Niobium dalam Implan Titanium: Ketahanan Korosi dan Biokompatibilitas

Mengapa Niobium Penting dalam Metalurgi Implan

Dua kegagalan yang mendominasi pemilihan material ortopedi dan implan gigi adalah pelepasan ion dan ketidaksesuaian kekakuan. Vanadium dan nikel, yang dilepaskan dari paduan titanium konvensional dalam bentuk partikulat atau ionik, jauh lebih bersifat sitotoksik dibandingkan niobium, sebuah temuan yang berasal dari penelitian in-vitro selama beberapa dekade pada garis sel yang mirip osteoblas dan yang mirip osteoklas. Pada saat yang sama, logam yang jauh lebih kaku daripada tulang kortikal melindungi jaringan di sekitarnya dari beban dan memungkinkannya untuk diserap. Niobium mengatasi kedua masalah tersebut sekaligus: ia merupakan salah satu bahan tambahan tahan api yang paling sedikit sitotoksiknya pada titanium, dan merupakan elemen penstabil beta yang kuat yang menarik paduan titanium menuju modulus elastisitas yang jauh lebih rendah.

Mengerjakan topik ini bukanlah hal baru. Sebuah studi tahun 1991 yang menanamkan spesimen titanium murni dan niobium murni pada tulang kelinci melaporkan torsi pelepasan yang jauh lebih tinggi untuk implan niobium dan menghubungkannya dengan morfologi permukaannya yang lebih tidak teratur. Minat kemudian beralih dari niobium murni ke niobium-paduan titanium yang mengandung, di mana manfaat dari berkurangnya pelepasan ion beracun, kekakuan yang lebih rendah, dan kekuatan mekanik yang lebih tinggi dapat diperoleh secara bersamaan.

Biokompatibilitas: Sitotoksisitas dan Respon Sel

Uji coba komparatif terhadap unsur-unsur lain berguna karena dapat memberi peringkat pada kandidat penambahan paduan pada skala yang sama. Dalam satu perbandingan yang banyak dikutip, rata-rata sitokompatibilitas aluminium, vanadium dan niobium dilaporkan masing-masing sebesar 25,3%, 31,7% dan 93%, dibandingkan dengan nilai referensi untuk titanium. Titanium murni merupakan logam murni yang paling sitokompatibel dibandingkan logam murni yang diuji, namun paduan biner Ti-10Nb melampauinya, mencapai sitokompatibilitas rata-rata sekitar 124,8%.

Hasil-invitro juga memisahkan dua paduan interstisial-rendah-yang bersaing. Ketika Ti-6Al-7Nb dan Ti-6Al-4V dibandingkan dalam hal sitotoksisitas dan respon sel prekursor osteogenik, paduan yang mengandung niobium jelas lebih unggul dalam adhesi sel, proliferasi, viabilitas, morfologi dan penyebaran. Uji imunofluoresensi mendeteksi ekspresi protein adhesi sel yang lebih kuat dan pembentukan serat stres aktin yang lebih luas di wilayah ekstraseluler permukaan Ti-6Al-7Nb.

Perilaku Korosi dalam Simulasi Kondisi Fisiologis

Niobium meningkatkan ketahanan korosi pada titanium karena sifatnya yang sangat pasif. Campuran oksida yang terbentuk pada permukaan Ti-Nb lebih inert secara kimia dibandingkan oksida pada Ti-6Al-4V, dan terbentuk kembali dengan cepat ketika lapisan pasif rusak secara mekanis. Studi implantasi memberikan bukti paling jelas: spesimen Ti-15Zr-4Nb-4Ta dan Ti-6Al-4V yang ditanamkan pada tibia tikus dan diambil setelah 48 minggu menunjukkan lebih sedikit lubang korosi pada paduan yang mengandung niobium, yang menunjukkan bahwa paduan tersebut lebih efektif menahan kerusakan pasif dibandingkan paduan yang mengandung niobium.

Ini adalah sifat yang paling penting untuk-implan jangka panjang, karena kondisi celah dan fret pada antarmuka-tulang implan menciptakan bahan kimia lokal yang jauh lebih agresif dibandingkan cairan tubuh dalam jumlah besar. Paduan yang mengalami repasifasi mudah mentoleransi lingkungan tersebut dengan laju pelepasan ion logam yang lebih rendah.

Kekuatan Mekanik, Keausan dan Modulus

Penambahan Niobium juga meningkatkan kinerja mekanis paduan titanium dibandingkan menghilangkannya. Ti-6Al-7Nb telah terbukti menawarkan ketahanan aus yang lebih baik dan kekuatan mekanik yang lebih tinggi dibandingkan titanium murni, itulah sebabnya titanium menjadi penerus-yang rendah perhatian untuk perangkat bantalan beban Ti-6Al-4V. Perbandingan in vivo paduan Ti-Ta-Nb-Zr yang lebih baru dengan titanium murni menunjukkan bahwa paduan yang mengandung niobium memiliki kinerja yang lebih baik dalam hal stabilitas implan jangka panjang, kecepatan penyembuhan tulang, dan kemampuan osseointegrasi.

Kelelahan dan kekuatan: paduan niobium-alfa-beta dan beta yang distabilkan mempertahankan kekuatan yang dibutuhkan untuk batang, cangkir, dan penyangga gigi.

Ketahanan aus: dilaporkan melebihi titanium murni, sehingga mengurangi pembentukan serpihan pada permukaan artikulasi.

Modulus elastis: Paduan-modulus Ti-Nb-Sn rendah telah terbukti memenuhi persyaratan biomekanik osseointegrasi sekaligus mengurangi pelindung stres pada antarmuka tulang.

Kompatibilitas rekayasa permukaan: implan Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn yang diolah dengan panas alkali dan teroksidasi mikro-busur membentuk osseointegrasi suara dengan bahan cangkok tulang di sekitarnya dan memandu regenerasi jaringan tulang.

Spesifikasi dan Rute Pemrosesan

Niobium-yang mengandung titanium adalah keluarga komersial yang matang. Ti-6Al-4V ELI tempa dilindungi oleh ASTM F136, Ti-6Al-7Nb tempa oleh ASTM F1295 dan ISO 5832-11, dan titanium murni untuk implan oleh ASTM F67. Paduan beta metastabil modulus rendah yang dibuat dengan kandungan niobium yang lebih tinggi biasanya dipesan sesuai spesifikasi pelanggan yang disetujui oleh pabrik, karena transus beta dan perlakuan larutan ditambah siklus penuaan menentukan apakah modulus target dan kombinasi kekuatan benar-benar tercapai.

Peleburan: peleburan kembali busur vakum atau peleburan berkas elektron, dengan beberapa lintasan, digunakan untuk menjaga konten interstisial dan inklusi tetap rendah.

Rute termomekanis: tahap penempaan, penggulungan, dan anil mengontrol fraksi fase alfa dan oleh karena itu kekuatan, keuletan, dan umur kelelahan.

Sertifikasi bahan kimia: sertifikat pabrik harus melaporkan niobium, aluminium, vanadium, dan besi, serta oksigen, nitrogen, dan hidrogen.

Keadaan permukaan: implan biasanya disuplai dalam bentuk batangan, kawat, atau lembaran dengan permukaan terkontrol, siap untuk pemesinan dan perawatan permukaan selanjutnya.

Pertanyaan Umum

T: Mengapa niobium lebih disukai dibandingkan vanadium dalam paduan implan?
Vanadium dan nikel jauh lebih sitotoksik dibandingkan niobium baik dalam bentuk partikulat maupun ionik, sehingga mengganti vanadium dengan niobium akan menurunkan risiko respons jaringan yang merugikan sekaligus mempertahankan efek stabilisasi beta{0}}yang kuat.

T: Apakah niobium menurunkan modulus elastisitas titanium?
Ya. Niobium adalah penstabil beta, dan peningkatan kandungannya dalam paduan beta metastabil akan menggeser modulus jauh di bawah Ti-6Al-4V, sehingga mengurangi pelindung stres pada tulang di sekitarnya.

T: Bagaimana perbandingan Ti-6Al-7Nb dengan Ti-6Al-4V di laboratorium?
Telah dilaporkan menawarkan adhesi seluler yang lebih baik, proliferasi dan viabilitas, ekspresi protein adhesi sel yang lebih kuat, dan peningkatan ketahanan aus dan kekuatan mekanik dibandingkan dengan titanium murni.

T: Standar apa yang mencakup paduan implan niobium-yang mengandung?
Ti-6Al-7Nb tempa ditentukan dalam ASTM F1295 dan ISO 5832-11, Ti-6Al-4V ELI tempa dalam ASTM F136, dan titanium murni dalam ASTM F67. Paduan beta modulus rendah umumnya diproduksi sesuai spesifikasi pelanggan yang disepakati.

T: Apakah niobium digunakan sebagai bahan implan murni?
Implan niobium murni telah dipelajari sejak tahun 1991 dan menunjukkan torsi pelepasan yang lebih tinggi dibandingkan titanium murni pada tulang kelinci, namun penggunaan praktisnya kini hampir seluruhnya melalui paduan titanium yang mengandung niobium-.

T: Apa manfaat utama implan-jangka panjang?
Pasif lebih stabil. Spesimen yang ditanamkan menunjukkan lebih sedikit lubang korosi dibandingkan alternatif yang mengandung vanadium, dan stabilitas jangka panjang serta penyembuhan tulang yang lebih baik telah dilaporkan secara in vivo.