11 Orvosi implantátumok anyagai Dr. Mészáros István Anyagtudomány és Technológia Tanszék Sebészeti, fogorvosi alkalmazások Fémek, ötvözetek Kerámiák Polimerek Kompozitok Fémek ötvözetek hátrányai: korrózió, metallózis, lokális és kopás törmelék képződés, távoli biólógiai kontakt pot. elektrolízis reakciók érzékenyek az elektrokémiai korrózióra nagy rugalmassági modulus előnyei: nagy szilárdság nagy szívósság jó alakíthatóság Alkalmazhatók: saválló acélok, kobalt alapú ötv., titán alapú ötvözetek Passzív oxid réteg a felületen - fő komponensek - mikroötvözők a szervezet kis koncentrációban elviselni képes
22 Saválló (korrózióálló) acélok 316L nem stabilizált, ausztenites acél : TAMMAN (18Cr 8Ni, α, γ stab.) Biolan Ni 12-14 %,Cr 17-20%, C< 0,03%, Mo 2-4% (nem stabilizált Ti, Nb) Ni stabilizálja az ausztenites szerkezetet (delta-ferrit nincs!) C < 0,03% klorid ionokat tartalmazó oldatban jó korrózióállóság (kevés szemcsehatár menti karbid kiválás) a szemcsehatár menti korrózió elhanyagolható Mo javítja a tűlyuk korróziós tulajdonságot pitting MoO 4-2 ionok abszorpciója a felületen passziválás Cr passziv Cr-oxid réteg a felületen (vastagsága 20-50 nm) FeCr 2 O 4, NiCr 2 O 4 spinell szigetelő, lassú benne a diffúzió, kb. 5 nagyságrenddel lassabb, mint a Fe0-ban Szövetszerkezet: - ha túl magas a Mo tartalom σ fázis kialakulása, rideg intermetallikus fémvegyület az ötvözet rideggé válhat - túl magas Cr tartalom >28% szemcsehatáron króm-carbid precipitáció a környezetben elszegényedik Cr ban ( Cr 23 C 6 ) kiürített zóna helyi anódként működik szemcsehatármenti korróziót okoz. - Sensitization : Cr 23 C 6 kialakulása 450-900 0 C hőmérsékleten történik 950 0 C feletti hőkezelés, a karbidok kialakulásának megelőzésére, majd gyors hűtés
33 Mechanikai és korróziós tulajdonságok: - Lágyított állapotában a szilárdsága alacsony. - Hidegalakítás után a szilárdsága, keménysége, modulusa nő, alakíthatósága csökken. - A durva szemcseszerkezet csökkenti a fáradással szembeni ellenállóképességet (Hall-Petch), (sok csipőprotézis fáradásos törése 1978.) - Cr-oxid réteg kritikus elektrokémiai potenciálja közel azonos az in-vivo környezetben kialakuló potenciálkülönbséggel Cr-oxid részlegesen megbomlik korrózió korróziós termékek Ni 2+,Cr 3+ fémionok kerülnek a környező szövetbe (metallózis) és a távolabbi testrészekbe (fémionok felhalmozódása a májban) implantátum-csont kötés meglazulása Korlátozott használati idő 6-12hó (WHO). - Rudak, lemezek, csavarok, szögek, törésrögzítés.
44 Duplex saválló acél : (25Cr-7Ni-4Mo-0,25N) Szövetszerkezet: α + γ (40 60 %) - Duplex: ausztenit + ferrit : mágneses mérések, - Kiváló korrózióállóság Cl - ion tartalmú közegekben - Mo, Cr tartalom magas: - jobb lyuk (pitting) és késél (crevice) korróziós tulajdonságok - Szakítószilárdsága magasabb (4x) mint az ausztenites acélé - Ferromágneses NMR (MR) vizsgálatot lehetetlenné teszi
55 Kobalt alapú ötvözetek : ortopédiai alkalmazások (Vitallium, Virilium ) Öntött Co-Cr-Mo ( ASTM F 75 ). - Az öntvény megszilárdulása során 1350-1450 0 C nagyszemcséjű, inhomogén (cored szerkezet) - Fázisai: - Co-ban gazdag γ - fázis (dendrites) - Cr-ban gazdag M 23 C 6 fázis (Co-Cr-Mo keverék) - Cr+Mo -ban gazdag σ - fázis - fajtérfogat változás dermedés során porozitás lunkerek törés - 890 0 C lassú allotróp átalakulás szoros hexagonális szerkezetből FKK. Hűtés során FKK fázis visszamaradhat (metastabil fázis). - 1235 0 C eutektikum ha T> 1235 0 C helyileg megolvad s a megszilárdulás során σ,γ, M 23 C 6 fázisok válnak ki a szemcsehatáron csökkenti a korrózióállóságot, szivósságot tipikus homogenizálási hőmérséklet 1225 0 C (24-48h)
66 Co-Cr-W-Ni (ASTM F90) - Kristályszerkezete FKK, ausztenites - Alakítási módjai: - meleg kovácsolás >650 0 C - Hidegalakítás (kovácsolás, hengerlés) ε- fázis (hex) - melegkovácsolásnál finom szövetszerkezetet és homogén karbid eloszlást kapunk Co-Ni-Cr-Mo ( ASTM F 562, MP35N ). - Finomszemcsés ausztenites és hexagonális szerkezet - 650 0 C allotróp átalakulás hex FKK,kétfázisú rendszer - hűtés során maradék ausztenit alakul ki (alacsony energiájú metastabil állapot) - hőkezelés 425 - max.650 0 C tartományban Co 3 Mo precipitáció alakul ki a hexagonális fázison belül (kiválásos keményítés)
77 Ti alapú ötvözetek - tökéletesen szövetbarát (inaktív), felületén Ti-oxid (1-4 nm) - Hex(α)-TKK(β) 975 0 C on allotróp átalakulás - nagy szilárdság - jó korrózióállóság jó terhelés eloszlás, ortopédiai alk - alacsony rug.modulus - tiszta Ti csak a fogászatban alkalmazzák (esetleg bevonattal) - Ti-6Al-4V (ASTM F 136) - Ti-5Al-2,5Fe - Ti-6Al-7Nb - Ti-6Al-4V ( ASTM F 136 ) kétfázisú: α+γ - Szövetszerkezete : - újrakristályosított (1) - lemezes (2) - homogenizált és öregített (3) - hidrogén ötvözött (4) - (1) Alakítás, (kovácsolás) 700-950 0 C + hőkezelés 700 0 C újrakristályosodik az anyag közel kerek α szemcsék, finom szerkezet (3-10 µm), β a szemcsehatáron (Ajánlott.) - (2) Lemezes. Hőkezelés T>975 0 C (β) homogenizálás, hűtés α+β lemezes szerkezet (5-20 µm)
88 - (3) Homogenizálás 1000-1050 0 C β, öregítés 800-950 0 C α+β. Idő finom szemcseszerkezet jobb fáradási tulajdonságok - (4) Hidrogén-ötvözés, kémiai-ötvözés: a hidrogén csak időleges ötvöző (β stabilizáló). Eutektoid β bomlása termodinamikailag kedvezőbb mint az β α allotróp átalakulás. Eutektoid bomlása rendkívül finom 1µm kisebb α szemcsék az α+β szerkezetben kitűnő kifáradási tulajdonságok