Введение к работе
Актуальность работы. Сплавы на основе никелида титана, обладающие эффектом запоминания формы (ЭЗФ) и сверхупругостыо (СУ), находят все более успешное применение в медицине для изготовления инструментов и имплантатов, Помимо высокого комплекса механических свойств и характеристик ЭЗФ, сплавы на основе никелида титана обладают высокой коррозионной стойкостью и биологической совместимостью с тканями организма человека. В отличие от имплантатов из традиционных конструкционных материалов (сталей, сплавов на основе титана, кобальта и др.), имплантаты из материалов с ЭЗФ отличаются простотой установки и меньшим травмированием при операциях. Кроме того, их механическое поведение при эксплуатационных нагрузках может быть приближено с помощью выбора конструкции и технологии обработки к поведению различных естественных структур организма (костных, хрящевых, связочных и др.). Так, например, на производственной базе МАТИ-РГТУ им К.Э. Циолковского организовано серийное производство имплантатов из сплавов на основе никелида титана с саморегулирующимся уровнем компрессии, использующихся при проведении ортопедических, кардиологических и нейрохирургических операций.
Особенностью использования сплавов с ЭЗФ в медицине является необходимость точного соответствия температурного интервала проявления ЭЗФ с температурой человеческого тела. Учитывая сильную зависимость температур мартенсишого превращения от содержания никеля в сплавах на основе никелида титана, перед разработчиками конструкций, применяемых в медицине, возникает острая проблема выбора оптимального химического состава сплавов, в которых методами термической обработки можно обеспечить требуемый интервал температур восстановления формы. Кроме того, еще не достаточно полно изучена связь характеристик ЭЗФ сплавов на основе никелида титана с их химическим составом и структурой, а также с условиями деформации, такими, как температура, схема и степень деформации. Отсутствие этих данных затрудняет выбор конструкции имплантатов и приводит к необходимости последовательной коррекции конструкции на основании результатов опытной эксплуатации.
С другой стороны, в настоящее время еще не существует методов определения характеристик работоспособности таких имплантатов, что затрудняет
как их разработку и производство, так и правильное применение в клинической практике.
Таким образом, изучение закономерностей температурно-деформациокного поведения сплавов на основе никелида титана, направленное на обеспечение требуемого уровня характеристик работоспособности имплантатов, является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение.
Цель настоящей работы состояла в разработке технологических методов управления характеристиками работоспособности имплантатов из никелида титана с саморегулирующимся уровнем компрессии на основе изучения влияния химического состава сплавов и термической обработки на их структуру и температурно-деформационные характеристики эффекта запоминания формы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние химического состава сплава и термической обработки на характеристики эффекта запоминания формы сплавов на основе никелида титана.
-
Изучить влияние характеристик эффекта запоминания формы материала и геометрии конструкций на характеристики работоспособности имплантатов.
-
Разработать принципы выбора оптимальных химического состава и структуры сплавов, а также геометрии конструкции и технологии применения имплантатов в зависимости от медико-технических требований.
Научная новизна:
-
Показано, что одной из важнейших характеристик эффекта запоминания формы материала является температурная зависимость критической степени деформации, отвечающей смене механизма формоизменения от сдвигового (мартенситного или двойникования) к скольжению. Разработана методика определения критической степени деформации и определено влияние на нее схемы деформации, а также химического состава и структуры сплавов на основе никелида титана
-
Разработана методика определения характеристик работоспособности имплантатов из никелида титана с эффектом запоминания формы, включающих температурные (температура изменения формы для установки имплантата и температуры начала и конца восстановления формы) н деформационно-силовые
(усилие, развиваемое імплантатом при его установке, допустимая величина деформации и жесткость противодействия имплантата внешним нагрузкам) параметры. 3. Разработаны принципы управления характеристиками работоспособности имплантатов с саморегулирующимся уровнем компрессии путем оптимизации их конструкции, а также химического состава и структуры сплавов на основе никелида титана. Результаты расчетов с использованием компьютерного моделирования и экспериментальных испытаний показали, что оптимальной формой имплантатов, предназначенных для остеосинтеза грудины, является волнообразная конструкция, которая обеспечивает оптимальное соотношение силовых и деформационных характеристик.
Практическая значимость;
-
Определена область концентраций сплавов на основе никелида титана, предназначенных для изготовления имплантатов, в которых методами термической обработки можно обеспечить температуры восстановления формы в интервале 25+45С. Содержание никеля в этих сплавах не должно выходить за рамки 54,8-55,8 вес.% Ni.
-
Разработаны режимы термической обработки, позволяющие управлять температурными характеристиками имплантатов с ЭЗФ из сплавов на основе никелида титана. Установлено, что ступенчатое старение полуфабрикатов при изготовлении имплантатов, включающее предварительную выдержку при температуре 500С (30 мин) и окончательную при 450С (10-20 мин для сплавов с содержанием никеля 55,7 вес.% и 50-70 мин для сплавов с содержанием никеля 54,8 вес.%), позволяет варьировать температуру конца восстановления формы в интервале температур от +25 до +45С.
-
Разработана методика расчета геометрических параметров имплантатов, основанная на сравнении деформаций и напряжений, действующих в имплантатах при их установке и эксплуатации, с величинами критических напряжений и деформаций материала при соответствующих температурах и схемах нагружения.
-
Установлено, что наиболее высокие деформационные и силовые характеристики работоспособности при температуре эксплуатации 36-г37С обеспечиваются у имплантатов, изготовленных из сплавов на основе никелида
титана с нерекристаллизованной структурой. В то же время, для увеличения допустимой деформации при установке имплантатов (при t<10C) необходимо иметь рекристаллизованную структуру, которая обеспечивается проведением отжига при температурах 700*800С.
Разработанные рекомендации использованы при создании новых конструкций имплантатов и прошли опытное и серийное опробование в ЗАО «КИМПФ», что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 5 научно-технических конференциях, в том числе международных: «Новые материалы и технологии» (1998 г., Москва), МНТК «Гагаринские чтения» (1999 и 2000 гг., Москва), 9* World Conf. Titaniura'99, (1999 г., Санкт-Петербург), «Современные проблемы азрокосмической науки» (2000 г., Москва).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 124 наименований. Она изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 12 таблиц.
