Механические свойства биоматериалов - Mechanical properties of biomaterials

Материалы, которые используются для биомедицинский или клинические приложения известны как биоматериалы. В следующей статье рассматриваются биоматериалы пятого поколения, которые используются для замещения костных структур. Для классификации любого материала для биомедицинского применения должны быть выполнены три требования. Первое требование - материал должен быть биосовместимый; это означает, что организм не должен относиться к нему как к инородному объекту. Во-вторых, материал должен быть биоразлагаемым (только для трансплантата); материал должен безвредно разлагаться или растворяться в теле организма, чтобы позволить ему возобновить естественное функционирование. В-третьих, материал должен быть механически прочным; для замены несущих конструкций материал должен обладать эквивалентной или большей механической стабильностью, чтобы обеспечить высокую надежность трансплантата.

Введение

Термин «биоматериал» используется для обозначения материалов, которые могут использоваться в биомедицинских и клинических целях. Они биоактивны и биосовместимы по своей природе. В настоящее время многие виды металлов и сплавов (нержавеющая сталь, титан, никель, магний, Сплавы Co – Cr, сплавы Ti),^[1] керамика (цирконий, биостекло, глинозем, гидроксиапатит ) ^[1] и полимеры (акрил, нейлон, силикон, полиуретан, поликапролактон, полиангидриды) ^[1] используются для несущих нагрузок. Это включает замену зубов и соединение костей или замену для медицинских и клинических целей. Поэтому их механические свойства очень важны. Механические свойства некоторых биоматериалов и кости приведены в таблице 1.^[2] Среди них гидроксиапатит является наиболее широко изучаемым биоактивным и биосовместимым материалом. Однако у него ниже модуль для младших и вязкость разрушения с участием хрупкий природа. Следовательно, необходимо производить биоматериал с хорошими механическими свойствами.

Модуль упругости

Модуль упругости просто определяется как отношение напряжения к деформации в пределах пропорционального предела. Физически он представляет собой жесткость материала в диапазоне упругости при приложении растягивающей или сжимающей нагрузки. Это клинически важно, потому что указывает на то, что выбранный биоматериал имеет такие же деформируемые свойства, что и материал, который он собирается заменить. Эти силовые материалы требуют высокого модуля упругости с низким прогибом. По мере увеличения модуля упругости материала сопротивление разрушению уменьшается. Желательно, чтобы модуль упругости биоматериала был аналогичен костному. Это связано с тем, что если он больше модуля упругости кости, нагрузка переносится только материалом; при этом нагрузка ложится на кость, только если она меньше костного материала. Модуль упругости материала обычно рассчитывается путем испытания на изгиб, поскольку в этом случае можно легко измерить прогиб по сравнению с очень малым удлинением при сжимающей или растягивающей нагрузке. Однако биоматериалы (для замены костей) обычно пористые, а размеры образцов небольшие. Поэтому для определения модуля упругости этих материалов используется тест на наноиндентирование. Этот метод имеет высокую точность и удобен для образцов в микромасштабе. Другой метод измерения модуля упругости - неразрушающий. Это также клинически очень хороший метод из-за его простоты и повторяемости, поскольку материалы не разрушаются.^[3]

Твердость

Твердость - один из важнейших параметров для сравнения свойств материалов. Он используется для определения возможности клинического использования биоматериалов. Желательно, чтобы твердость биоматериала равнялась твердости кости. Если выше биоматериала, то проникает в кость. Как было сказано выше, образцы биоматериалов очень малы, поэтому используются тесты на твердость в микро- и нанометрах (инденторы Diamond Knoop и Vickers).^[3]

Прочность на излом

Прочность материалов определяется как максимальное напряжение, которое может быть выдержано до разрушения. Прочность биоматериалов (биокерамики) - важное механическое свойство, поскольку они хрупкие. В хрупких материалах, таких как биокерамика, трещины легко распространяются, когда материал подвергается растягивающей нагрузке, в отличие от сжимающей нагрузки. Доступен ряд методов для определения прочности материалов на растяжение, таких как испытание на изгиб при изгибе, двухосное предел прочности при изгибе тест и Weibull подход. В биокерамике дефекты влияют на надежность и прочность материала во время имплантации и изготовления. Существует несколько способов создания дефектов в биокерамике, таких как термическое спекание и отопление. Важно, чтобы биокерамика имела высокую надежность, а не высокую прочность.

Вязкость разрушения

Вязкость разрушения требуется для изменения распространения трещин в керамике. Полезно оценить пригодность к эксплуатации, эффективность и долгосрочный клинический успех биоматериалов. Сообщается, что материал с высокой вязкостью разрушения улучшил клинические характеристики и надежность по сравнению с материалом с низкой вязкостью разрушения.^[4] Его можно измерить многими методами, например трещина вдавливания, прочность на вдавливание, балка с надрезом с одной кромкой, балка с предварительно растрескиванием с одной кромкой и балка с двумя консолями.

Усталость

Усталость определяется как разрушение материала из-за повторяющейся / циклической нагрузки или разгрузки (растягивающие или сжимающие напряжения). Это также важный параметр для биоматериалов, поскольку в течение срока их службы применяется циклическая нагрузка. В этом состоянии циклического нагружения микротрещины / дефекты могут возникать на границе раздела матрицы и наполнителя. Эта микротрещина может вызвать остаточную пластическую деформацию, которая приводит к большому распространению трещины или разрушению. Во время циклической нагрузки несколько факторов также способствуют образованию микротрещин, таких как трение сопрягаемой поверхности, прогрессирующий износ, остаточные напряжения на границах зерен, напряжение из-за сдвига.^[3]

Таблица 1: Сводка механических свойств кортикальной кости и биоматериала

Материал	Предел прочности (МПа)	Прочность на сжатие (МПа)	Модуль упругости (ГПа)	Вязкость разрушения (МПа. м-1/2)
Биостекло	42[5]	500[5]	35[6]	2[6]
Кортикальная кость	50-151[5]	100-230[7]	7-30[6]	2-12[6]
Титана	345[8]	250-600[9]	102.7[8]	58-66[8]
Нержавеющая сталь	465-950[1]	1000[9]	200[5]	55-95[9]
Ti-сплавы	596-1100[8]	450-1850[9]	55-114[8]	40-92[8]
Глинозем	270-500[9]	3000-5000[9]	380-410[6]	5-6[6]
Гидроксиапатиты	40-300[9]	500-1000[7]	80-120[6]	0.6-1[6]

Смотрите также

• Искусственная кость
• Биоматериалы
• Стресс
• Напряжение
• Закон Гука
• Модуль сдвига
• Жесткость на изгиб
• Стойкость

использованная литература

1. Катти, К. С. (2004). Биоматериалы в полной замене суставов. Коллоиды и поверхности B: Биоинтерфейсы, 39 (3), 133-142.
2. Ван, Р. З., Цуй, Ф. З., Лу, Х. Б., Вэнь, Х. Б., Ма, К. Л. и Ли, Х. Д. (1995). Синтез нанофазного композита гидроксиапатит / коллаген. Журнал материаловедческих писем, 14 (7), 490-492.
3. Кокубо, Т. (Ред.). (2008). Биокерамика и их клиническое применение. Паб Вудхед. и паб Maney.
4. Фишер, Х., и Маркс, Р. (2002). Устойчивость к разрушению стоматологической керамики: сравнение методов изгиба и вдавливания. Стоматологические материалы, 18 (1), 12-19.
5. Чен, К., Чжу, К., и Туас, Г. А. (2012). Прогресс и проблемы в области биоматериалов, используемых для инженерии костной ткани: биоактивные стекла и эластомерные композиты. Прогресс в биоматериалах, 1 (1), 1-22.
6. Амарал М., Лопес М. А., Сильва Р. Ф. и Сантос Дж. Д. (2002). Маршрут уплотнения и механические свойства Si ₃ N ₄- биокомпозиты из биостекла. Биоматериалы, 23 (3), 857-862.
7. Кокубо, Т., Ким, Х.М., и Кавашита, М. (2003). Новые биоактивные материалы с различными механическими свойствами. Биоматериалы, 24 (13), 2161-2175.
8. Нииноми, М. (1998). Механические свойства биомедицинских титановых сплавов. Материаловедение и инженерия: А, 243 (1), 231-236.
9. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-10-30. Получено 2013-05-03.

дальнейшее чтение

• Бхатия, С. К. (2010). Биоматериалы для клинического применения. Springer.
• Хенч, Л. Л. (1993). Введение в биокерамику (Том 1). World Scientific.