Технология изготовления титановых имплантатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Технология изготовления титановых имплантатов

А.Ю. Попов, В.А. Бушев, П.В. Назаров, И.А. Бугай, П.Е. Попов, В.А. Сергеев Омский государственный технический университет, Омск, Россия

Использование технологий производства имплантов является ключевой задачей для надкостного остеосинтеза. В статье проведен анализ возможных способов изготовления имплантов на примере 3D-печати, механической обработки и листовой штамповки. Титановые импланты изготавливаются с использованием штамповки металла из биосовместимого титанового сплава ВТ6. Представленный метод используется для изготовления имплантатов. Свойства диоксида титана являются решающими при выборе материала, поскольку диоксид титана обладает наименьшим отторжением.

Ключевые слова - имплантат, титановый сплав, штамповка, 3D-печать.

Введение

В качестве фиксирующего устройства при лечении переломов широко используются металлические фиксаторы на основе сплавов титана. Применение подобных фиксаторов имеет определённые недостатки: ограниченное использование в педиатрической практике, в связи с незавершённостью процессов роста. Необходимость повторного оперативного вмешательства с целью удаления импланта после консолидации перелома. Ограничение при проведении МРТ исследований.

Постановка задачи

Постоянно ведётся поиск новых материалов для изготовления имплантов. Одним из направлений является использование биорезорбируемых и биодеградируемых полимерных материалов, которые постепенно резорбируются (деградируются) в организме по мере заживления перелома

По сравнению с изделиями из металла, полимерные материалы менее хрупкие ввиду более низкого модуля упругости, но они менее устойчивы к нагрузкам и более пластичны. Это может приводить к потере фиксирующих свойств полимерных имплантов, которая может достигать 20 % от первоначальной удерживающей силы, что в дальнейшем приводит к нестабильности перелома. Кроме того, для достижения прочности полимерной пластины (PLLA), эквивалентной прочности титановой, полимерная должна быть гораздо более массивной, что делает весьма ограниченным их применение в некоторых областях травматологии и ортопедии (хирургия стопы, кисти), где одним из требований к импланту является его низкопрофильность.

Поэтому на сегодняшний день полимерные импланты не способны полностью заместить импланты из металла и область их применения в травматологии и ортопедии ограничена.

Теория

На сегодняшний день существуют три основные технологии изготовления имплантатов:

1. 3D-прототипирование, т.е. печать изделия на 3D принтере;

2. Механической обработкой;

3. Листовой штамповкой.

Первая технология - 3D печати позволяет изготовить любую форму имплантата, но отличается невысокой прочностью, поскольку материалом являются пластики ABS, PLA и нейлон. Печать ABS-пластиком сопряжена с определенными технологическими трудностями ввиду достаточно высокой склонности к усадке, то есть к потере объема при охлаждении. Как следствие, возможно образование деформаций и расслоение моделей. PLA-пластик является идеальным материалом для 3D-печати прототипов и изделий, которые не предполагается эксплуатировать длительное время, поскольку PLA-пластик достаточно хрупкий (прочность на изгиб = 55,3 МПа, прочность на разрыв = 57,8 МПа). Недостатком нейлона является более высокий срок застывания и необходимость откачки воздуха из экструдера. Нейлон считается токсичным материалом. Данный вид расходного материала отлично подходит для печати шестерней, рычагов и т.д.

Вторая технология - Фрезерование позволяет получить прочное изделие, поскольку имплантат получается из цельного металла путем снятия стружки. Но данная технология имеет существенные недостатки: высокая стоимость станка, инструмента, большое количество обрабатываемого металла идет в стружку, а стоимость титана порядка 3 тысяч рублей за килограмм.

Третья технология - Листовая штамповка. Технология изготовления предполагает следующие операции: на специальной установке из листа титана вырезаются плоские заготовки, а затем на горячем штампе изгибаются. В итоге получаются изделия прочнее и дешевле, чем за рубежом, за счет уменьшения количества операций и применения универсального оборудования.

Технологическая операция - получение плоской заготовки. Раскрой листа.

имплантат штамповка титан диоксид

Рис. 1 - Плоская заготовка после гидроабразивной резки

Технологическая операция - штамповка. Очистка. Галтовка.

Рис. 2 - Заготовка после штамповки

Технологическая операция - механическая обработка. Сверление отверстий, изготовление резьб.

Рис. 3 - Заготовка после сверления и нарезания резьбы

Обсуждение результатов

Результаты обсуждались на научно-техническом семинаре кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» с участием хирургов-травматологов МСЧ №10, в клинике им. Илизарова, г. Курган и подготовлены материалы для выставки «НАЗВАНИЕ», г. Новосибирск.

Выводы

Использование технологии горячей штамповки позволяет уменьшить металлоёмкость и повысить механические свойства изделий. Технология позволяет учесть опять отечественной промышленности при штамповке лопаток авиационных двигателей.

Использование этой технологии позволяет перейти на крупносерийное изготовление титановых сплавов, создать склад изделий и существенно увеличить доступность качественных имплантат для населения.

Список литературы

1. Остеосинтез: Руководство для врачей / Под ред. О-76 С. С. Ткаченко. -- Л.: Медицина, 1987. -- 272 с.

2. Сергеев С.В. Выбор оптимальных методов оперативного лечения переломов шейки бедренной кости: Дис. …д-ра мед. наук / Сергеев С.В. - М, 1996.- 189 С.

Размещено на Allbest.ru