Mechanické vlastnosti biomateriálů - Mechanical properties of biomaterials

Materiály, které se používají pro biomedicínské nebo klinické aplikace jsou známé jako biomateriály. Následující článek se zabývá biomateriály páté generace, které se používají k nahrazení kostní struktury. U každého materiálu, který má být klasifikován pro biomedicínské použití, musí být splněny tři požadavky. Prvním požadavkem je, že materiál musí být biologicky kompatibilní; znamená to, že organismus by s ním neměl zacházet jako s cizím předmětem. Zadruhé, materiál by měl být biologicky odbouratelný (pouze pro štěp); materiál by se měl v organismu neškodně rozkládat nebo rozpouštět, aby mu umožnil obnovení přirozeného fungování. Zatřetí, materiál by měl být mechanicky pevný; pro výměnu nosných konstrukcí by měl mít materiál stejnou nebo vyšší mechanickou stabilitu, aby byla zajištěna vysoká spolehlivost štěpu.

Úvod

Termín biomateriál se používá pro materiály, které lze použít v biomedicínských a klinických aplikacích. Jsou bioaktivní a biokompatibilní v přírodě. V současné době existuje mnoho druhů kovů a slitin (nerezová ocel, titan, nikl, hořčík, Slitiny Co-Cr, slitiny Ti),[1] keramika (zirkon, biosklo, oxid hlinitý, hydroxyapatit ) [1] a polymery (akryl, nylon, silikon, polyurethan, polykaprolakton, polyanhydridy) [1] se používají pro nosné aplikace. To zahrnuje zubní náhradu a spojování kostí nebo náhradu pro lékařské a klinické použití. Proto jsou jejich mechanické vlastnosti velmi důležité. Mechanické vlastnosti některých biomateriálů a kostí jsou shrnuty v tabulce 1.[2] Mezi nimi je hydroxyapatit nejčastěji studovaným bioaktivním a biokompatibilním materiálem. Má však nižší mladý modul a lomová houževnatost s křehký Příroda. Proto je nutné vyrábět biomateriál s dobrými mechanickými vlastnostmi.

Modul pružnosti

Modul pružnosti je jednoduše definován jako poměr napětí k přetvoření v rámci proporcionálního limitu. Fyzicky představuje tuhost materiálu v oblasti pružnosti při působení tahového nebo tlakového zatížení. Je to klinicky důležité, protože naznačuje, že vybraný biomateriál má podobné deformovatelné vlastnosti jako materiál, který má nahradit. Tyto silové materiály vyžadují vysoký modul pružnosti s malým průhybem. Jak modul pružnosti materiálu zvyšuje, odolnost proti lomu klesá. Je žádoucí, aby modul pružnosti biomateriálu byl podobný kosti. Je to proto, že pokud je to více než modul pružnosti kosti, pak se zatížení rodí pouze materiál; zatímco zátěž nesou kosti, pouze pokud je menší než kostní materiál. Modul pružnosti materiálu se obecně vypočítá zkouškou ohybem, protože v tomto případě lze snadno měřit průhyb ve srovnání s velmi malým prodloužením v tlaku nebo v tahu. Biomateriály (pro náhradu kostí) jsou však obvykle porézní a velikosti vzorků jsou malé. Proto se ke stanovení modulu pružnosti těchto materiálů používá nanoindentační test. Tato metoda má vysokou přesnost a je vhodná pro vzorky v malém měřítku. Další metodou měření modulu pružnosti je nedestruktivní metoda. Je to také klinicky velmi dobrá metoda díky své jednoduchosti a opakovatelnosti, protože materiály nejsou zničeny.[3]

Tvrdost

Tvrdost je jedním z nejdůležitějších parametrů pro porovnání vlastností materiálů. Používá se pro zjištění vhodnosti klinického použití biomateriálů. Tvrdost biomateriálu je žádoucí stejně jako tvrdost kostí. Pokud je vyšší než biomateriál, pak proniká do kosti. Jak bylo uvedeno výše, vzorek biomateriálů je velmi malý, proto se používá zkouška tvrdosti v mikro a nano měřítku (indenters Diamond Knoop a Vickers).[3]

Lomová pevnost

Pevnost materiálů je definována jako maximální napětí, které lze vydržet před vznikem lomu. Pevnost biomateriálů (biokeramika) je důležitou mechanickou vlastností, protože jsou křehké. V křehkých materiálech, jako je biokeramika, se praskliny snadno šíří, když je materiál vystaven tahovému zatížení, na rozdíl od tlakového zatížení. K určení pevnosti materiálů v tahu je k dispozici řada metod, jako je ohybová ohybová zkouška, biaxiální pevnost v ohybu test a Weibull přístup. V biokeramice vady ovlivňují spolehlivost a pevnost materiálu během implantace a výroby. Existuje řada způsobů, jak mohou být vady vyrobeny v biokeramice, jako je termální slinování a topení. Je důležité, aby biokeramika měla spíše vysokou spolehlivost než vysokou pevnost.

Lomová houževnatost

Lomová houževnatost je nutná ke změně šíření trhlin v keramice. Je užitečné vyhodnotit použitelnost, výkon a dlouhodobý klinický úspěch biomateriálů. Uvádí se, že materiál s vysokou lomovou houževnatostí zlepšil klinický výkon a spolehlivost ve srovnání s nízkou lomovou houževnatostí.[4] Lze jej měřit mnoha metodami, např. lom vtisku, pevnost vtlačení, vroubkovaný paprsek s jednou hranou, předlomený paprsek s jednou hranou a dvojitý konzolový paprsek.

Únava

Únava je definována jako porušení materiálu v důsledku opakovaného / cyklického zatížení nebo vyložení (tahová nebo tlaková napětí). Je to také důležitý parametr pro biomateriál, protože během jeho životnosti působí cyklické zatížení. Za těchto podmínek cyklického zatížení mohou být na rozhraní matrice a plniva generovány mikrotrhliny / chyby. Tato mikrotrhlina může iniciovat trvalou plastickou deformaci, která má za následek velké šíření trhlin nebo selhání. Během cyklického zatížení několik faktorů také přispívá ke generování mikrotrhlin, jako je třecí klouzání protilehlé plochy, progresivní opotřebení, zbytková napětí na hranicích zrn, napětí v důsledku smyku.[3]

Tabulka 1: Souhrn mechanických vlastností kortikální kosti a biomateriálu

MateriálPevnost v tahu (MPa)Pevnost v tlaku (MPa)Modul pružnosti (GPa)Lomová houževnatost (MPa. m-1/2)
Biosklo42[5]500[5]35[6]2[6]
Kortikální kost50-151[5]100-230[7]7-30[6]2-12[6]
Titan345[8]250-600[9]102.7[8]58-66[8]
Nerezová ocel465-950[1]1000[9]200[5]55-95[9]
Ti slitiny596-1100[8]450-1850[9]55-114[8]40-92[8]
Oxid hlinitý270-500[9]3000-5000[9]380-410[6]5-6[6]
Hydroxyapatity40-300[9]500-1000[7]80-120[6]0.6-1[6]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d Katti, K. S. (2004). Biomateriály v celkové náhradě kloubů. Koloidy a povrchy B: Biointerfaces, 39 (3), 133-142.
  2. ^ Wang, R. Z., Cui, F. Z., Lu, H. B., Wen, H. B., Ma, C. L., & Li, H. D. (1995). Syntéza nanofázového hydroxyapatitu / kolagenového kompozitu. Journal of materials science letters, 14 (7), 490-492.
  3. ^ A b C Kokubo, T. (vyd.). (2008). Biokeramika a jejich klinické aplikace. Woodhead Pub. a Maney Pub.
  4. ^ Fischer, H., & Marx, R. (2002). Lomová houževnatost dentální keramiky: srovnání metody ohýbání a vtlačování. Dentální materiály, 18 (1), 12-19.
  5. ^ A b C d Chen, Q., Zhu, C., & Thouas, G. A. (2012). Pokrok a výzvy v biomateriálech používaných pro inženýrství kostních tkání: bioaktivní brýle a elastomerní kompozity. Pokrok v biomateriálech, 1 (1), 1-22.
  6. ^ A b C d E F G h Amaral, M., Lopes, M. A., Silva, R. F. a Santos, J. D. (2002). Cesta zhutnění a mechanické vlastnosti Si 3 N 4–Bioskleněné biokompozity. Biomaterials, 23 (3), 857-862.
  7. ^ A b Kokubo, T., Kim, H. M. a Kawashita, M. (2003). Nové bioaktivní materiály s různými mechanickými vlastnostmi. Biomaterials, 24 (13), 2161-2175.
  8. ^ A b C d E F Niinomi, M. (1998). Mechanické vlastnosti biomedicínských slitin titanu.Materiály Science and Engineering: A, 243 (1), 231-236.
  9. ^ A b C d E F G „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 30. 10. 2013. Citováno 2013-05-03.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)

Další čtení

  • Bhatia, S. K. (2010). Biomateriály pro klinické aplikace. Springer.
  • Hench, L. L. (1993). Úvod do biokeramiky (svazek 1). World Scientific.