Wpływ obróbki cieplnej na powierzchniowe utlenianie i przemiany fazowe tytanowo-niklowych implantów medycznych z pamięcią kształtu

• Autorzy: Lekston Z.

Warianty tytułu

EN

Effect of thermal treatment on the surface oxidation and phase transformations of titanium-nickel shape memory medical implants

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Tytanowo-niklowe stopy z pamięcią kształtu są z powodzeniem wykorzystywane w różnych zastosowaniach medycznych. W pracy polerowane mechanicznie stopy NiTi po różnej obróbce cieplnej, użyte do przygotowania różnych prototypów implantów medycznych, badano metodą rentgenowskiej analizy fazowej, skaningowej kalorymetrii różnicowej, testów mechanicznych i pomiarów efektów pamięci kształtu. Stwierdzono, że podczas rutynowej obróbki cieplnej w powietrzu, w zakresie temperatury 300÷600°C pręty, druty i listwy użyte do przygotowania implantów medycznych ulegały powierzchniowemu utlenianiu. Podczas krótko-czasowej obróbki cieplnej w temperaturze poniżej 500°C tworzy się ochronna, kolorowa, utleniona powierzchnia. Metodą rentgenowskiej analizy fazowej na powierzchni próbek identyfikowano biokompatybilną warstwę rutylu TiO2. Po wyżarzaniu próbek, uprzednio walcowanych na zimno w stanie martenzytycznym, obserwowano różne sekwencje przemian fazowych B2oB19' lub B2oRoB19'. Określono charakterystyczne wartości temperatury przemian w próbkach po różnej obróbce cieplnej. Po wybraniu optymalnej obróbki cieplnej przygotowano różne typy implantów medycznych. Pożądane własności funkcjonalne implantów mierzono w warunkach testu trójpunktowego zginania. Przedstawiono również przykłady zastosowania pamięciowych i supersprę-żystych prototypowych implantów NiTi w chirurgii czaszkowo-twarzowej i w chirurgii jamy brzusznej.

EN

The titanium-nickel shape memory alloys have been successfully used in a variety of medical applications. In this work the mechanically polished TiNi alloys, after different heat treatments, used for the preparation of vario-us medical implant prototypes, were investigated using the X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, mechanical tests and shape memory effect measurements. It was found that during the routine heat treatment in the air, in the temperature range 300÷600°C, the rods, wires or sheets used for the preparation of medical implants undergo surface oxidation. Short-time heat treatment at the temperatures below 500°C produces the protective, colour oxide surface. By X-ray diffraction phase analysis the biocompatible TiO2 rutile phase was identified on the surface. After the annealing of the samples, previously cold-rolled in the martensite state, the B2oB19' or B2oRoB19' sequences of the phase transformations were observed. The characteristic temperatures of transformations for the samples after different heat treatment were obtained. After the optimization of heat tre-atments various prototypes of medical implants were prepared. The desi-red functional properties of the final implants were measured by tree-point bending tests. The examples of the applications of thermal shape memory and superelastic TiNi prototype implants in craniofacial and gastrointestinal surgery have been described.

Słowa kluczowe

PL

stopy tytanowo-niklowe; pamięć kształtu; zastosowania w medycynie; obróbka cieplna; utlenianie; implanty

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 30, nr 5
• Strony: 441--444
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Lekston Z.

• Instytut Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski, Katowice,

Bibliografia

• [1] Funakubo F.: Shape Memory Alloys. Univerity of Tokio, Tokio (1984).
• [2] Otsuka K.,.Ren X.: Physical metallurgy of Ti-Ni-based shape memory alloys. Progress in Mat. Sci. 50 (2005) 511-678.
• [3] Yahia L’. H.: Shape Memory Implants. Springer Germany (2000).
• [4] Duerig T., Pelton A., Stockel D.: An overview of nitinol medical applications. Mat. Sci. Eng. A273-275 (1999) 149-160.
• [5] Chu Y., Dai K., Zhu M., Mi X.: Medical Application of NiTi Shape Memory Alloy in China. Mat. Sci. Forum 327-328 (2000) 55-62.
• [6] Drugacz J., Lekston Z., Morawiec H., Januszewski K.: Use of Sinico Shape Memory Clamps in the Surgical Treatment of Mandibular Fractures. J. Oral Maxillofac. Surg. 53 (1995) 665-701.
• [7] Pelton A. R., Stockel D., Duerig T. W.: Medical Uses of Nitinol. Mater. Sci. Forum. 327-328 (2000) 63-70.
• [8] Lekston Z., Drugacz J., Morawiec H.: Application of superelastic NiTi wires for mandibular distraction. Mat. Sci. and Eng. A378 (2004) 537- -541.
• [9] Pelton A. R., DiCello J., Miyazaki S.: Optimisation of processing and properties of medical grade Nitinol wire. Min Invas Ther & Allied Technol. 9 (1) (2000) 107-118.
• [10] Khelfaoui F., Guenin G.: Influence of the recovery and recrystallization process on the martensitic transformation of cold worked equiatomic Ti-Ni alloy. Mat. Sci. and Eng. A355, (2003) 292-298.
• [11] Zheng Y., Jiang F., Yang L., Li H., Liu Y.: Effect of ageing treatment on the transformation behaviour of Ti-50.9 at% Ni alloy. Acta Mater. 56 (2008) 736-745.
• [12] Shabalovskaya S. A.: Surface, corrosion and biocompatibility aspects of Nitinol as an implant material. Bio-Medical Mat. and Eng. 12 (1) (2002) 69-109.
• [13] Thierry B., Tabrizian M., Savadogo O., Yahia L’. H.: Effects of sterilization process on NiTi alloy: surface characterization. J. Biomed. Mater. Res. 49 (2000) 88-98.
• [14] Chu C. L., Wu S. K., Yen Y. C.: Oxidation behavior of equiatomic TiNi alloy in high temperature air environment. Mater. Sci. Eng. A216 (1996) 193-200.
• [15] Firstov G. S., Vitchev R. G., Kumar H., Blanpain B., Van Humbeeck.: Surface oxidation of NiTi shape memory alloy. Biomaterials 23 (2002) 4863-4871.
• [16] Lekston Z., Jędrusik-Pawłowska M., Drugacz J.: Structure and Properties of NiTi Wires Used for the Preparation of Prototype Staples for Joining Mandibular Condyle Fractures. Med. J. 64 (2007) 1-5.
• [17] Lekston Z., Jędrusik-Pawłowska M., Drugacz J., Cieślik T.: NiTi shape memory staples for mandibular condyle fractures joining. Eng. of Biomat. 77-80 (XI) (2008) 54-57.
• [18] Kobus K.,. Węgrzyn M, Lekston Z., Morawiec H., Drugacz J.: Modeling of scaphocephaly with using superelastic titanium-nickel rings. J. of Craniofac. Surg. 18 (2007) 504-510.
• [19] Morawiec H., Lekston Z., Kobus K., Węgrzyn M., Drugacz J.: Superelastic NiTi springs for corrective skull operations in children with craniosynostosis. J. of Mat. Sci: Medical Materials. 18 (2007) 1791-1798
• [20] Morawiec H., Lekston Z., Lampe P., Kuśnierz K., Zhavoronkov.: Shape memoryclips for colonic anastomosis. Eng. of Biomat. 77-80 (XI) (2008) 58-60.