UNIVERZITET U SARAJEVU MAINSKI FAKULTET U SARAJEVU Odsjek: Industrijski ininjering i menadment Predmet:Savremeni mainski materijali

Akademska godina: 2013/2014.

PRIMEJNA Ti LEGURA U MEDICINI

Predmetni nastavnik: Studenti: Borovina Jasmin, Borovina Inas, Salihagi Asmir, doc.dr. Damir Hodi, dip.ing.ma. Birindi Benjamin, Kovaevi Ermin

Sadraj

1.Uvod2

2.Titan kroz historiju3

3.Nalazita titana4

4.Hemijske i fizike osobine titana4

5.Tehniki titan6

6.Legure titana7

7.Opta primjena titana i legura titana8

8.Primjena titana i titanskih legura u medicini i biomedicini10

9.Kardiovaskularna primjena titana i primjena u osteosintezi15

10. Zakljuak17

Literatura19

1. Uvod

Materijali na bazi titana i njegovih legura, zahvaljujui izvanrednim osobinama, posljednjih godina nalaze iroku primjenu u razliitim granama industrije, ukljuujui medicinu i biomedicinsko ininjerstvo. Osobine elementarnog titana su visoka temperatura topljenja, mala gustoa, dobra otpornost prema koroziji sve do 500C, stabilne mehanike osobine u temperaturnom intervalu od 200C do 600C, vrstoa i krutost slini su eliku, ali oko 40% manje gustoe od elika i vee vrstoe od aluminija. Treba naglasiti da je njegov osnovni nedostatak nizak modul elastinosti, stoga se ne moe postii vea krutost konstrukcije. Titanove legure odlikuju se malom gustoom i visokom otpornou na koroziju. Postojane su na visokim temperaturama, imaju visoke mehanike osobine s prekidnom vrstoom i do 1600 MPa. Posjeduju mali koeficijent irenja i mogu se primijeniti za komponente koje su izloene temperaturnim promjenama.Posljednjih nekoliko godina poinje industrijska proizvodnja i sve vea upotreba titana i njegovih legura u vie podruja ljudskih djelatnosti. Primjenu nalazi u svemirskoj industriji, avioindustriji, hemijskoj industriji, medicini, arhitekturi, naftnim platformama u moru, automobilskoj industriji te drugim podrujima. Iako je izvanredan metal, proizvodnja titana i njegovih legura iziskuje dosta sredstava stoga se jo uvijek smatra povlasticom. Upotrebom titanskih materijala ovjek je unaprijedio kvalitet svojih proizvoda i ivota i osigurao put modernom tehnolokom razvoju.

2. Titan kroz historiju

Grka rije titanos znai bijela zemlja, prema kojoj su dobili ime sinovi Geje i Urana, bogova iz grke mitologije. Titani su bili bijeli ljudi koji su vladali tokom legendarnog zlatnog doba, a po njima je hemijski element dobio svoje ime. Prvi je mineral titana otkrio svenik William Gregor 1791. godine u zabaenom selu Cornwallu na jugozapadu Engleske. Panju mu je privukao crni pijesak na obali kojeg je privlaio magnet. Analizirao ga je i zakljuio da se sastoji od dvije komponente, dva metalna oksida. Jedan je bio eljezni oksid koji je pokazivao magnetna svojstva, dok drugi nije. Shvatio je da se radi o novootkrivenom metalu koji se prvotno nazivao po njemu gregorit. Neovisno o tom otkriu, etiri godine kasnije, 1795. godine, znameniti njemaki znanstvenik Martin Heinrich Klaproth, otkrio je isti element i dao mu ime titan, koje se koristi i danas.Ni Gregor niti Klaproth nisu doivjeli da vide isti metal, jer titan nije mogue izdvojiti iz njegove oksidne rude zagrijavanjem s ugljenom. Postupkom zagrijavanja ukloni se kisik, a titan daljim zagrijavanjem na sebe vue ugljik, nastaje novi spoj titanov karbid. Godine 1910. radnik u tvornici General Electric, SAD, dobio je isti titan (99,8%) zagrijavanjem titanova tetraklorida i metalnog natrija pod visokim pritiskom u zatvorenoj posudi. isti je titan u drugoj polovici 20. stoljea naao primjenu[footnoteRef:1], zbog nekorozivnih svojstava, male mase i velike vrstoe, lake obrade i zadravanja svojstava pri visokim temperaturama. [1: Filetin i ostali: Svojstva i primjena materijala, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2002.]

3. Nalazita titana

Prosjeni je maseni udio titana u litosferi 0,57% i nalazi se u vulkanskim stijenama i njihovim sedimentima. Najvie titana nalazi u ilmenitu (FeTiO3) i rutilu (TiO2), a prisutan je u pijesku vulkanskog porijekla. Naroito je rairen u rudama koje sadre eljezo, osobito u tzv. titanskom eljezu, ilmenitu, tehniki najvanijem mineralu titana. Osim u ilmenitu titan u prirodi postoji kao titanit ([CaTi(Si0)4]0), perovskit ([CaTi0]3) i kao titanov dioksid (Ti02) u tri razliita kristalna oblika (rutil, brukit i anatas). Glavna ruda, ilmenit, kopa se iz golemih naslaga sedimentnih i magmatskih stijena u Norvekoj, Ukrajini, Kanadi i Zapadnoj Australiji. Svjetska proizvodnja godinje iznosi oko 99000 tona metalnog titana i 4,3 milijona tona titanovog dioksida[footnoteRef:2]. [2: Emsley J: Vodi kroz elemente, Izvori, Zagreb 2005, str. 391-396.]

Ilmenit i rutil ine oko 24% Zemljine kore to titan ini devetim elementom po redu od zastupljenih elemenata na planetu. Zalihe titana iznose preko 600 miliona tona. Titanov dioksid i titanati su najstabilniji od svih komponenti tla i vrlo su otporni na ispiranje[footnoteRef:3]. [3: Tehnika enciklopedija, Leksikografski zavod Miroslav Krlea, Zagreb, 1997., str. 90-91.]

4. Hemijske i fizike osobine titana

Titan je hemijski element, simbol Ti, u atomskog broja 22, atomske mase 47,867 i relativne gustoe 4506 kg/m3 (laki metal) .Pripada skupini prijelaznih metala za koje je karakteristino vie valentnih stanja, tako da titan ima razliite valencije koje se javljaju u dvo-, tro- i tetra-valentnom stanju. U literaturi se spominju oblici od vie tetravalentnog stanja ali nikad nisu dokazani. U prirodnoj izotopnoj smjesi titan ima pet stabilnih izotopa, a poznati su i nestabilni radioaktivni izotopi.

Slika 1. Kristal titana dobiven van Arkel - de Boer postupkom [Izvor: Images of Elements, www.images-of-elements.com/titanium 10.06.2014.]

Titan je srebnastobijeli metal, nemagnetskih svojstava i vrlo vaan tehniki materijal. U hladnom je stanju krhak i moe se pretvoriti u prah, a ugrijan do uarenosti je kovak i lako se izvlai u icu. Vaan je tehniki materijal i upotrebljava se u konstrukcijske svrhe, jer posjeduje osobine nehrajueg elika, veliku mehaniku vrstou, dobru ilavost i odlinu korozijsku postojanost. Titan nije dobar vodi topline i elektriciteta. Ima vodljivost daleko manju od bakra, vrst je kao elik, a gustoa mu je upola manja nego kod elika, dok mu je vrstoa dva puta vea od vrstoe aluminija[footnoteRef:4]. [4: Emsley J: Vodi kroz elemente, Izvori, Zagreb 2005, str. 391-396.]

U nezagrijanom stanju titan ne reagira s anorganskim kiselinama i vruim bazama, ali se pri povienoj temperaturi otapa u koncentriranoj fluoridnoj, klorovodinoj, sumpornoj i fosfornoj kiselini. Korozivno djelovanje sumporne kiseline najjae je pri njezinom udjelu od 80%. Pri povienoj temperaturi titan e reagira s etiri organske kiseline: mravljom, oksalnom, trikloroctenom i trifluoroctenom kiselinom.Njegovo hemijsko ponaanje pokazuje mnoge slinosti sa silicijem i cirkonijem. U vodenim otopinama, osobito u niih oksidacijskih stanja ima slinosti s otopinama kroma i vanadija. isti titan nije topljiv u vodi, ali je topljiv u koncentriranim kiselinama[footnoteRef:5]. [5: Tehnika enciklopedija, Leksikografski zavod Miroslav Krlea, Zagreb, 1997., str. 90-91.]

Titan, cirkonij i hafnij pripadaju etvrtoj skupini prijelaznih elemenata. Cirkonij i hafnij pokazuju veu meusobnu slinost u odnosu titan. Zajednika elektronska konfiguracija im je (n - 1) d2ns2 s dva nesparena elektrona u odgovarajuim d-orbitalama. Talita i vrelita ovih elemenata rastu u skupini prema dolje to je u skladu s jainom veze izmeu atoma u elementarnom stanju. Prva energija ionizacije kod sva tri elementa je prilino niska, meutim velike vrijednosti za etvrtu energiju ionizacije, zajedno s ostalim energijama, pokazuju da se realno ne moe oekivati postojanje iona s etiri pozitivna naboja i ne postoje ni kod jednog od ovih elemenata niti u vrstom agregatnom stanju, niti u vodenim otopinama. Prema standardnim redoks potencijalima pretpostavilo bi se da su ovi elementi jako reaktivni. Meutim, ovi elementi, osobito titan, lako prelaze u pasivno stanje i otporni su prema raznim korozijskim utjecajima[footnoteRef:6]. [6: Filipovia I., Lipanovia S.: Opa i anorganska hemija, kolska knjiga, Zagreb, 1995.]

Titan je zbog svojih mehanikih i hemijskih svojstava esto nazivan metalom budunosti. U odnosu na ostale uobiajene konstrukcijske materijale je skup metal. Neplemenit je metal s elektrodnim potencijalom: E(Ti/Ti2+) = -1,750V. Vrlo je otporan u sredinama u kojima se moe stvoriti pasivni film, a za to su dovoljna i slaba oksidacijska sredstva. Nestabilan je u sredinama koje otapaju oksidacijski sloj. Titan vrlo lako elektrohemijski pasivira to dolazi do izraaja u njegovoj odlinoj korozijskoj otpornosti na uvjete u atmosferi, slatkoj i slanoj vodi, otopinama soli i razrijeenim otopinama kiselina i baza. Koncentrirana klorovodina i sumporna kiselina dovode do stvaranja takaste korozije na povrini titana. Potencijal pasiviranja titana je ve kod E = -0,4 V, tako da se pasivnost postie ve vrlo slabim oksidacijskim sredstvima. Zbog male gustoe titana proizlazi velik omjer mehanike otpornosti i mase, a razlog tome je primjena u avioindustriji i raketnoj industriji[footnoteRef:7]. [7: Stupniek-Lisac E.: Korozija i zatita konstrukcijskih materijala, FKIT, 2007.]

Titan i njegove legure su zatezne vrstoe (u tabeli 1. vlana vrstoa) od 250 do 700 N/mm , vrijednosti su ekvivalentne za one vrstoe koje se nalaze u veini legura elika. Titan ima visoku temperaturu topljenja (taljenja) 1670C, a to je oko 400C iznad take topljenja elika. Ima nizak koeficijent linearnog irenja. Metalni titan podnosi sve ekstremne uvjete zahvaljujui sloju titanova oksida koji se trenutno stvori na povrini metala. Debljina sloja u poetnoj fazi je 1 do 2 nm, ali nakon etiri godine moe porasti i do 25 nm[footnoteRef:8]. Fizika i mehanika svojstva titana prikazana su u Tabeli 1. [8: Filetin i ostali: Svojstva i primjena materijala, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2002.]

Tabela 1. Fizika i mehanike osobine titana [Izvor: Filetin i ostali: Svojstva i primjena materijala, Fakultetstrojarstva i brodogradnje Zagreb, 2002., str. 157.]

5. Tehniki titan

Titan je polimorfan metal koji se javlja u dvije alotropske modifikacije: alfa () i beta () titan. -titan na sobnoj temperaturi ima gusto slaganu heksagonsku prostornu reetku, koja na temperaturi vioj od 885C prelazi u kubinu prostorno centriranu reetku, -titana koju zadrava do take topljenja (v. Slika 2)

Slika 2. Prikaz alotropskih modifikacija titana [Izvor: Tomia, M: Kristalne strukture, seminar iz Mehanike materijala, Tehnieki fakultet, Rijeka, 2011., preuzeto sa: www.riteh.uniri.hr ]

Tehniki ist titan sadri izmeu 98,9% i 99,5% titana, a ostatak ine neistoe (kisik, eljezo, duik i drugi). Ima vrlo visok afinitet za spajanje s kisikom i duikom i absorpcija tih elemenata ak i u malim koliinama uvjetuje lomljivost metala. Pri toplinskoj obradi ili obradi deformiranjem na zraku potrebno je voditi rauna da temperatura arenja ne prijee 950C, jer iznad te temperature titan djeluje kao upijajui papir navedenih elemenata. Zatita materijala postie se i namjernim oksidiranjem povrine koja ne smije prijei doputenu mjeru. Poto se titan intenzivno lijepi na alat kojim se obrauje, povrina se namjerno oksidira ili prevlai nekim drugim metalom koji se odstranjuje nakon obrade hemijskim putem ili obradom odvajanja estica. Za sitnije dijelove metala koji se moraju toplinski obraivati koristi se vakuum ili atmosfera nekog inertnog plina[footnoteRef:9]. [9: Filetin i ostali: Svojstva i primjena materijala, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2002.]

6. Legure titana

Legure titana su metalni materijali koji sadre titan pomijean s drugim metalima u manjoj koliini, a najee su to: paladij (Pd), vanadij (V), aluminij (Al), kositar (Sn), nikal (Ni), molibden (Mo) i eljezo (Fe). Ovi metali dodatno poboljavaju svojstva istog titana, inei ga jo otpornijim na koroziju, lakim za kovanje i obradu, stabilnijim i otpornijim na visoke temperature. Visoka taka topljenja uvjetuje znaajnu otpornost na pojavu puzanja. Odlina korozijska otpornost postojana je u razliitim agresivnim medijima zahvaljujui vrlo stabilnoj oksidnoj prevlaci koja se formira na povrini materijala. Ukoliko doe do oteenja oksidnog sloja, on se iznova obnavlja.Karakteristika titanskih materijala reverzibilna je transformacija kristalne strukture iz -faze (heksagonska prostorna reetka) u -fazu (kubino centrirana prostorna reetka), kada se prekorae odreene temperaturne granice. Alotropska modifikacija koja ovisi o sadraju i tipu legiranih elemenata, omoguava kompleksne varijacije u mikrostrukturi i raznolike mogunosti ojaavanja.Legure titana dijele se prema mikrostrukturi koja je stabilna na sobnoj temperaturi. Postoje -, -, i (+)- legure. Stabilizatori (legirni elementi) -faze su: ugljik, kisik, duik, aluminij i kositar. Aluminij djeluje tako to pomie prekristalizaciju prema viim temperaturama i stabilizira -fazu. -stabilizatori, a to su: krom, nikal, molibden, eljezo, tantal i vanadij, sniavaju temperaturu prekristalizacije prema niim temperaturama i stabiliziraju -fazu. Dvofazne (+) - legure predstavljaju kompromis izmeu monofaznih - i -legura.Glavna obiljeja -legura su: zavarljivost, ilavost, vrstoa i stabilnost pri povienim temperaturama. Sadre aluminij, kositar i cirkonij i preferiraju se za upotrebu na viim temperaturama od 375C do 550C. Manje su osjetljive na djelovanje kisika, ugljika i duika koji uzrokuju krhkost. Otpornost na koroziju i oksidaciju jednaka im je kao i - i (+)- legurama. Najea -legura je TiAl5Sn2,5 koja se koristi u kovanom i lijevanom stanju, uglavnom za dijelove letjelica i svemirskih letjelica.Sposobnost hladnog oblikovanja deformiranjem glavna je prednost -legura. Za razliku od -legura, -legure mogu postii visoku vrstou toplinskom obradom, osobito u hladno ovrsnutom stanju. Imaju veliku duktilnost, visoki omjer vrstoa/gustoa na sobnoj temperaturi te su zavarljive. Dodatkom kroma i vanadija, tekih metala velike gustoe, poveava se gustoa -legure i postaje stabilnija na sobnoj temperaturi. (+)- legure predstavljaju glavni dio proizvodnje titanovih legura. Mikrostruktura tih legura toplinskom se obradom moe mijenjati tako da se ostvare eljena svojstva. Najvanija (+)-leguraje TiAl16V4 i koristi se u jednakoj koliini kao svi ostali titanski materijali[footnoteRef:10]. [10: ori D., Filetin T.: Materijali u zrakoplovstvu, Interna skripta, FSB, Zagreb]

7. Opta primjena titana i legura titana

Zahvaljujui iznimnim svojstvima koja posjeduju, ovi se materijali danas koriste u izradi primarnih konstrukcijskih elemenata. Najvie se koriste u avioindustriji za izradu lopatica kompresora i dijelove mlaznih motora, glavina, kuita i drugih visokooptereenih dijelova. Primjerice, kod Boeinga 777, ovi su materijali zastupljeni s oko 10% mase avionske konstrukcije. Avion Blackbird bio je prvi avion u cijelosti nainjen od titanovih legura. Osim toga titanove se legure upotrebljavaju za izradu projektila i satelita u svemirskoj industriji. Zbog otpornosti na djelovanje morske vode, sve se vie primjenjuju u brodogradnji, prvenstveno za vojne brodove i podmornice. Osim navedenog, koriste se u nekim drugim industrijama gdje dolaze do izraaja njegova otpornost na koroziju i visoke temperature, a to su tekstilna i hemijska industrija kao i proizvodnja papira.Odlina mehanika svojstva i bioloka inertnost titana i njegovih legura u odnosu na ivi organizam, uz dobru korozijsku postojanost, omoguila su njihovu primjenu kao biomaterijal za implantate u medicini. Biometalni materijali ili biokompatibilni metalni materijali su definirani materijali koji se primjenjuju u kontaktu sa stanicama, tkivima ili tjelesnim tekuinama ljudskog organizma. Primjenjuju se kao nadogradnja ili zamjena strukturnih dijelova ljudskog organizma. Zbog odgovarajuih mehanikih karakteristika i izvrsne elektroprovodnosti, biokompatibilni materijali primjenjuju se za izradu medicinskih implanata poput umjetnih zglobova, umjetnog srca, spojnica, fiksiranih ploica, ica, stentova, pacemaker elektroda i drugih potrebnih pomagala. Legure titana, kobalt-krom legure i nehrajui elici su materijali najee rabljeni u te svrhe. Zbog njihove vrstoe, otpornosti na koroziju, netoksinosti, izdrljivosti, vrstoi i ilavosti, ovi materijali imaju i neke nedostatke kao to su krutost vea od krutosti kojom se odlikuje ljudska kost, velika specifina teina materijala i nepropusnost rendgenskih zraka. injenica je da se prije usaivanja titanskih dijelova u tijelo isti stavljaju u luk plazme visoke temperature koji odstrani povrinski sloj atoma i oksidacijom metala istaloi novi sloj. Upravo taj oksidni sloj je mjesto vezivanja tkiva[footnoteRef:11]. [11: Ltjering G. i Williams J.: Titanium (Engineering Materials and Processes), Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2010.]

Titan je jedinstven i efikasan materijal za zubnu protetiku, posebno krunice i mostove koje titi od agresivnih tjelesnih tekuina i ne izaziva alergijske reakcije. Nakit, okviri naoala, satovi i drugi estetski dodaci sve se vie izrauju od titanovih materijala. Zahvaljujui svojoj masi koja je manja od elika i vrstoi, svoju upotrebu pronalaze i u sportskoj opremi, osobito u alpinistikoj i speleolokoj.Primjena titana u obliku titanovog dioksida (TiO2) mnogo je rairenija, upotrebljava se kao najkvalitetniji bijeli pigment. Koristi se u proizvodnji boja, plastike, papira, vlakana, keramike, lakova, laminata, prehrambenih i industrijskih boja. Kreme sa titanovim dioksidom upotrebljavaju se za zatitu koe od tetnog ultraljubiastog zraenja. Titan nema poznatu bioloku ulogu, ali ga u ljudskom tijelu ima u zamjetljivoj koliini, a smatra se da ovjek unosi dnevno u organizam oko 0,80 mg, od ega vei dio proe neapsorbiran. Titan nije toksian metal i ljudsko ga tijelo moe podnijeti u velikim koliinama. Ukupna koliina titana u ljudskom tijelu iznosi oko 700 mg. Biljke ga sadravaju u koliini od 2 ppm (suhe tvari), dok ga ara i preslica imaju ak i do 80 ppm[footnoteRef:12]. [12: Emsley J.: Vodie kroz elemente, Izvori, Zagreb 2005.]

U nastavku emo detaljnije obraditi temu primjene Ti i njegovih legura u medicini.

8. Primjena titana i titanskih legura u medicini i biomedicini

Oteenja tekih tkiva u ljudskom organizmu posljedica su mnogobrojnih nezgoda, starenja i dr. Praksa hirurgije je upravo zamjena oteenih tkiva. U zavisnosti od zone gdje implantanti trebaju biti usaeni i funkcije koju obavljaju zahtevaju se drugaiji materijali (tkz. biokompatibilni materijali). Biokompatibilni materijali su oni materijali koji se primenjuju u kontaktu sa elijama, tkivima ili tjelesnim tenostima ljudskog organizma. Najee se koriste za zamjenu ili nadogradnju strukturnih komponenti ljudskog organizma kako bi se nadomjestila oteenja do kojih dolazi zbog starenja, bolesti ili nesrenih sluajeva.Materijali koji se koriste za izradu medicinskih implantata moraju da zadovolje odreene kriterije i imaju slijedea svojstva:

a biokompatibilnost materijali koji se implantiraju u ivi organizam moraju se odlikovati izrazitom biokompatibilnou, odnosno, izrazitim afinitetom elija prema povrini implantata. Postoji veliki broj materijala koji su, sa isto inenjerskog aspekta, idealni za izradu implantata. Meutim, ukoliko tkivo ne moe da prihvati strano tijelo, onda je ono, ma koliko da su njegovi kvaliteti superiorni sa inenjerskog aspekta, neprihvatljivo za izradu implantata

b netoksinost ovo je izuzetno vana karakteristika biomedicinskih materijala s obzirom na to da oslobaanje metalnih jona i drugih produkata moe uticati na pojavu raka, deformiteta, alergija, nekroza, kalcifikacija i zapaljenjskih procesa;

c otpornost prema koroziji u idealnom sluaju biokompatibilni metalni materijali ne bi trebalo uopte da korodiraju kada se nalaze u dodiru sa ivim tkivima;

d izdrljivost materijali usaeni u ljudski organizam u vidu implantata tokom cijelog svog radnog vijeka trebalo bi da funkcioniu bez ikakvih oteenja, to podrazumeva njihovu visoku zamornu vrstou pri koroziji i zamornu vrstou pri trenju i koroziji, ali i minimalno oslobaanje estica prilikom pojave trenja i habanja;

e vrstou i ilavost dimenzije implantata ograniene su i moraju teiti to manjim vrijednostima zbog ogranienog prostora u ljudskom organizmu, a vrijednosti vrstoe i ilavosti moraju biti dovoljno visoke;

f niske vrednosti modula elastinosti Jangovi moduli (o.p. v. Dijagram 1. za Ti) biokompatibilnih materijala, koji se danas koriste u ortopedskoj hirurgiji, pet do deset puta vii su od Jangovog modula kosti, to je izuzetno nepovoljna karakteristika ovih materijala s obzirom na to da razlika modula elastinosti metalnog materijala i kosti, koji se nalaze u kontaktu, uslovljava znaajno optereenje kosti i kao rezultat ima smanjenje gustine kostiju. Implantati imaju komplikovanu konfiguraciju i izrauju se od legura pogodnih za precizno livenje u vakuumu, kovanje i hladno deformisanje uz neophodnu zavrnu mehaniku obradu, sa ciljem da se povea otpornost implantatana loma uslijed zamora materijala[footnoteRef:13]. [13: Bronzino JD. The biomedical engineering handbook. Boca Raton, FL: CRC Press; 2000. str. 62747.]

Dijagram 1. Jangov modul elastinosti za razliite materijale [Figure courtesy of Prof. Mike Ashby, Cambridge, UK]

Titan i njegove legure nalaze iroku primenu kao kotani implantanti (slika 3) kao i u zamjeni zglobnih sastava (slika 4).

Slika 3. Teka tkiva u ljudskom tijelu [Browne, 2000.]

Slika 4. ematski prikaz implantacije vetakog kuka [Browne, 2000.]

Za fiksaciju vjetakih kostiju, kao to je sluaj kod ugradnje vjetakih kukova i zglobova koljena, koriste se dvije metode. Jedna od njih je cementaciona fiksacija kostiju (cementaciona implantacija). Cementirane komponente bazirane na poli (metilmetakrilat) (PMMA) se fiksiraju za kotani implantant. Cement se priprema u operacionoj sali sa mogunou brzog ubrizgavanja u kotani sistem. Njegovo ovravanje rezultat je egzotermne reakcije. Do neuspjelog procesa cementacije moe doi ukoliko oslabi hemijska veza izmeu cementa i kotanog sastava[footnoteRef:14]. [14: Ratner B.D., 2001., u: D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen (Eds.), Titanium in Medicine, Springer, Berlin, str. 112.]

Kad je rije o totalnoj protezi kuka bitno je pomenuti da se glava butne proteze najee izrauje od legure kobalt-hrom ili keramike, dok se komponenta koja zapravo zamjenjuje butnu kost (stem) izrauje od legure titana. Pokretni dijelovi zgloba, koji se meusobno dodiruju, kao to je aica butne kosti, obino se izrauju od legure kobalthrom, keramike i polietilena velike gustine kako bi se postiglo znaajno smanjenje trenja izmeu kliznih povrina zgloba.

Titan i njegovelegure kao to je ve napomenuto, nalaze primjenu i u zubnoj protetici, kao materijali za izradu zubnih proteza ali i zuba pojedinano. Slika 5 ilustruje najeu primjenu titana u ove svrhe. esto se za poboljanje usadnih karakteristika zuba od ovih materijala koriste hemijsko graviranje i plazma-sprejevi. Slika 5: Izraeni zavrtanj za vjetaku ugradnju zuba[Browne, 2000.]

Pored cementacionog mehanizma postoji jo jedan nov nain fiksacije implantanata, a to je uvrivanje proteza direktno, za ivu kost. Da bi se izbegla negativna reakcija tijela na implantante, materijal implantanta mora biti bioinertan i stabilan u ljudskom tijelu, kao i da nema reakcije sa drugim tkivima i tijelesnim tenostima. Neki bioaktivni materijali kao to je hidroksiapatit i bioaktivna stakla se sve vie upotrebljavaju kao zamjena tekim tkivima pri emu poboljavaju vezu izmeu usadne kosti i tkiva. Meutim, titan je takoe dobar bioinert i idealan materijal za implantaciju. Pored toga, materijali na bazi titana imaju dui vijek, dobru biokompatibilnost i veliki otpor na habanje[footnoteRef:15]. Komercijalno ist titan prije svega koristi se u stomatologiji za izradu dentalnih implantata, mada se koristi i u ortopediji u vidu ianih mreica, koje slue kao porozne prevlake sinterovane na povrini vjetakih zglobova izraenih od legura titana. [15: Ratner B.D., 2001., u: D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen (Eds.), Titanium in Medicine, Springer, Berlin, str. 112.]

Tabela 2. Materijali i nihova primjena u ortopediji [Izbor biomaterijala u ortopedskoj hirurgiji, Branko Risti*, Zoran Popovi, Dragan Adamovi, Goran Devedi, Beograd 2012.]

9. Kardiovaskularna primjena titana i primjena u osteosintezi

Titan i njegove legure nalaze primjenu i kao kardiovaskularni implantanti zbog svojih jedinstvenih osobina. Rana primjena bila je vezana za protezne srane ventile, zatitne elemente pejsmejkera, vjetaka srca i cirkulativne ureaje[footnoteRef:16]. [16: Ratner B.D., 2001., u: D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen (Eds.), Titanium in Medicine, Springer, Berlin, str. 112.]

Od nedavno, koristi se Ni-Ti legura za izradu intravaskularnog ureaja, i to kao snaan, inertan i nemagnetian materijal. Takoe, ova legura se koristi u instrumentalnoj tehnici MRI (magnetna rezonanca) kao vrlo snaan dijagnostiki alat. Vjetako srce izraeno od ovog materijala ilustrovano je na slici 6 a vjetaki vaskularni sudovi na slici 7. Vjetako srce izraeno je od titana, dok je disk u njegovom sastavu izraen od pirolitik-karbona. Takoe, ventili vjetakog srca obloeni su tankim ugljeninim filmom koji poveava kompatibilnost sa krvotokom. Mogue negativne reakcije organizma mogu se javiti ukoliko tijelo odbije da prihvati implantant[footnoteRef:17]. [17: Browne M., Gregson P.J. 2000., Biomaterials 21, str. 385.]

Slika 6. Izgled vjetakog srca od titanijumskog materijala [Browne, 2000.]

Slika 7. Vetaki titanski vaskularni sudovi [Browne, 2000.]

iroka primena ovih materijala moe se sresti i u osteosintezi, npr. u fiksaciji prelomnih kostiju. U tu svrhu koriste se razliite vrste zavrtnja i tzv. tanjira (slika 8.).

Slika 8. Titanijumski zavrtnji i tanjiri koji se koriste u saniranju fraktura kostiju [Ratner, 2001.]

10. Zakljuak

Istraivanja titana provodi se u cijelom svijetu. Titan i njegove legure svoju komercijalnu primjenu mogu zahvaliti nizu odlinih svojstava: visokoj vrstoi, dobroj ilavosti, niskoj gustoi (maloj masi) te odlinoj korozijskoj postojanosti pri niskim i povienim temperaturama. Zahvaljujui ovim svojstvima titanovi se materijali uglavnom koriste u avioindustriji i proizvodnji razliitih projektila i u biomedicini gdje predstavljaju tehniki superiorniji i isplativiji konstrukcijski materijal od elika i niklovih legura. Visoka vrstoa pri niskoj gustoi omoguila je upotrebu titanovih materijala u izradi mehaniki i toplinski optereenih aviodijelova koji istovremeno moraju biti i to manje mase. Jedna od prvih primjena zabiljeena je u svemirskim brodovima Apollo i Mercury nakon ega se nastavlja za potrebe vojne avijaciji i u programima amerike svemirske agencije NASA. Danas se ove legure uspjeno koriste i u civilnom zrakoplovstvu gdje zahvaljujui svojim povoljnim svojstvima uspjeno doprinose reduciranju mase zrakoplovne konstrukcije.Titan i njegove legure su nemagnetine i vrlo dobro provode toplotu. Titanovi su materijali ujedno i odline korozijske otpornosti. Oksidni sloj nositelj je otpornosti na koroziju. Ukoliko doe do oteenja zatitnog sloja on se iznova obnavlja. Ove karakteristike titanovih materijala bile su uvjet njihove primjene u brodogradnji.Titanovi materijali ne smiju se izlagati temperaturama viim od 950 oC radi velikog afiniteta titana prema kisiku, vodiku, duiku i ugljiku. Pri toplinskoj obradi ili obradi deformiranjem na zraku povrina metala prekriva se oksidnom prevlakom koju je potrebno mehaniki ukloniti obradom odvajanjem estica. Sitni dijelovi se, stoga, toplinski obrauju u vakuumu ili zatitnoj atmosferi inertnog plina.Sa druge strane nain na koji se bira pogodan materijal za medicinu i biomedicinu u prvom redu zavisi od broja i vanosti zahtjeva i kriterijuma koji su postavljeni. U sluaju malog broja zahtjeva, velike vanosti, teite je na kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi svojstava i ponaanja manjeg broja materijala koji dolaze u ui izbor, putem informisanja ili iskustva. Primjena kvantitativnih metoda odluivanja dolazi u obzir kod velikog broja zahtjeva i kriterijuma, jer se razmatra relativno veliki broj prihvatljivih materijala. Optimalni materijali biraju se kombinovanjem kvantitativnih metoda odluivanja i ekspertnih znanja. Stepen sigurnosti odluka zavisi od prekrivenosti zahtjeva kvantitativnim pouzdanim vrijednostima ili objektivnim procjenama. S obzirom na to da se biokompatibilni materijali koriste ne samo u ortopediji, ve i u drugim oblastima medicine, gdje se nalaze u stalnoj interakciji sa ivim tkivima, moe se zakljuiti da je za razvoj novih materijala za primjenu u medicini izuzetno znaajno poznavanje i razumijevanje pomenutih interakcija, zbog ega biokompatibilnost i netoksinost materijala postaju kritini faktori daljeg razvoja implantnih metalnih materijala. Takoe, kao osnovna smjernica daljeg razvoja biokompatibilnih metalnih materijala izdvaja se i potreba za postizanjem niskih vrijednosti modula elastinosti savremenih biokompatibilnih metalnih legura, koja bi obezbjedila to manju razliku izmeu modula elastinosti kosti i implantnog materijala, a ime bi se spreilo dalje oteenje kotanog tkiva i smanjenje gustine kostiju. Primjer izbora materijala za protezu vjetakog kuka pokazuje da se primjenom kvantitativne metode odluivanja dobijaju rjeenja u skladu s dananjim primjenama materijala u praksi.Titanove legure su vrlo vrste, imaju malu gustou, otporne su na koroziju i kompatibilne su s novim kompozitnim materijalima. Nedostatak je njihova uvijek visoka cijena, deset do dvadeset puta via u odnosu na ostale njima sline materijale.

Literatura

Cvijovi-Alagi I., Rakin M.: Integritet biomedicinskih implanta od legura titana (prvi deo), Integritet i vek konstrukcija, Beograd, Vol. 8, br. 1, 2008.

Emsley J.: Vodi kroz elemente, Izvori, Zagreb 2005.

Filetin i ostali: Svojstva i primjena materijala, Fakultet strojarstva i brodogradnje Zagreb, 2002.

Filipovi I., Lipanovi S.: Opa i anorganska kemija, kolska knjiga, Zagreb, 1995.

Goji M.: Povrinska obrada materijala, Metalurki fakultet, Zagreb, 2010.

Images of Elements, www.images-of-elements.com/titanium (10.06.2014.)

Ltjering G. i Williams J.: Titanium (Engineering Materials and Processes), Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2010.

Stupniek-Lisac E.: Korozija i zatita konstrukcijskih materijala, FKIT, 2007.

Tehnika enciklopedija, Leksikografski zavod Miroslav Krlea, Zagreb, 1997.

Tomi, M: Kristalne strukture, seminar iz Mehanike materijala, Tehniki fakultet, Rijeka, 2011., preuzeto sa: www.riteh.uniri.hr , (10.06.2014.)

Ratner B.D., 2001., u: D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen (Eds.), Titanium in Medicine, Springer, Berlin, str. 112.

Browne M., Gregson P.J. 2000., Biomaterials 21, str. 385.

2

5