Nanostrukturovaný titan

Dne 26. června 2014 se ve firmě Beznoska uskutečnila přednáška následovaná obsáhlou diskusí na téma nanostrukturovaný titan. Hosty byly prof. Irina Semjonová a mladá vědkyně Veronika Poljaková z univerzity v ruské Ufě. Ufská státní univerzita letecké techniky stála u zrodu slitin titanu a jejich využití ve vojenské technice a později v civilním letectví. V oblasti materiálového inženýrství je pracoviště v současnosti známé především díky objevu a vývoji metod intenzivní plastické deformace.

Titan a jeho slitiny patří mezi progresivní implantační materiály a vyznačují se vynikající korozní odolností, dobrou biokompatibilitou, sníženým modulem pružnosti a vysokou pevností. Firma Beznoska používá slitinu Ti-6Al-4V pro necementovanou endoprotézu TEP Trio (?doplnit, odkaz?).   Kromě chemického složení ovlivňuje pevnost kovového materiálu jeho mikrostruktura, která je výsledkem termomechanického zpracování materiálu.

Během standardního tváření, např. válcování, dochází k postupnému snižování průřezu materiálu. Vložená deformace je tedy omezena požadovaným průřezem produktu. Metody intenzivní plastické deformace se vyznačují tím, že dochází k deformaci materiálu, ale nikoli ke zmenšení rozměrů produktu. Příkladem takové metody je tzv. protlačování lomeným kanálem (equal channel angular pressing – ECAP) znázorněné na obrázku. Materiál je protlačován zápustkou s lomeným kanálem, přičemž dochází ke smykové deformaci materiálu. Protlačením materiálu ovšem nedojde ke změně rozměrů produktu a protlačování lze několikrát opakovat. Do materiálu tak lze vložit násobně vyšší deformaci než při využití konvenčních technik. Vložená deformace způsobuje zjemnění mikrostruktury. Obrázek z transmisního elektronového mikroskopu ukazuje rovnoosou ultra-jemnozrnnou mikrostrukturu s velikostí zrna v řádu stovek nanometrů – proto také atraktivní název nanostrukturovaný titan.

K čemu je to dobré? Jemnozrnná mikrostruktura má pozitivní vliv na pevnost materiálu. V závislosti na podmínkách deformace lze pevnost materiálu zvýšit o více než třetinu oproti běžně zpracovávanému materiálu. Pro konstrukci implantátu je právě pevnost používaného materiálu hlavním vstupním parametrem. Druhou výhodou nanostrukturovaného materiálu je možnost jeho izotermálního tváření při nižších teplotách díky efektu tzv. superplasticity. Konečně třetí výhodou je zvýšená biokompatibilita materiálu z hlediska růstu buněk zjištěná v některých testech.

Přes zjevné výhody nanostrukturovaného materiálu není jeho využití přímočaré. Ultra-jemnozrnná mikrostruktura není stabilní při teplotách vyšších než 600°C, což vyžaduje modifikaci současné technologie výroby titanových endoprotéz. Nezanedbatelnými komplikacemi je také výrazná závislost mechanických vlastností na požadovaném průměru tyčoviny, omezené možnosti produkce současných dodavatelů a neposlední řadě vyšší cena. Výraznější komercializaci nanostrukturovaného titanu lze ale očekávat v blízké budoucnosti. Nezbývá tedy než popřát firmě Beznoska brzké využití tohoto progresivního materiálu a potvrzení svého postavení konkurenceschopného výrobce ortopedických náhrad.

RNDr. Josef Stráský
Matematicko-fyzikální fakulta 
Univerzita Karlova v Praze

         

Spolupracujeme