PL234752B1 - Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β - Google Patents
Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β Download PDFInfo
- Publication number
- PL234752B1 PL234752B1 PL423273A PL42327317A PL234752B1 PL 234752 B1 PL234752 B1 PL 234752B1 PL 423273 A PL423273 A PL 423273A PL 42327317 A PL42327317 A PL 42327317A PL 234752 B1 PL234752 B1 PL 234752B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- titanium
- molybdenum
- bionanomaterial
- hours
- producing
- Prior art date
Links
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims description 13
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims description 11
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 title claims description 9
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 7
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 title claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 11
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 22
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 9
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 4
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910016523 CuKa Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005169 Debye-Scherrer Methods 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000003462 bioceramic Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910000683 memory titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- ZPZCREMGFMRIRR-UHFFFAOYSA-N molybdenum titanium Chemical compound [Ti].[Mo] ZPZCREMGFMRIRR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 1
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β cechującego się niskim modułem Younga mającego zastosowanie w aplikacjach biomedycznych, jako materiał na implanty.
Materiały metaliczne wykorzystywane na endoprotezy mają szereg wad, w tym także biomateriały na bazie tytanu. Stopy te wykazują zbyt wysoki moduł Younga, na skutek korozji implantów mogą powodować metalozę oraz wykazują gorszą biotolerancję w porównaniu z bioceramiką. Ważnym zadaniem jest także usunięcie z nich składników szkodliwych dla ludzkiego organizmu. Eliminacja wad wymaga opracowania nowych stopów tytanu bez aluminium i wanadu oraz zastosowania nowych metod wytwarzania umożliwiających modyfikację mikrostruktury.
W ostatnim czasie przeprowadzono wiele badań, w których wykazano jakościowo nowe właściwości tytanu z nanostrukturą, m. in. w następujących pozycjach Webster T.J., Ejiofor J.U.: „Increased osteoblast adhesion on nanophase metals: Ti, Ti6A14V, and CoCrMo Biomaterials 25 (2004) oraz Estrin Y., Kasper C., Diederichs S., Lapovok R.: „Accelerated growth of preosteoblastic cells on ultrafine grained titanium” J. Biomed. Nater. Res. A 90 (2008). Modyfikując mikrostrukturę tytanu i jego skład chemiczny można uzyskać znacznie lepsze właściwości fizykochemiczne i mechaniczne, ale także biologiczne.
Nową klasą biomateriałów metalicznych są stopy tytanu typu β z nanostrukturą. Charakteryzują się one unikalnymi właściwościami mechanicznymi i fizykochemicznymi. Stopy te wykazują niższy moduł Younga w porównaniu do stopów tytanu typu a oraz α+β. Ponadto modyfikując ich skład można otrzymać biomateriały bezpieczne dla ludzkiego organizmu. W literaturze znane są stopy tytanu z pamięcią kształtu o strukturze β charakteryzujące się niskim modułem Younga, które w składzie chemicznym zawierają niob i inne metale (Ga, Ge, Al), np. publikacja Niinomi, M. „Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare foods” Sci. Technol. Adv. Mater. 4 (2003). Natomiast w stanie techniki znane są także stopy tytanu o strukturze β o niskim module Younga, zawierających niob i cyrkon, np.: opisane w opisie patentowym US7722805 B2, czy US2008/0193323 A1. Dodatkowo podjęto również próby wytworzenia materiałów w układzie Nb-Ti-Zr-Mo (opis US6238491 B1). Otrzymanie niekonwencjonalnych stopów tytanu jest to możliwe przez stosowanie nierównowagowych metod otrzymywania nanomateriałów, takich jak mechaniczna synteza (Mechanical Alloying MA).
Mechaniczna synteza pozwala na otrzymywanie stopów o składzie chemicznym odbiegającym od stanu równowagi o wielkości krystalitów mniejszym niż 100 nm. Jest to proces, podczas którego substraty w postaci proszkowej o dużej czystości znajdują się w stanie stałym. Reakcja pomiędzy nimi jest indukowana mechanicznie w wysokoenergetycznych młynach. W czasie procesu następuje znaczne zdefektowanie struktury krystalicznej materiałów proszkowych, które prowadzi do znacznego odkształcenia plastycznego materiału, a w konsekwencji do utraty stabilności struktury krystalicznej. W efekcie dochodzi do znacznego rozdrobnienia struktury oraz reakcji pomiędzy substratami. Duże odchylenie od stanu równowagi wynoszące 30 kJ/mol występujące podczas procesu mechanicznej syntezy pozwala na otrzymanie materiałów niekonwencjonalnych w postaci związków międzymetalicznych, stopów amorficznych bądź roztworów stałych. W tradycyjnych metodach otrzymywania materiałów uzyskanie produktów mechanicznej syntezy jest niemożliwe ze względu na małą różnicę energii względem stanu równowagi. Jednoczesne występowanie kruszenia i stapiania proszków wyróżnia proces MA spośród innych metod mechanicznych otrzymywania nanomateriałów.
Warunki i parametry mechanicznej syntezy, które są ze sobą ściśle powiązane, wpływają na właściwości fizykochemiczne otrzymanego materiału. Czynniki te decydują o składzie fazowym materiału i wielkości krystalitów po procesie, a także o przebiegu amorfizacji oraz kinetyce procesu. Głównymi parametrami mechanicznej syntezy są: energia mielenia, temperatura i czas. Natomiast do warunków procesu, czyli czynników narzuconych przez technologię lub infrastrukturę, zalicza się typ młynka, atmosfer mielenia i temperaturę procesu. Wpływu wymienionych czynników nie można rozpatrywać oddzielnie, ponieważ są one uwarunkowane wspólnymi zależnościami.
Istotę wynalazku stanowi sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β z proszków mikrokrystalicznych o wysokiej czystości i następującym składzie chemicznym:
• 65-70 at. % tytanu • 30-35 at. % molibdenu
PL 234 752 B1 w procesie mechanicznej syntezy. Proces przeprowadzany jest w reaktorze wypełnionym mielnikami przy stosunku masy mielników do masy proszku wynoszącym 10:1 w atmosferze argonu przy kontrolowanej zawartości wody (< 2 ppm) i tlenu (< 1 ppm) w czasie 15-50 godzin, przy czym rekomendowane są 48 godziny. Następnie otrzymany proszek jest jednoosiowo, dwustronnie prasowany pod ciśnieniem wynoszącym co najmniej 600 MPa, a otrzymana wypraska jest poddawana zabiegom obróbki cieplnej polegającym na nagrzewaniu wypraski do zadanej temperatury i wyżarzaniu w atmosferze próżni w temperaturze 750-850°C przez 30 minut, przy czym najkorzystniejsza jest temperatura 800°C.
W sposobie wynalazku powstaje biomateriał charakteryzujący się unikalnymi właściwościami mechanicznymi i fizykochemicznymi ze względu na zastosowanie go w aplikacjach medycznych. Otrzymany stop spełnia wymagania stawiane biomateriałom na implanty medyczne:
• niski moduł Younga • eliminacja szkodliwych składników, jak m. in. wanad.
Opis sposobu wytwarzania bionanomateriału Ti-32 at. % Mo składa się z kilku etapów. Pierwszym jest proces mechanicznej syntezy, który przeprowadzono za pomocą młynka typu shaker SPEX 8000 Mixer Mill produkcji USA. Wykorzystano reaktor oraz mielniki wykonane ze stali łożyskowej 100 Cr6 twardości 62 HRC. Mieszaninę proszków Ti (< 45 μm, 99,9%) - Mo (44 μm, 99,6%) z udziałem molibdenu wynoszącym 32 at. % umieszczono w reaktorze młynka razem z mielnikami o średnicy 10 mm w stosunku wagowym masy mielników do masy proszku wynoszącym 10:1. W celu ochrony przed utlenianiem załadunku i rozładunku młynka oraz pobieranie próbek do badań dokonywano w komorze rękawicowej Labmaster 130 (firmy Braun) w atmosferze ochronnej argonu przy kontrolowanej zawartości wody (< 2 ppm) i tlenu (< 1 ppm). Proces przeprowadzono w temperaturze otoczenia 23°C. Proces mielenia w młynie zachodził dzięki wprawianiu komory reaktora wypełnionej mielnikami w ruch drgający o częstotliwości 800 drgań/min. Dyfraktogramy rentgenowskie (CuKa) materiałów wyjściowych oraz obrazujące zmiany struktury w czasie procesu mechanicznej syntezy są przedstawione na fig. 1, gdzie tytan obrazuje fig. 1 (a), molibden fig. 1 (b), 15 min MA fig. 1 (c), 5 h MA fig. 1 (d), 15 h MA fig. 1 (e), 48 h MA fig. 1 (f). Podczas mechanicznej syntezy po 15 h procesu zaczęła krystalizować faza Ti-β o strukturze regularnie przestrzennie centrowanej (refleksy widoczne od tej fazy na fig. 1 (e-f)). Po 48 h procesu otrzymano materiał amorficzny z niewielką ilością fazy Ti-β o wielkości krystalitów 8,2 nm (wyznaczone metodą Scherrera).
Materiał otrzymany w procesie mechanicznej syntezy poddano jednoosiowemu, dwustronnemu prasowaniu pod ciśnieniem 600 MPa, a następnie otrzymane wypraski nagrzewano do temperatury 800°C przez czas 1 godziny i wyżarzano rekrystalizująco w tej temperaturze w atmosferze próżni przez czas 30 minut. W rezultacie otrzymano jednofazowy stop typu Ti-β o strukturze regularnie przestrzennie centrowanej (a = 3,23 A), którego dyfraktogram rentgenowski widoczny jest na fig. 2.
Wyznaczono moduł Younga wytworzonego stopu pod obciążeniem 300 mN/20s przy czasie utrzymania obciążenia 5s wykorzystując wgłębnik Vickersa. Otrzymany materiał charakteryzuje się modułem Younga wynoszącym 55 GPa, natomiast tytanu mikrokrystalicznego według danych literaturowych 105 (Jakubowicz J., Jurczyk M., „Bionanomateriały”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2008). Krzywa siła (F) - przemieszczenie (h) stopu Ti-32 at. % Mo przedstawiona jest na fig. 3.
Claims (1)
- Zastrzeżenie patentowe1. Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β, znamienny tym, że mikrokrystaliczne proszki czystych metali o składzie chemicznym 30-35 at. % molibdenu, 65-70 at. % tytanu poddaje się mechanicznej syntezie w reaktorze wypełnionym mielnikami przy stosunku masy mielników do masy proszku wynoszącym 10:1 w atmosferze ochronnej argonu przy kontrolowanej zawartości wody (< 2 ppm) i tlenu (< 1 ppm) w czasie 15-50 godzin, korzystnie 48 godzin, z następującym po tym jednoosiowym, dwustronnym prasowaniu otrzymanego proszku pod ciśnieniem wynoszącym co najmniej 600 MPa i obróbką cieplną wyprasek polegającą na nagrzewaniu wypraski do zadanej temperatury i wyżarzaniu w atmosferze próżni w temperaturze 750-850°C przez 30 minut, korzystnie 800°C.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423273A PL234752B1 (pl) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL423273A PL234752B1 (pl) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL423273A1 PL423273A1 (pl) | 2019-05-06 |
| PL234752B1 true PL234752B1 (pl) | 2020-03-31 |
Family
ID=66341909
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL423273A PL234752B1 (pl) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL234752B1 (pl) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2340403C (en) * | 1998-09-30 | 2004-11-23 | Hydro-Quebec | Preparation of nanocrystalline alloys by mechanical alloying carried out at elevated temperatures |
| WO2005064026A1 (fr) * | 2003-12-25 | 2005-07-14 | Institute Of Metal Research Chinese Academy Of Sciences | Alliages ti a faible module et super-elasticite, procede de production correspondant |
| CN105603255B (zh) * | 2016-01-19 | 2017-12-12 | 江苏奥精医药科技有限公司 | 一种3d打印制备医用钛合金材料 |
-
2017
- 2017-10-25 PL PL423273A patent/PL234752B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL423273A1 (pl) | 2019-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ren et al. | Microstructure and properties of equiatomic Ti–Ni alloy fabricated by selective laser melting | |
| Dahmani et al. | Structural and mechanical evaluation of a new Ti-Nb-Mo alloy produced by high-energy ball milling with variable milling time for biomedical applications | |
| Pradeep et al. | Investigation of microstructure and mechanical properties of microwave consolidated TiMgSr alloy prepared by high energy ball milling | |
| Bertheville | Porous single-phase NiTi processed under Ca reducing vapor for use as a bone graft substitute | |
| Hussein et al. | Effect of sintering parameters on microstructure, mechanical properties and electrochemical behavior of Nb–Zr alloy for biomedical applications | |
| Kong et al. | Characterization and corrosion behaviour of Ti-13Nb-13Zr alloy prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering | |
| US20170067136A1 (en) | Titanium alloys for biomedical applications and fabrication methods thereof | |
| Chu et al. | Fabrication and properties of porous NiTi shape memory alloys for heavy load-bearing medical applications | |
| JP6916479B2 (ja) | マグネシウム・鉄合金の製造方法、マグネシウム・鉄合金及びそれを用いた生体医療材料 | |
| Arunkumar et al. | Microstructures and mechanical properties of nanocrystalline NiTi intermetallics formed by mechanosynthesis | |
| Rossi et al. | Study of the current density of the electrical resistance sintering technique on microstructural and mechanical properties in a β Ti-Nb-Sn ternary alloy | |
| Vonavkova et al. | Characterization of β-Ti alloy prepared by SLM method | |
| WO2012124661A1 (ja) | 高強度・低弾性に優れるチタン－マグネシウム材料 | |
| JP2023504678A (ja) | 生分解性マグネシウム合金 | |
| Li et al. | Microstructure evolution and elastocaloric properties of in-situ metallurgical NiTi alloys in a wide composition range by laser additive manufacturing technology | |
| JP6902796B2 (ja) | 医療用カルシウム系金属ガラス合金成形体及びその製造方法 | |
| Montufar et al. | Spark plasma sintering of load-bearing iron–carbon nanotube-tricalcium phosphate CerMets for orthopaedic applications | |
| Kim et al. | Shape memory characteristics of Ti–Ni–Mo alloys sintered by sparks plasma sintering | |
| Wang et al. | Characteristics of β-tricalcium phosphate/ZrO2 composite films deposited by pulsed laser deposition at different laser fluences | |
| PL234752B1 (pl) | Sposób wytwarzania bionanomateriału na bazie tytanu i molibdenu o strukturze jednofazowej β | |
| Kollerov et al. | Effect of heat treatment and diffusion welding conditions on the structure and properties of porous material workpieces made of titanium fibers | |
| Nakhi et al. | Laser Cladding of Fluorapatite Nanopowders on Ti6Al4V | |
| Gonzaga et al. | Production of biodegradable Mg-based alloys by mechanical alloying. | |
| Zhuravleva | Porous ß-type Ti-Nb alloy for biomedical applications | |
| Kim et al. | Shape memory characteristics of powder metallurgy processed Ti50Ni50 alloy |