Цель. Изучение механических и биологических свойств пяти вариантов сплавов системы Ti-Nb-Ta. Материалы и методы. Получены пять сплавов из системы: Ti-(15-20)Nb-(5-10)Ta (ат. %). Проведены их механические испытания путем растяжения на универсальной испытательной машине INSTRON 3382 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Произведена оценка биологоческих свойств полученных сплавов в экспериментах in vivo на белых аутбредных мышах-самцах JCR. Гистологическое исследование тканей оперированной конечности с имплантатом, почек и печени проводилось в трех временных точках: на 1, 4, 12 неделе после операции. Результаты. Образцы показали пластичность от 11,5 до 14,6 %, прочность от 549 до 673 МПа и модуль Юнга от 42 до 50 ГПа. Предел текучести также изменяется в зависимости от состава сплава в пределах 188 – 572 МПа. Воспалительная реакция была наименее выражена в группах, где имплантировали сплавы Ti-20Nb-5Ta и Ti-15Nb-10Ta. Дискуссия. В сравнении с широко используемым сплавом TiAl6V4 полученные сплавы примерно соответствуют по пластичности и обладают примерно в 2 раза меньшим модулем Юнга, что должно обеспечить лучшую биомеханическую совместимость между имплантатом и окружающими его биологическими тканями, препятствуя эффекту защиты от стресса и, соответственно, резорбции кости. Относительно низкий предел прочности полученных сплавов не снижает обозначенного выше преимущества перед TiAl6V4, так как данной прочности вполне хватает для предлагаемого применения. При гистологическом исследовании интенсивность локальной воспалительной реакции в новых сплавах выше, чем при применении TiAl6V4, что требует дальнейшего изучения и могло быть связано с малым количеством наблюдений. Выводы. Путь создания титановых сплавов с низким модулем Юнга может решить проблему биомеханической совместимости имплантата с окружающими тканями. Полученные и описанные сплавы системы Ti-Nb-Ta показали требуемые механические и, по первичной оценке, приемлемые биологические свойства, требующие дальнейшего более широкого исследования.
Aim Study of mechanical and biological properties of five variants of alloys of the Ti-Nb-Ta system.
Materials and methods Five alloys were obtained from the system: Ti-(15-20)Nb-(5-10)Ta (at. %). Their mechanical tests were carried out by stretching on the INSTRON 3382 universal testing machine in accordance with GOST 1497-84. The biological properties of the resulting alloys were evaluated in in vivo experiments (implantation surgery) on white outbred male JCR mice. Histological study of the tissues of the limb with an implant, kidneys and liver was carried out at three time points: at 1, 4, 12 weeks after surgery, which corresponds to the early, middle and late phases after implantation.
Results The samples showed ductility from 11.5 % to 14.6 %, strength from 549 to 673 MPa and Young's modulus from 42 to 50 GPa. The yield strength also varied depending on the composition of the alloy within 188 – 572 MPa. The inflammatory reaction was the least pronounced in the groups with Ti-20Nb-5Ta and Ti-15Nb-10Ta alloys implanted.
Discussion Compared to the widely used TiAl6V4 alloy, the obtained alloys approximately correspond in terms of plasticity and have approximately 2 times lower Young's modulus, which should lead to better biomechanical compatibility between the implant and the surrounding biological tissues, preventing the effect of protection against stress and, accordingly, bone resorption. The relatively low tensile strength of the obtained alloys does not reduce the above-mentioned advantage over TiAl6V4, since this strength is quite sufficient for the proposed application. Histological study after 1, 4 and 12 weeks showed that the intensity of the local inflammatory reaction due to new alloys is higher than with the use of TiAl6V4, which requires further study and could be associated with a small sample size.
Conclusions The way to create titanium alloys with a low Young's modulus may solve the problem of biomechanical compatibility of the implant with the surrounding tissues. The obtained and described alloys of the Ti-Nb-Ta system showed the neceary mechanical and, according to the initial assessment, acceptable biological properties that require further broader research.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.