti-15Mo-3NB-3O ("21Srx TIMETAL"), Ti-14Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta şi Ti-34Nb-

9Zr-8Ta ("TNZT "), Ti-29Nb-4.6Zr-13Ta, Ti-15Mo, etc, au fost dezvoltate de Ho si colab şi

Oliveira și colab au studiat structura şi proprietăţile pe o serie de aliaje binare cu Ti cu un

conţinut de Mo ajungând până la 20%. Pe baza evoluţiei microstructurale şi consolidarea

mecanismelor de aliaj Ti-15Mo, Nag et al. au recomandat ca fiind unul dintre aliajele

biocompatibile promiţătoare(Kumar S. și colab.,2008)

Biocompatibilitatea Ti şi a aliajelor sale cu aplicare in domeniul implanturilor dentare

este decis în funcţie de răspunsul osteointegrării şi comportamentului celulelor de adeziune.

Wang şi Li au studiat biocompatibilitatea aliajelor de titan pentru restaurare dentare. Ei au

descoperit ca Ti şi aliajele sale nu au avut efecte mutagene, dar nici o diferenţă semnificativă

în atașarea celulelor nu a fost observată.

Modificarea suprafeţei aliajelor de titan, şi anume acoperire cu TiN, acoperire cu

hidroxiapatita pulverizată, etc, au fost explorate pentru a îmbunătăţi biocompatibilitatea

aliajelor de titan folosite pentru implanturi dentare.

Acesta a stabilit că proprietăţile chimice ale stratului de oxid de pe aliajele de titan joacă un

rol important în decizia biocompatibilității sale cu ţesuturile înconjurătoare. În cazul în care

mediul este acid şi conţine cantitatea considerabilă de ioni de fluor, atunci aceasta ar conduce

Page 11: Biomateriale metalice -proiect

11

la formarea de acid fluorhidric (HF). În cazul în care concentraţia de HF depăşeşte 30 ppm,

filmul pasiv pe aliajul de Ti va fi distrus şi proprietăţile sale mecanice vor fi drastic afectate.

Alierea anumitor elemente, împreună cu Ti se constată că oferă o mai bună rezistență la

coroziune în medii care conţin fluorură.

Microstructura, structura şi microrezistenţa aliajului Ti-15Mo

Microstructura aliajelor Ti-15Mo (Fig. 3) arată -granule de dimensiuni aproape egale ca

fază dominantă, care sunt omogen şi uniform distribuite. Modelul cu raze x de aliaj indică

faptul că doar faza- este păstrată în structură. Microrezistenţa de aliaj Ti-15Mo se dovedeşte

a fi 238 ± 5 HV0.2.

Figura 3. Microstructura aliajului Ti-15Mo

Page 12: Biomateriale metalice -proiect

12

Studii de polarizare potențiodinamică a aliajului Ti-15Mo

Studii de polarizare potențiodinamică a aliajului Ti-15Mo au fost efectuate în

intervalul de potenţialul -250 până la +250 mV cu privire la OCP vs SCE la o rată de scanare

de 100 mV / min, pentru a observa efectul de ioni de florură asupra comportamentului la

coroziune (Fig.4).

Figura 4. Curba polarizării potențiodinamice a aliasjului Ti-15Mo în 0,15 M NaCl cu

variația concentrației ionilor fluorurați (190, 570,1140 și 9500 ppm) cu rata de scanare de

100 mV (potemțialul in mV vs SCE).

Deşi forma curbelor este destul de similară, regiunea activă a curbelor este extinsă la

regiunea curentă mai mare în prezenţa ionilor de fluor. Potenţialul de coroziune (Ecorr) şi

densitatea curentului de coroziune (icorr), calculate folosind metoda de extrapolare Tafel, sunt

compilate în Tabelul 4. Există o schimbare catodică în Ecorr 275 - 457 mV vs SCE şi o

creştere remarcabilă în icorr de la 0.31-2.30 mA/cm2 cu creşterea concentraţiei de ioni de

fluorură 0-9500 ppm.

Page 13: Biomateriale metalice -proiect

13

Tabel 4. Potențialul de coroziune(Ecorr), densitatea de curent(icorr) și curba densitate de curent

pasiv(ipass) a aliajului Ti-15Mo în 0,15 M NaCl la diferite concentratii de ion fluorură

Studiul a condus la urmatoarele concluzii:

Aliajul Ti-15Mo arată prezenţa -fazei, care este omogenă şi uniform distribuită şi

microduritatea sa este de 238 ±5 HV0.2.

Tranziţia activ-pasiv se observă în prezenţa tuturor concentraţiilor de ioni de fluor. Cu toate

acestea, regiunea activă este extinsă la regiunea curentă mai mare în prezenţa ionilor de fluor.

În ciuda dizolvării active în prezenţa ionilor de fluor, aliajul Ti-15Mo prezintă pasivitate la

potenţialul anodic.

Există o dependenţă puternică a icorr, Ecorr, iPass, RCT, CDL şi mediu la starea de

echilibru, valorile densităţii de curent a aliajului Ti-15Mo privind concentraţia de ioni de

fluorură în mediul electrolit. Creşterea concentraţiei de ioni de fluor creşte icorr, iPass medie,

la starea de echilibru valorile densităţii de curent şi CDL, determină o schimbare în Ecorr

catodică şi o scădere a valorilor RCT, sugerând influenţa negativă a ion fluor şi o scădere a

capacităţii de protecţie la coroziune a Ti- 15Mo aliaj.

Densitatea medie la starea de echilibru actuală, de asemenea, prezintă o dependenţă

liniară asupra potenţialului, sugerând dizolvarea filmului de oxid de protecţie, precum şi

substratului.

Ca expunere a implanturilor dentare la ioni fluorurați care conţin geluri, etc, ar fi limitat

numai la ’’gât’’ implantul şi pentru perioade foarte scurte de timp, cantitatea de ioni Mo

eliberat din aliaj Ti-15Mo nu este de natură să aibă un efect advers. Prin urmare, în termeni de

biocompatibilitate aliajul Ti-15Mo pare să fie acceptabil pentru aplicaţii in implanturi dentare.

Pe baza rezultatelor studiului, aliajul Ti-15Mo poate fi o alternativă potrivită pentru

implanturile dentare (Kumar S. și colab, 2008).

Page 14: Biomateriale metalice -proiect

14

3.1.2. Aliaje Ti-Zr

În ultimii ani a existat o dezvoltare semnificativă a aliajelor noi folosite pentru

implanturi bazat pe Ti, cum ar fi sistemele de aliaje Ti-Nb-Zr și Ti-Nb-Zr-Ta.

În continuare se vor prezenta caracteristicile aliajelor Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr şi

Ti-41.1Nb-7.1Zr în care Nb va substitui Ta, cu accent pe proprietăți – microstructură – relaţii

între compoziţii. Aceste aliaje sunt produse din materiale pur comerciale (Ti, Nb, Zr şi Ta),

printr-o metodă de topire pe arc elecric (Elias L.M. și colab., 2006).

Titanul şi aliaje de titan sunt potrivite ca biomateriale clinic utilizate deoarece proprietăţile lor

biologice, mecanice şi fizice joacă un rol semnificativ în durata de viață a protezelor şi

implanturilor.

Reacţia tesuturilor studiate au identificat Ti, Nb, Zr şi Ta ca elemente non-toxice,

deoarece acestea nu provoacă nici o reacţie adversă în corpul uman.

În plus, Nb şi, într-o măsură mai mică, Ta, acţionează ca stabilizatori, pentru a forma soluţii

solide omogene, în timp ce Zr acţionează ca un element neutru pentru formarea unei soluţii

omogene solidă în faze şi . În plus, Nb şi Ta se folosesc pentru a reduce modul de

elasticitate aliat cu titan, în anumite cantităţi.

Studii despre Ti-Nb-Ta-(Zr) au arătat că sistemul de transformări de fază sunt sensibile

atât la rata de răcire şi de compoziţia chimică. Fig.5 ilustrează schematic o transformare de

răcire continuă (TVC), diagrame pentru aliaje Ti–Nb–Ta–Zr cu un conţinut de aproximativ

7% Zr (Elias L.M. și colab, 2006).

Page 15: Biomateriale metalice -proiect

15

Figura 5. Diagramele CCT schematice pentru Ti–Nb–Ta–Zr cu un conținut

aproximativ de 7% Zr ( Tang şi colab., 2000)

Studiul experimental:

Aliajele Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta şi Ti-41.1Nb-7.1Zr soluţii au fost tratate la 1000 °C

timp de 2 h apoi cu apă de răcire pentru a elimina influenţa microstructurii iniţiale şi pentru a

garanta omogenitatea microstructurii. Se poate observa din Fig. 6 şi 7 pentru ambele aliaje

care microstructuri sunt constituite de o matrice ce conţine precipitate dendritice.

Page 16: Biomateriale metalice -proiect

16

Figura 6. soluţie de aliaj Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta

tratată la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă, micrografii cu:

(a) microscopie la lumina şi (b) SEM

Page 17: Biomateriale metalice -proiect

17

Figura 7. Soluţie de aliaj Ti–41.1Nb–7.1Zr tratată la

1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă, micrografii cu:

(a) microscopie la lumina şi (b) SEM

La analizarea Fig. 8, se observă recristalizarea microstructurala completă a aliajului

Ti-41.1Nb-7.1Zr ,în timp ce pentru aliajul Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta aceasta nu se întâmplă,

după cum se arată în Fig. 9.

Page 18: Biomateriale metalice -proiect

18

Figura 8. Aliajul Ti-41.1Nb-7.1Zr tratat la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă după prelucrarea

la rece, micrografiilor de: (a) microscopie lumina si (b) SEM.

Figura 9. Aliajul Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta tratat la 1000 ◦ C / 2 h şi călire cu apă după

prelucrarea la rece, micrografiilor de: (a) microscopie cu lumina si (b) SEM.

Curbele experimentale efort-deformaţie pentru aliajele testate sunt reprezentate grafic

în fig. 10. Valorile proprietăţilor mecanice sunt rezumate în tabelul 5. Unele diferenţe se

observa la proprietăţile mecanice.

Page 19: Biomateriale metalice -proiect

19

Figura 10. Curbe efort-deformaţie : (a) Ti–41.1Nb–7.1Zr şi (b) Ti–35.3Nb– 7.1Zr–5.1Ta.

Tabelul 5. Proprietăţile mecanice pentru Ti–41.1Nb–7.1Zr şi Ti–35.3Nb– 7.1Zr–5.1Ta.

Page 20: Biomateriale metalice -proiect

20

Concluziile studiului

Studiul de faţă a investigat microstructuri şi proprietăţi mecanice pentru aliajele Ti-

41.1Nb-7.1Zr şi Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta, care au fost produse de aceeaşi cale de prelucrare

termomecanic. Cu analiza a rezultatelor obţinute, se poate concluziona:

1. Tratament termic la 1000 ◦ C / 2 h dupa ce a lucrat la rece nu au fost suficient pentru a

promova o recristalizare completă a aliajului Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta.

2. Comportamentul la stres arată că ambele aliaje aveau caracteristicile unui material

elastic perfect plastic, independent de compoziţia chimică

3. Valorile iniţiale ale modulului elastic au fost aproximativ egale pentru ambele aliaje.

Cu toate acestea, pe baza comportamentului de modul tangenta, a fost posibil să se

concluzioneze că aliajul Ti-35.3Nb-7.1Zr-5.1Ta prezinta scădere considerabilă de

rigiditate.

4. Creşterea rezistenţei a limitei la rupere şi alungire pot fi legate cu prezenţa tantalului.

5. Unele anchete sunt necesare mai mult pentru a concluziona cu privire la toate

caracteristicile care influenţează comportamentul microstructural şi mecanic ale

aliajelor de titan 41.1Nb-7.1Zr şi Ti-135.3Nb-7.1Zr-5.1Ta (Elias L.M. și colab,

2006).

Zirconiul este folosit mai nou și în stomatologie ca cea mai fizionomică opțiune pentru o

coroană dentară. Se pune sub porțelan în loc de metal pentru a nu transpare sub porțelan. Se

mai folosește și la implantologie tot din același motiv, dar și pentru că are o biocompatibilitate

superioară, înlocuind titanul.

Are o densitate mică și este un metal de tranziție dur, lucios și rezistent la coroziune

(inclusiv față de apa de mare, apa regală și clor), cu o culoare argintie. Titanul poate fi folosit

în combinații cu fierul, vanadiul, molibdenul, printre alte elemente, cu scopul de a produce

aliaje puternice și ușoare pentru aerospațiu (motor cu reacție, proiectil sau nave spațiale), uz

militar, procese industriale (chimicale și petro-chimicale, uzine de desalinizare, hârtie),

automobile, agro-alimentare, proteze medicale, implanturi ortopedice, intrumente și pile

dentare, implanturi dentare, bijuterii, telefoane mobile și alte aplicații.

Pentru aliajele de acest tip Ti-Mo și Ti-Zr înca se mai fac cercetări pentru

determinarea microstructurii și proprietăților, din ce in ce mai mulți cercetători își îndreapta

atenția către aceste aliaje deoarece devin din ce în ce mai promițătoare pentru aplicații în

medicină.

Page 21: Biomateriale metalice -proiect

21

4. Bibliografie

1. Davis J.R. ’’Handbook of Materials for Medical Devices’’ ASM International

2003

2. Elias L.M., Schneider S.G., Schneider S., Silva H.M., Malvisi F.

’’Microstructural and mechanical characterization of biomedical Ti–Nb–Zr(–

Ta) alloys’’ Materials Science and Engineering A 432 (2006) 108–112.

3. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. ‚’’ Ti based biomaterials,

the ultimate choice for orthopaedic implants – A review ’’, Progress in

Materials Science 54 (2009) 397–425

4. Kumar Satendra , Narayanan T.S.N. Sankara, ’’Corrosion behaviour of Ti–

15Mo alloy for dental implant applications’’ ,J ournal of de n t i s t r y 3 6 ( 2 0

0 8 ) 5 0 0 – 5 0 7

5. Oliveira Nilson T.C. , Aleixo Giorgia , Caram Rubens, Guastaldi Antonio C.

’’Development of Ti–Mo alloys for biomedical applications: Microstructure

and electrochemical characterization’’ , Materials Science and Engineering A

452–453 (2007) 727–731

6. Tang X., Ahmed T., Rack H.J., J. Mater. Sci. 35 (2000) 1805–1811.

Page 22: Biomateriale metalice -proiect

22