Comportarea la Rupere a Aliajelor de Titan Utilizate Pentru Realizarea Unor Componente Implantabile

CUPRINS

CAPITOLUL 1

Fractura de pilon tibial- Anatomie, mecanism de producere, tratament

1.1 Generalități anatomice asupra fracturii de pilon tibial

Numite uneori și fracturi marginale, ele interacționează plafonului mortezei tibio-peroniere și afectează sistemul de sprijin al gleznei.

Fracturile de pilon tibial sunt aproximativ frecvente și prin derivările suprafeței articulare, adesea greu de corectat, constituie riscuri majore de evoluție spre o artroză severă de gleznă.

Mecanismul de producere este cel mai frecvent indirect, este întalnită adesea la schiori, șoferi, la cei care cad de la înălțime. Forța este de regula verticală, talusul lovind plafonul tibial și producând leziuni prin înfundare și separare. Poziția piciorului in timpul impactului și direcția forței sunt importante. Astfel, in flexia plantară, forța este direcționată posterior, rezultând fie o fractură cominutivă, fie un fragment mare posterior. În flexia dorsală, forța are direcție anterioară, leziunile prezentate mai întâi fiind localizate anterior. Dacă forța are o componentă angulară apare extensia metafizară a fracturii, gradul de cominuție fiind diferit medial sau lateral. Poate sau nu să fie fracturat peronetul [1, 2].

Riscul complicațiilor este mare în aceste fracturi, ele apărând în urma traumatismului sau în urma tratamentului. Aproximativ 10% din fracturile membrului inferior alcătuiesc fracturile pilonului tibial, fiind mai întâlnite la bărbați. Având în vedere magnitudinea traumatismului aceste fracturi pot fi asociate cu alte fracturi sau leziuni la nivelul altor sisteme. Rareori fractura de pilon tibial poate fi bilaterală. Calitatea masei osoase poate fi un factor, deși acest tip de fractură apare mai rar la persoane în vârstă [3, 4].

a b

Figura 1.1- Anatomia gleznei (a) și

mecanismul de producere a fracturii de pilon tibial (b)

1.2 Clasificarea fracturilor de pilon tibial

Fracturile de pilon tibial pot fi clasificate prin descrierea leziunii. Direcția linii de fractură, gradul de cominuție, interesarea sau nu a suprafeței articulare, interesarea diafizei sau a peroneului sunt factori importanți în clasificarea acestor fracturi. De asemeni leziunile părților moi trebuiesc descrise dacă acestea există. Din cauza forțelor mari ce acționeaza la nivelul gleznei în astfel de fracturi, leziunile părților moi pot cuprinde de la plăgi deschise ce comunică cu focarul de fractură până la escoriații, lacerări sau flictene [5].

În literatura de specialitate sunt utilizate mai multe clasificări, primele doua fiind cele mai folosite, respective clasificarea AO și clasificarea Ruedi si Allgower.

Clasificarea AO notează gamba cu cifra 4 și extremitatea distală a tibiei cu cifra 3. Dupa gradul de interesare articulară prezintă trei tipuri și noua grupe.

Tipul A – fracturile tibiei dislate extraarticulate, care dupa definiție sunt fracturi supramolare și nu de plafon tibial. Aceste sunt subîmpărțite în:

A1 metafizară simplă

A2 metafizară cu fragment in fluture

A3 metafizară complexă

Tipul B – fracturile tibiale dislate cu interesare articulară parțială. Acestea se împart în urmatoarele tipuri :

B1 prin separate

B2 prin separare și înfundare

B3 cominutivă

Fracturile complete articulare ale tibiei dislate sunt de tip C, cu subtipurile:

C1 articulară si metafizară simplă

C2 articulară simplă si metafizară cominutivă

C3 articulară cominutivă.

Figura 1.2 – Clasificarea fracturilor de pilon tibial de tip AO

Clasificarea Ruedi si Allgower a fost printre primele de largă folosință. Aceasta folosește drept criteriu gradul de cominuție al suprafeței articulare, împărțind fracturile pilonului în:

tipul I – fractura nu prezintă o deplasare mare a fragmentelor intrarticulare;

tipul II – deplasarea fragmentelor este mare, cu incongruența articulară modernă, dar fără cominuție;

tipul III – prezintă incongruentă articulară mare, cu cominuție

Fiecare categorie conține subdiviziuni în funcție de gradul de cominuție. O situație specială este extensia liniei de fractură la nivelul diafizei tibiale, ceea ce îngreunează alegerea implantului de osteosinteză. De asemeni o versiune aparte a fracturii este cea asociată cu fractura ipsilaterala de talus sau calcaneu. Leziunile parților moi pot fi de asemeni clasificate în funcție de gravitatea acestora. Tscherne si Goetzen împart aceste leziuni în grad 0 – fără leziuni, grad 1 – contuzie cutanată și subcutană, grad 2 – abraziune profundă cu posibila contuzie musculară, grad 3 – contuzie extinsă sau strivire cu avulsie subcutană și leziune musculară, incluzând sindromul de compartiment și ruptura arterială [5].

Figura 1.3- Clasificarea fracturilor de pilon tibial după Ruedi și Allgower

Clasificarea Lange – Hansen

Fracturile pilonului tibial sunt clasificate ca tipul V Launge – Hansen din punct de vedere al mecanismului de producere a leziunii.

Clasificarea anatomo – patologică cuprinde patru tipuri:

marginale anterioare, deplasate anterior și superior, de forma triunghiulară cu baza la suprafața articulară; talusul se subluxează frecvent anterior

marginale posterioare deplasate posterior și superior, de forma triunghiulară cu baza la suprafața articulară; talusul se subluxează posterior

bimarginale, cu traiect în ,,V” sau ,,Y”, pe radiografie de profil. Diafiza pătrunde între cele doua fragmente ca o pană, dislocându-le. Sunt adeseori cominutive.

interne sau externe sagitale, mai sunt denumite și fracture cuneene interne sau externe și sunt mai rare [1, 2].

1.3 Evaluarea și managementul fracturilor de pilon tibial

Anamneza trebuie să cuprindă indicii despre mecanismul de producere și circumstante pentru a îndruma chirurgul către o idee despre magnitudinea traumatismului și alte leziuni asociate. Examinarea clinică trebuie să fie completă. De obicei o deformare a gleznei este evidentă la inspecție. Un examen neurovascular al membrului inferior trebuie să fie făcut în camera de gardă. Starea pielii și a părților moi trebuie evaluată. Flictene la nivelul piciorului trebuiesc evaluate dacă există; se deosebesc 2 tipuri de flictene: cu lichid clar și cu lichid sanghinolent [6].

1.4 Diagnosticul fracturii de pilon tibial

Investigațiile radiologice includ radiografii de față și profil ale gleznei și gambei, așa cum este redat în imaginile din figura 1.3. În cazul fracturilor cu luxație a gleznei, o radiografie post-reducere trebuie efectuată. În cazul fracturilor cominutive intraarticulare, un CT de gleznă poate fi indicat, și poate ajuta medicul în planificarea preoperatorie. Luxația talusului trebuie redusă în camera de gardă și menținută prin imobilizare cu o atelă gipsată femuropodală. În cazul în care reducerea nu este stabilă pe atela gipsată, aplicarea unei extensii sau a unui fixator extern imediat dupa internare se impune, ca un tratament provizoriu până la vindecarea leziunilor părților moi [7].

Figura 1.3- Radiografii ale fracturilor de pilon tibial

1.5 Tratamentul pentru remedierea fracturii de pilon tibial

Tratamentul inițial

În cazul deplăsărilor talusului, acesta trebuie redus. Glezna se imobilizează în atela femuropodală iar piciorul trebuie ținut în poziție procliva. Dacă poziția talusului nu poate fi menținută cu gipsul, atunci se aplică tracțiune transcalcaneala printr-o broșă care se introduce în calcaneu. Piciorul se așează pe o atela Bohler și se aplică greutăți aproximativ 5kg. O altă metodă de imobilizare a pilonului este aplicarea unui fixator extern. Astfel tratamentul definitiv poate fi amânat o perioadă mai lungă decât în cazul tracțiunii transcalcaneale. Momentul fixării definitive a fracturii de pilon tibial depinde de mai mulți factori, cel mai important fiind rezolvarea leziunilor părților moi. Momentul intervenției chirurgicale poate fi amânat de la 7 zile până și la câteva săptămâni. De obicei folosirea unui fixator extern nu necesită o amânare prelungită precum în cazul fixării interne [8].

Figura 1.4- Elemente de tratament inițail ale fracturii de pilon tibial

Tratamentul definitiv

Acesta poate fi printr-o incizie lungă și vizualizarea cât mai multor linii de fractură cât și a suprafeței articulare, și reducerea și fixarea cu placa și suruburi. O a doua metodă este mai puțin invazivă și constă în folosirea anumitor instrumente de reducere a fracturilor, prin manevre percutane (fără vizualizarea directă a focarului de fractură). Fixarea se poate face cu șuruburi, cu placă și șuruburi sau cu fixatorul extern. Scopul principal în ambele cazuri este o reducere cât mai precisă a suprafeței articulare. Leziunile cartilajului articular afectează rezultatul final funcțional al piciorului. Studii au arătat că leziunile mai severe la nivelul cartilajului articular se asociază cu o prognoză mai puțin favorabilă. Complicațiile tratamentului chirurgical sunt frecvente și debilitante. Studii au arătat că în cazul leziunilor de intensitate mică (schi) există o rată de 12% a problemelor legate de vindecarea pielii; în cazul traumatismelor de intensitate mare rata complicațiilor crește, și este un factor determinant în cazul rezultatelor nesatisfăcătoare.

În cazul fixării interne cu placă și șuruburi scopul este reducerea anatomică a suprafeței articulare dar și minimalizarea leziunilor la nivelul țesuturilor moi.

Câteva indicații de urmărit în acest sens sunt:

amânarea operației până la rezolvarea leziunilor țesuturilor moi;

folosirea unor implanturi cât mai subțiri dar rezistente;

evitarea inciziilor pe fața anteromedială a tibiei;

selectarea cazurilor ce se pretează la această metodă de fixare;

5) folosirea instrumentelor de reducere.

Folosind aceste tehnici rata complicațiilor poate scădea de la 37-40% până la 0-6%. În prezent folosirea plăcilor blocate și a plăcilor LISS (less invasive stabilization system) scade și mai mult rata complicațiilor în cazul reducerii deschise cu fixare interna.

Figura 1.5- Imagini ale fixării interne cu placă autoblocantă și suruburi

ale fracturii de pilon tibial

Recuperarea dupa fixarea internă durează între 4 și 6 luni. Perioada de recuperare este direct proporțională cu tipul de placă ales: o placa blocată permite o fixare mai fermă și o recuperare rapidă. Într-o astfel de fixare imobilizarea gipsată este îndepărtat după 30 de zile de la operație, iar pacientul începe kinetoterapia fără a călca pe picior. Altfel pacientul trebuie să stea în gips 90 de zile, iar recuperarea este mult mai dificilă.

Fixarea externă. Există o varietate de fixatoare ce stabilizează 1/3 distală a tibiei fără a fixa și glezna. Acestea includ fixatorul Ilizarov și fixatoare hibrid ce combină broșe de 2.0 mm care fixează fragmentele în focarul de fractură. Avantajele acestor fixatoare sunt libertatea de mișcare a gleznei. Dezavantaje constituie introducerea dificilă a broșelor de 2 mm prin fragmentele de cominuție, extremitatea distală a tibiei trebuie redusă înainte de aplicarea ramei fixatorului. De asemeni unele fracturi nu se pretează la astfel de imobilizare și în aceste cazuri se folosesc fixatoare externe ce fixează glezna. Acestea sunt ideale în fracturile care asociază instabilitatea talusului deoarece stabilizează foarte bine articulația gleznei [9, 10]

Figura 1.6- Aspecte ale fixării externe ale fracturilor de pilon tibial

Pe piața biomaterialelor există numeroase firme producătoare de plăci autoblocante care se pot utiliza la fixarea internă a frcaturilor de pilon tibial. Placa LCP anterolaterală produsă de firma Ronda Medical pentru tibie distală de 3.5 este parte a familie sistemelor de fixare pentru fragmente mici, propusă de Synthes. Găurile combinate LCP și contactul limitat dintre os și implant combină unitatea de compresie dinamică (DCU) cu avantajele blocării șurubului în placă. Gaura combinată oferă flexibilitatea compresiei axiale și posibilitatea de blocare de-a lungul întregii suprafețe a plăcii. Partea distală a plăcii este prevăzută cu patru găuri de blocare care acceptă șuruburi blocante de 3.5mm, șuruburi corticale de 2.7 mm sau 3.5 mm, sau șuruburi de spongie de 4.0mm. Fixarea cu placa LCP anterolaterală pentru tibie distală este, în mare măsură, similară cu metodele tradiționale de fixare cu plăci, dar aduce și o serie de avantaje noi. Șuruburile blocante oferă posibilitatea de a crea un construct cu unghi fix utilizând tehnici standard AO. Posibilitatea de blocare este importantă în cazul sistemelor cu unghi fix implantate în os osteoporotic sau în cazul fracturilor cominutive unde ancorarea șuruburilor este mult mai dificilă. Șuruburile de blocare nu funcționează pe principiul compresiei placă-os, ci acționează similar cu niște mici lame-placi angulate. Placa LCP anterolaterală are următoarele caracteristici:

Formă anatomică

2 tipuri diferite de placă pentru stânga și dreapta, marcate corespunzător cu R sau L

Găurile de pe suprafața plăcii acceptă șuruburi blocante de 3.5mm, șuruburi corticale de 3.5 mm, sau șuruburi de spongie de 4.0mm

Figura 1.7- Aspecte ale plăcii Placa LCP anterolaterală produsă de firma Ronda Medical

Găurile de pe partea distală, orizontală, a plăcii acceptă șuruburi blocante de 3.5mm, șuruburi corticale de 2.7 mm sau 3.5 mm, sau șuruburi de spongie de 4.0mm.

Grosimea plăcii are o tranziție progresivă de la 3.6mm în partea proximală, la 2.5mm în partea distală

Placa are vârf de formă ascuțită pentru facilitarea inserției submusculare

Capul șurubului poate fi inserat complet în placă la înșurubare

Direcția șuruburilor la inserarea în placă este predeterminată, respectând forma anatomică normală. În cazul în care este necesară conturarea manuală a plăcii, se recomandă verificarea noii traiectorii a șuruburilor prin utilizarea broșei Kirschner.

Beneficiile utilizării plăcii LCP anterolaterale sunt:

Șuruburile de blocare distală oferă suport pentru suprafața articulară

Prezintă opțiune de blocare pentru triunghiul lui Volkmann și pentru fragmentul anterolateral tibial

Șuruburile de blocare și șuruburile corticale de 2.7 mm se înfiletează complet în placă, păstrând astfel un profil îngust și prevenind iritarea țesutului moale.

Forma plăcii respectă forma anatomică a tibiei distale și are o curbură de 60°, reducând astfel nevoia de preconturare.

Placa LCP anterolaterală pentru tibie distală de 3.5, figura 1.8, respectă întru-totul principiile de fixare internă AO ASIF. Profilul anatomic al plăcii și cele 4 șuruburi paralele din proximitatea articulației ajută la reducerea metafizei spre diafiză pentru refacerea alinierii și a funcționalității anatomice. Reducerea anatomică este imperativ necesară în cazul fracturilor intra-articulare pentru refacerea articulației. Combinația dintre opțiunile de blocare cu șuruburi blocante sau șuruburi corticale permite fixarea optimă a implantului, indiferent de calitatea osului. Placa a fost concepută pentru a avea un contact minim cu osul, păstrându-se astfel irigarea cu sânge la nivel periostal. Sistemul permite vindecarea rapidă a osului și mobilizarea precoce a pacientului.

Figura 1.8 Geometria plăcii LCP anterolaterală pentru tibie distală de 3.5

Indicații asupra utilizării plăcii LCP anterolaterală pentru tibie distală de 3.5 sunt:

Fracturi extra-articulare și intra-articulare simple la nivel de tibie distală

Fracturi de tibie distală care permit reducerea percutan sau prin artrotomie redusă

Fracturi de tibie distală ce se extind în zona diafizară

Două exemple ale utilizării plăcii LCP anterolaterală produsă de firma Ronda Medical sunt redate în figurile 1.9 și 1.10.

a b c d

Figura 1.9- Imagini radiografice ale fracturii de pilon tibial (a,b) și remedierii acestei fracturi (c,d) aparținând unui bărbat de 50 ani, cazut de pe un zid

Figura 1.10- Imagini radiografice ale fracturii de pilon tibial (a,b) și remedierii acestei fracturi (c,d) aparținând unei femei de 51 ani, osteotomie de corecție [11].

1.6 Particularități ale tratamentului fracturilor de pilon tibial

Fracturile pilonului tibial au fost, sunt și vor fi o provocare pentru chirurgul ortoped. La ora actuală, se cunosc importanța și atenția care trebuie acordate țesuturilor moi de la nivelul gleznei. Un deziderat al fiecărei intervenții chirurgicale la acest nivel trebuie să ia în considerare prezervarea condiției acestor țesuturi, pentru a evita complicațiile la distanță ce pot rezulta din tratamentul precipitat al fracturilor de pilon tibial.

Prezentul studiu a inclus un număr de 116 cazuri de fracturi de pilon tibial, operate între anii 2005-2012 în Clinica de Ortopedie-Traumatologie a Spitalului de Urgențe Iași.

Pacienții selectați s-au prezentat la controale clinice și radiologice periodice la 1, 3, 6 și 12 luni postoperator.

Rezultatele clinice au fost evaluate prin prisma scorului Ovadia.

În grupul de studiu, au fost identificate trei loturi, în funcție de materialul de osteosinteză folosit, respectiv:

lotul G1, la care a fost utilizat fixatorul extern pentru stabilizarea focarului tibial, la care s-a adăugat unde a fost necesar osteosinteza fracturii de peroneu cu placă metalică înșurubată 1/3 tub;

lotul G2, la care s-a practicat osteosinteză cu broșe și șuruburi;

lotul G3, la care s-a practicat osteosinteza cu placă pe tibie, la care s-a adăugat, unde a fost necesar, osteosinteza fracturii de peroneu cu placă metalică înșurubată 1/3 tub.

Figura 1.11. Evoluția în timp a modalităților de tratament pentru fracturile de pilon tibial într-un lot de 116 pacienți [12].

CAPITOLUL 2

UTILIZAREA TITANULUI ȘI ALIAJELOR DE TITAN CA BIOMATERIALE

2.1 Principalele proprietăți ale titanului

Titanul este un element chimic cu simbolul Ti, numar atomic 22. Are o densitate mică este un metal de tranziție dur, lucios și rezinstent la coroziune, cu o culoare argintie. Titanul poate fi folosit în combinații cu fierul, vanadiul, molibdenul, printre alte elemente, cu scopul de a produce aliaje puternice. Utilizarea titanului și a aliajelor de titan:

Industria aeronautică – titanul și aliajele de titan sunt foarte utilizate pentru construcția aeronavelor;

Industria automobilelor – valve, arcuri;

Recipienți pentru gaze și pentru gaze lichefiate;

În transporturile feroviale – componente ale motoarelor locomotivelor;

În aplicațiile militare – blindaje și turelele vehiculelor blindate, lansatoare de mortiere, căști;

Absorbanți de gaze (gettere) în tehnica vidului și în electronică;

Titanul fiind rezistent la acțiunea apei de mare, se utilizează în construcția navelor, la submarine;

Aparate și instalații chimice care funcționează în medii agresive;

Pompe, centrifuge, schimbătoare de căldură;

Datorită biocompatibilității cu corpul uman – proteze medicale, implanturi ortopedice, instrumente și pile dentare, implanturi dentare;

Aliaje cu memoria formei [13].

Acesta este unul dintre cele mai întâlnite metale din natură, concentrația de titan în scoarța terestră fiind exprimată în procente masice este 0,63% și ocupă locul 7, după Al (8,8%), Fe (5,10%), Ca (3,60%), Na (2,64%), K (2,60%) și Mg (2,10%). Rezervele de titan ocupă locul 4 în categoria materialelor de construcție de piese, dispozitive, mașini sau instalații, după Al, Fe și Mg. Aceste rezerve depășesc de 5 ori rezervele luate împreună ale metalelor Cu, Ni, W, Mo, Ta, Nb, Yr, Cr și Ba [14].

Aproximativ 100 de minerale conțin în compoziția lor titan. Cele mai importante minerale ale titanului sunt:

Rutilul (TiO2);

Ilmenitul (FeTiO3 sau FeO-TiO2);

Titanomagnetitul (Fe3TiO6 sau Fe3O4-TiO2);

Perovskitul (CaTiO3 sau CaO-TiO2);

Titanul (sfenul CaTiSiO5 sau CaO-TiO2-SiO2);

Ulvitul (ulvospinelul TiFe2O4 sau TiO-Fe2O3).[15]

Titanul a fost descoperit în anul 1791 de către William Gregor (Anglia) în mineralul ilmenit. Martin Heinrich Klaproth (Germania) în anul 1795 descoperă un nou element chimic în mineralul rutil și îl numește titan. Titanul de puritate 99% a fost descoperit în anul 1910, de către chimistul american Matthew Hunter. Impuritățile cu concentrație 1% acordă titanului fragilitate și metalul nu poate fi prelucrat mecanic. Datorită reactivității mari al titanului față de oxigen și azot este îngreunată obținerea titanului de înaltă puritate.

Van Arkel (Olanda) a obținut titanul cu puritate 99,9%, acesta era plastic, forjabil, laminabil, trefilabil. În anul 1940 Wilhelm Kroll (S.U.A) a pus la punct procedeul economic, de reducere a TiCl4 cu Mg în atmosfera de gaz inert. Acesta a deschis calea utilizării industriale a titanului și a aliajelor sale. După 1950 se începe producția titanul ca material de construcție. Tehnologia elaborării titanului este scumpă deoarece:

Titanul este puternic legat chimic în compușii existenți ca minerale (minereuri de titan);

Titanul reacționează puternic cu multe elemente chimice;

Titanul absoarbe gaze;

Elementele magneziu și sodiu utilizate la reducerea metalotermică a TiCl4 sunt scumpe;

Purificarea TiCl4 este scumpă;

Obținerea titanului pur prin metoda iodurii este scumpă;

Obținerea titanului de înaltă puritate prin electroliză este scumpă.[15]

Caracteristici generale ale titanul sunt: numărul atomic (de ordine) Z = 22, masa atomică M = 47,88, volumul atomic V = 10,6 10-6 m3/mol, raza atomică metalică rm = 1,47 , electronegativitate X = 1,6 pentru Ti+4, structura cristalină la temperatura ordinară – Tiα are o structură hexgonal compact, iar la teperatura 882 se transformă în Tiβ cu o structură cubică cu volum centrat. Energia rețelei cristaline a Tiα = 470 µJ/kmol.

Conductivitatea și rezistivitatea titanului în funcție de temperatură este reprezentată în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1 Conductivitatea și rezistivitatea titanului în funcție de temperatură

Coeficientul de temperatură al rezistivității în intervalul 273 – 293 K, α = 3,0 10-3 K1. La topire rezistivitatea titanului crește de 2,06 ori. În stare supraconductoare pentru Ti de puritate 99,99% temperatura critică (TC), poate fi deplasată spre temperaturi mai mari prin alierea cu elemente β – stabilizatoare (β gene).

Din punct de vedere termodinamic este un metal foarte reactiv, reacțiile sale cu apa și aerul sunt încete. Temperatura de topire a titanului este Ttop = 1670, temperatura de fierbere este Tf = 3169, entalpia de topire specifică Htop = 358,3 kJ/kg = 358,3 11,45 = 4102,5 cal/mol, entalpia de sublimare specifică la 298 K Hsub = 9790 kJ/kg și capacitatea calorică specifică la 298 K Cp = 521 J/(kgK).

Titanul de înaltă puritate are o culoare albă argintie, iar proprietățile mecanice ale titanul de înaltă puritate, obținut prin electroliză, retopit în vid și laminat sunt: rezistența la rupere (Rm = 225 231 MPa), limita de curgere (Rp0,2 = 103 105 MPa), alungirea la rupere (A = 23 25%), gâtuirea la rupere (Z = 55 60%), duritate Vickers (HV = 790 800 MPa).

Proprietățile mecanice ale titanului comercial pur și aliajului Ti6Al4V sunt indicate în tabelul 2.2. Modulul de elasticitate al acestor materiale este de aproximativ 110 GPa, valoare ce reprezintă jumătatea valorii corespunzătoare aliajelor pe bază de cobalt. [16]

Tabelul 2.2 Proprietățile mecanice ale titanului și ale aliajelor pe bază de titan (conform ASTM)

Din tabelul 2.2 se poate observa faptul că un grad ridicat de impurități induce rezistențe ridicate, dar și o ductilitate redusă.

Rezistența materialului variază de la o valoare mult mai scăzută decât cea corespunzătoare oțelului inoxidabil 316 L sau a aliajelor pe bază de cobalt, până la o valoare aproximativ egală cu cea corespunzătoare oțelului inoxidabil 316 călit sau aliajului Co-Cr-Mo. Astfel, din punct de vedere al rezistenței specifice (rezistență/densitate), aliajele de titan au valori superioare oricărui alt tip de material utilizat pentru fabricarea implantelor metalice. Titanul prezintă o rezistență scăzută la forfecare, nefiind indicate pentru fabricarea mijloacelor de fixare osoasă (plăci, șuruburi, broșe), având de asemenea, tendință de exfoliere sau gripare la contactul prin alunecare cu o altă suprafață de titan sau alte materiale metalice.

Acesta prezintă o bună rezistență la coroziune, datorită formării unui strat protector de oxid. În condiții vivo, oxidul de Ti (TiO2) este singurul produs de reacție stabilit. Stratul de oxid formează o peliculă aderentă, pasivând materialul. Procesele care se aplică la temperaturi înalte necesită atmosfere inerte. Oxigenul difuzează rapid în titan, fragilizându-l. Ca urmare, orice prelucrare la cald trebuie efectuată la temperaturi inferioare valorii de 925.

Conform datelor din literatura de specialitate și din studiul variației cu temperatura, proprietățile fizice ale titanului pot fi următoarele: Rezistivitatea electrică a titanului la temperatura camerei este de 20 de ori mai mare ca a aluminiului și ceva mai scăzută ca a oțelului inoxidabil 18-8, iar la peste 200, rezistivitatea titanului o depășește pe cea a oțelului inoxidabil. La temperaturi de până la 400, rezistivitatea titanului crește puternic, liniar cu temperatura. La temperaturi mai ridicate, viteza de modificare a rezistivității începe să scadă, iar la temperaturi de până la 882, are o valoare joasă. Dacă gradul de impurități este mare, rezistivitatea scade (mai ales datorită oxigenului). Suscceptibilitatea magnetică a titanului și a aliajelor sale este foarte scăzută. Temperatura de topire permite utilizarea acestuia la temperaturi ridicate. Reactivitatea acestuia poate fi diminuată prin tratamente termice de suprafață. Oxigenul, azotul, carbonul, duc la creșterea temperaturii de topire, iar elementele metalice dizolvate în titan produc scăderea temperaturii de topire. Densitatea titanului este de 4,505 g/cm3, iar prezența oxigenului face să crească densitatea acestuia.

Din punct de vedere chimic titanul este un metal reactiv și absorbant de gaze. Acesta absoarbe puternic hidrogenul, mai ales la temperaturi de peste 400 – 500. Absorția hidrogenului și formarea soluției solide de hidrogen în titan este un proces exotermic. Titanul reacționează cu oxigenul, formându-se o peliculă de oxizi la suprafața titanului. La încălzirea până la 400 – 500 începe o oxidare puternică a titanului cu formarea dioxidului TiO2 (20% din oxigen se dizolvă în titan și 80% formează TiO2). Culoarea peliculei de oxid diferă în funcție de temperatură și durata oxidării. La temperaturi ridicate acesta reacționează cu carbonul formând carbura TiC foarte rezistentă la acizi.

În chirurgia implantelor metalice sunt utilizate frecvent patru tipuri de titan nealiat, diferențele fiind date de conținutul de impurități. Dintre acestea, oxigenul, fierul și azotul trebuie controlate cu atenție, datorită influenței semnificative asupra rezistenței și ductilității titanului.[17]

Dintre aliajele posibile, doar Ti6Al4V este cel mai utilizat în fabricarea implantelor, compoziția sa chimică impusă fiind indicată în tabelul 2.3.

Tabelul 2.3 Compoziția chimică a tipurilor de titan și a aliajelor sale (valori % maxime)[15]

Principalele elemente de aliere ale aliajului de titan Ti6Al4V sunt aluminiul (5,5-6,5%) și vanadiul (3,5-4,5%).Titanul este un element alotropic, care cristalizează în sistemul hexagonal compact (α – Ti) la temperaturi mai mari de 882oC și sistemul CVC (β – Ti) la temperaturi inferioare acestei valori.

Alierea titanului oferă posibilitatea obținerii unei game largi de proprietăți:

aluminiul stabilizează faza α, crescând temperatura de transformare α —>β;

vanadiul stabilizează faza β, scăzând temperatura de transformare α —>β.

Aliajele monofazice α prezintă o bună sudabilitate. Efectul stabilizator al unui conținut mare de aluminiu pentru această grupă de aliaje este rezistența mecanică ridicată, rezistența la oxidare (temperaturi ridicate 300 – 600oC).

Aceste aliaje nu sunt durificabile prin tratament termic, deoarce sunt aliaje monofazice. Adăugarea unei cantități controlate de elemente stabilizatoare ale fazei β conduce la menținerea unei rezistențe ridicate sub temperatura de transformare. Precipitatele de fază β apar în urma tratamentului termic de încălzire în domeniul monofazic al soluției solide, răcire ulterioară, urmată de recoacere la temperaturi scăzute. În urma ciclului de recoacere, are loc precipitarea din structura metastabilă β a particulelor α, structură cu durități superioare celei călite. Procentul ridicat de elemene stabilizatoare β (13% V în aliajul Ti13V11Cr3Al) duce la formarea unei structuri de tip β, care poate fi durificată prin tratament termic.[18]

2.2 Principalele metode de obținere a titanului

Se consideră TiO2 principala sursă de titan. Tehnologia obținerii titanului prezintă următoarele etape:

Separarea TiO2 din minereul de titan;

Reacții chimice pentru trecerea de la TiO2 la TICl4;

Purificarea TiCl4 prin filtrare și distilare;

Reducerea metalotermică sau cu hidrogen a TiCl4 (sau a altui compus al titanului);

Obținerea titanului de înaltă puritate prin metoda iodurii, electroliză, topire zonară sau verticală etc.

Metoda magneziotermică (procedeul Kroll)

După clorurarea TiO2 în prezența grafitului, conform reacției:

TiO2+C+2Cl2 TiCl4 + CO2 (2.1)

Purificarea lichidului TiCl4 prin filtrarea și distilare se realizează reducerea magneziotermică, în atmosfera de argon sau heliu, conform reacției:

TiCl4+ 2Mg 2MgCl2 + Ti (2.2)

Se obține un burete de titan (titan spongios) care conține aproximativ 60% Ti. După distilarea în vid, se obține un burete de titan cu 99,4% – 99,7% Ti, care prin presare, sinterizare și/sau prin topire se supune compactizării

Metoda sodiotermică

Reducerea TiCl4 prin această metodă se realizează cu sodiu conform reacției:

TiCl4+4Na 4NaCl+Ti (2.3)

Metoda iodurii (Procedeul Van Arkel-de-Boer)

Ti+2I2TiI4 (2.4)

ulterior, disocierea termică a tetraiodurii de titan.

TiI42I2 +Ti (2.5)

obținându-se un titan pur (99,95% Ti) depuns pe filament de wolfram.

Metoda calciotermică

Această metodă constă în reducerea TiO2 cu Ca conform reacției:

TiO2+2Ca Ti+2CaO. (2.6)

În proces se adaugă CaCl2 pentru a ușura creșterea particulelor de titan. Se obține pulbere de titan cu puritate 98,5% – 99% titan.

Metoda hidrurii de calciu

Se reduce TiO2 cu dihidrura de calciu are loc conform reacției globale:

TiO2 +2CaH2 TiH2 +2CaO+H2 (2.7)

La sinterizarea în vid a brichetelor de TiH2, dihidrura de titan se descomune cu eliberarea de hidrogen atomic.

TiH2Ti+2H (2.8)

Se obține titanul metalic cu o puritate mai mare de 99% Ti.

Metoda reducerii cu hidrogen

Obținerea titanului are loc coform reacției:

TiCl4 + 2 H2 Ti + 4HCl (2.9)

Metoda reducerii hexafluorotitanului dipotasic (procedeul Berzelius)

Obținerea titanului are loc conform reacției:

K2[TiF6] + 4 Na Ti + 2KF + 4NaF (2.10)

Electroliza halogenurilor de titan

Anodul în celulele de electroliză este format din titan brut. Electrolitul este o topitură de NaCl sau amestec NaCl + KCl în care se dizolvă TiCl2 și TiCl3, catodul pe care se depunde titanul pur este format din oțel.

Electroliza are loc la 800 – 850. Titanul din anod se dizolvă în electrolit sub formă de ioni Ti+2 și Ti+3. La final se obține o pulbere de înaltă puritate, cu un conținut de gaze mai mic decât 1-10-3% (pentru obținerea titanului pur se utilizează și electroliza TiO2 sau K2[TiF6].

În continuare poate avea loc sinterizarea pulberii de titan la 1000 – 1200 și la presiune de 0,13 Pa. Pentru creșterea gradului de puritate se recomandă o rarefiere secundară. Aceasta constă în dubla topire în vid. Prima topire la o presiune de 1,3 Pa, iar a doua topire la 1,13 Pa. Se recomandă pentru topire cuptoare cu inducție sau cuptoare cu fascicul de electroni[19].

2.3 Structura cristalină a titanului

Structura cristalină a titanului se schimbă în funcție de temperatură și de presiune, acesta este un metal de tranziție polimorf. În figura 2.1 se poate observa diagrama de echilibru fazic unară P-T a titanului, în care sunt prezente cele trei faze solide și modificările cristaline ale titanului:

Tiα – hexagonal compact (HC), fază de temperatură joasă, stabilă de la temperatura ordinară până la 882;

Tiβ – cub cu volum centrat (CVC), fază de temperatură ridicată, stabilă de la 882 până la 1670

Tiω – hexagonal titanului, fază de presiune ridicată.

Figura 2.1 Diagrama de echilibru fazic P-T a titanului (1) – curbe de echilibru; (2) – curbă în afara echilibrului

Punctul triplu α-β-ω are coordonatele Tcr = 1115 K și Pcr = 9,4109 Pa; 1 Pa = 10-5 bar = 1,019710-5 at. La temperatura ordinară (300 K), presiunea echilibrului fazic α-ω este 2109 Pa 20000 at.

În tabelul 2.4 se pot observa caracteristicile transformărilor din diagrama de echilibru P-T a titanului, cum ar fi variația volumui, variația entropiei și panta curbelor de transformare.

Tabelul 2.4 Caracteristicile transformărilor din diagrama de echilibru P-T a titanului

În tabelul 2.5 sunt prezentate date privind structura cristalină a fazelor Tiα, Tiβ și Tiω. Atunci când parametrii rețelei Tiα la 20 au valorile α = 2,95111 0,00006 ; c = 4,68533 0,00004

Tabelul 2.5 Structura cristalină a Tiα, Tiβ și Tiω

La presiunea atmosferică, temperatura transformării polimorfice α- β este = 882 = 1155 K, iar temperatura de topire Tiβ este = 1670 = 1943 K. În celula elementară HC a Tiα, raportul parametrilor rețelei c/a = 1,5873 diferă față de raportul c/a = 1,633 al rețelei HC ideale, metalică cu numărul de coordinație NC = 12.

În cazul transformării polimorfice se respectă principiul concordanței structurale și dimensionale. Între planele și direcțiile cristalografice din fazele β și α se stabilește o anumită corelație. Transformarea rețelei CVC în rețeaua HC are loc printr-o serie de deplasări succesive.[20, 21]

2.4 Principalele aliaje pe bază de titan

Elementele de aliere sunt introduse într-un element de bază pentru obținerea unei structuri fazice și o microstructură care să poată fi modificată prin anumite transformări structurale (transformări de fază), care se realizează prin diferite tratamente, astfel încât să se obțină anumite proprietăți cerute de utilizarea rațională și eficientă a aliajelor în construcția unor piese, dispozitive, mașini sau instalații.

În cazul titanului, principalele elemente de aliere sunt: Al, Mo, V, Mn, Sn, Cr, Zr, Cu, W, Ta, Fe, Si. Pentru ca prin aliere să se obțină rezultatele scontate, metalul de bază trebuie supus în prealabil unor operații de purificare, de micșorare a concentrațiilor elementelor impurități însoțitoare sau întâmplătoare, care au o influență dăunătoare asupra proprietăților, utilizând în acest scop cele mai avansate tehnologii.

Principalele elemente impurități în titan sunt: O, N, C, H, Fe, Si. Concentrațiile unor elementelor impurități sunt foarte mici, sunt considerate și utilizate ca elemente de aliere pentru îmbunătățirea unor proprietăți, controlându-se riguros conținutul lor în aliaje. Oxigenul în titan produce o creștere importantă a rezistenței mecanice. Câteva elemente de aliere și impurități care se dizolvă în titanul solid pot forma soluții substituționale, interstițiale sau ambistițiale.[16]

Structura, proprietățile titanului și aliajelor sale sunt influențate de factorii care pot să modifice temperatura de transformare polimorfică .

Tiα(HC)Tiβ(CVC) (2.11)

Viteza de răcire este de sute sau chiar mii de grade Celsius pe secundă nu deplasează doar la o viteză de răcire de 10 000/s se constată o mișcare a cu 30. Elementele chimice prezente în titan se clasifică după inflența pe care o au asupra .

Elementele α gene se mai numesc și elemente α – stabilizatoare. Acestea ridică temeperatura de transformare polimorfică și lărgesc domeniul soluției pe bază de Tiα. Unele emelemente α gene se dizolvă substituțional, iar altele se dizolvă interstițial în Tiα.

Elementele α gene se clasifică în:

Elemente α – stabilizatoare care formează soluții solide substiționale (Al, Sn, Ga, Sc, Y, La, Gd, Ce, Ge, In);

Elementele α – stabiliatoare care formează soluții solide interstițiale (O, N, C, B).

Elementele β gene se mai numesc β – stabilizatoare. Acestea coboară temperatura de transformare polimorfică și lărgesc domeniul soluției solide β, pe bază de Tiβ. Elemente β – stabilizatoare care formează soluții solide substiționale sunt Mo, V, Mn, Cr, Zr, Hf, Cu, W, Ta, Fe, Si, Nb, Re, Ru, Rh, Os, Ir, Be, Co, Ni, Pd, U, Ag, Au, Pb, Bi.

Elementele β – stabiliatoare care formează soluții solide interstițiale este hidrogenul.

Elementele β izomorfe (Mo, V, Nb, Ta) sunt elementele care la o concentrație suficient de mare, determină ca faza β să devină stabilă la Tord.

Elementele pseudo β izomorfe (Ru, Rh, Re, Os, Ir, W). Acestea sunt elemente care conferă părții dinspre Ti a DEB un aspect similar ca elementele β izomorfe.

Aliajele de titan normalizate pot fi clasificate în funcție de structura fazică în 6 grupe α, pseudo – α, α + β martensitice, α + β de tranziție, pseudo – β și β. Pentru se stabili clasa structurală a unui aliaj pe baza compoziției chimice a aliajului este necesară cunoașterea influenței fiecărui element β – stabilizator exprimată prin concentrația critică Ccr (minimă) în DEB Ti – (EA β – stabilizator), la care se obține prin călire o structură fazică 100% β la temperatură ordinară, acest lucru se poate observa în tabelul 2.6.

Tabelul 2.6 Concentrația critică a elementelor β – stabilizatoare

Indiferent de natura chimică a elementului β – stabilizator, concentrației critice compoziționale îi corespunde o concentrație electronică e/a cu 4,2 electroni pe atom.

Au loc transformări structurale prin care apar diferite faze metastabile și suprasaturate la călirea din domeniul β a aliajelor Ti – (β – stabilizator) atunci când concentrația C < Ccr:

Faze martensitice α’’’:

Faza α’,cu structură cristalină hexagonală;

Faza α’’, cu structură cristalină rombică.

Faze ω, este fază atermică, structură cristalină hexagonală, produs al transformării fără difuzie.

Temperatura începutului de transformare martensitică M, scade odată cu creșterea concentrației elementului de aliere în titan. În tabelul 2.7 se poate observa variația structurii fazice în funcție de compoziție în aliaje Ti – (β – stabilizator) călire din domeniu β. Pentru a se putea stabili grupa aliajului se cunoaște compoziția chimică și trebuie să se determine gradul de stabilizare a fazei β din aliaj, caracterizat de concentrația critică a fiecărui element de aliere, exprimat de coeficientul de stabilizare a fazei β (Kβ). Kβ reprezintă raportul dintre concentrația concretă C (% masice) a elementelor de bază β – stabilizator în aliajul binar analizat și concentrația lui critică în sistemul binar.

Tabelul 2.7 Influența concentrației elementului de aliere β – stabilizator asupra structurii fazice a aliajelor de titan călite

Kβ =C/Ccr. (2.12)

Aliajele cu concentrația:

critică au Kβ = 1;

hipocritică au Kβ < 1;

hipercritică au Kβ > 1.

În cazul în care concentrația critică a molibdenului în aliajele binare Ti-Mo este Ccr = 11% avem:

Kβ = 4/11 = 0,36 pentru un aliaj binar cu 4% Mo;

Kβ = 16/11 = 1,45 pentru un aliaj binar cu 16% Mo.

În cazul aliajelor polinare Kβ se determină ca suma coeficienților Kβ pentru fiecare element după relația:

Kβ = Kβ (2.13)

Kβ = C1/C1cr + C2/C2cr + C3/C3cr + … (2.14)

Coeficientul Kβ permite prognoza structurii fazice, comportarea la tratamente termice și clasificarea aliajelor industriale de titan în șase grupe: aliaje α; aliaje pseudo – α; aliaje α + β martensitice; aliaje α + β de tranziție; aliaje pseudo – β; aliaje β. În figura este redată influența cumulativă a elementelor de aliere asupra structuri aliajelor pe bază de titan.[20, 21]

Figura 2.2 Influența cumulative a elementelor de aliere asupra structurii aliajelor pe bază de titan

CAPITOLUL 3

Comportarea la rupere a biomaterialelor metalice

3.1 Generalități asupra ruperii materialelor metalice

Alături de comportarea materialelor metalice la deformarea plasitcă, deosebit de importantă este și comportarea acestora la rupere. Procesele de rupere sunt însoțite, de cele mai multe ori, de procese de deformare plastică, astfel încât acestea reprezintă două capitole importante și inseparabile.

În general, prin ruperea ductilă se înțelege o rupere care este precedată de o deformabilitate plastică în cursul căreia are loc modificarea formei materialului, volumul acestuia rămânând constant. O problemă care se adresează, din ce în ce mai frecvent, specialiștilor în materiale metalice este dacă la producerea ruperii ductile este sau nu necesară o deformare plastică. Prin ruperea fragilă se înțelege ruperea care nu este însoțită practic de deformarea plastică. Sub acest concept, rezultă că la ruperea fragilă propagarea fisurilor nu necesită deformarea plastică, ceea ce nu exclude insă că anterior nu a avut loc acest fenomen[22].

În figura 3.1 sunt redate criteriile de clasificare ale ruperii.

Figura 3.1 Criterii de clasificare ale ruperii

După modul cristalografic de rupere există două tipuri de rupere, așa cum este indicat în figura 3.2.

Figura 3.2 Clasificarea ruperii după modul cristalografic de rupere

După aspectul ruperii, există rupere prin clivaj și rupere prin forfecare .

Ruperea prin clivaj are loc când o fisură de clivaj se propagă sub acțiunea componentei normale a tensiunii aplicate. Materialul se rupe deoarece la vârful fisurii are loc o puternică concentrare a tensiunii, determinând ruperea legăturilor dintre atomi. Aspectul microscopic al ruperii prin clivaj este dat de propagarea fisurii continuu de la un grăunte la altul.În figura 3.3 sunt redate aspecte ale ruperii prin clivaj.[23]

Figura 3.3- Ruperea prin clivaj

Ruperea prin forfecare (ductilă) are loc printr-un proces de deformare plastică extrem de localizată, producându-se pe planele de alunecare. Creșterea fisurii are loc prin formarea unor pori, apoi coalescența acestora, drumul fisurii fiind o linie înclinată la 45. Aspectul microscopic al ruperii prin forfecare este mat, fibros, așa cum este ilustrat în figura 3.4 [23].

Figura 3.4 Ruperea prin forfecare

La nivel macroscopic, după deformarea plastică care precede ruperea, aceasta poate fi fragilă , așa cum este redat în figura 3.5 sau ductilă, așa cum este redat în figura 3.6.

Figura 3.5- Ruperea fragilă apreciată la nivel macroscopic

Figura 3.6- Ruperea ductilă apreciată la nivel macroscopic

În figura 3.7 sunt redate aspecte macroscopice ale ruperii diferitelor clase structurale de materiale.

Figura 3.7 Aspecte ale ruperii diferitelor clase structurale de materiale[23]

Ruperea fragilă

Ruperea fragilă reprezintă un capitol important în studiul comportării materialelor metalice astfel încât cercetările efectuate în această direcție în comparație cu ruperea ductilă sunt preponderente.

Din punct de vedere fenomenologic, ruperea fragilă reprezintă despărțirea materialului, de obicei cu suprafețele de rupere, prependicular pe axa efortului de tracțiune și la care, în general, nu poate fi evidențiată o deformare sau modificare de dimensiuni. Ruperea fragilă poate decurge transcristalin sau, de asemenea, intracristalin. Ea se întâlnește mai ales la materialele și aliajele care cristalizează în sistemul cub cu volum centrat și hexagonal; sensibilitate spre rupere fragilă este accelerată de scăderea temperaturii și creșterea vitezei de deformare. Ruperea fragilă intracristalină se observă de obicei la materiale metalice cu precipitări sau impurități plasate la limitele de grăunte, însă poate apare și atunci când acestea lipsesc sau la alte sisteme de cristalizare.

Teoria lui Griffith. Această teorie a fost elaborată pentru materialele riguros fragile, de exempul sticlă, însă conceptul respectiv poate fi extins și la materialele metalice.

Figura 3.8 Ruperea după teoria lui Griffith (schemă)

Se consideră că, în material există un număr de fisuri cu lungime 2c. Datorită concentrării de tensiuni la extremitățile fisurilor, pot fi atinse tensiuni capabile să producă în continuare întreruperi locale ale materialului. La creșterea fisurilor, suprafețele se măresc, deci trebuie consumată o energie pentru formarea suprafețelor de rupere; cantitatea de energie necesară este pentru formarea este luată din energia de distorsiune a rețelei cristaline. După Griffith, o fisură se mărește, sub acțiunea unei tensiuni, dacă energia de distorsiune introdusă este cel puțin la fel de mare ca și energia superficială a fisurii. Energia de distorsiune pentru p fisură preexistentă de formă eliptică de lungimea 2c (respectiv pentru suprafețe) este:

Unde σ este tensiunea care acționează și E modulul de elasticitate. Energia de suprafață are valoarea U0 = 4 c γ, unde γ este energia specifică superficială. După Griffith, fisura se mărește dacă nu are loc o modificare a energiei totale. Această condiție se poate scrie:

Tensiunea sub care o fisură de lungime 2c se mărește rapid va fi:

Relația este valabilă numai sub rezerva că fisura se formează riguros fără deformare plastică. La metale, chiar și în cazul ruperii fragile, au loc totuși mici deformări plastice în procesul de mărire a fisurii, astfel încât este necesară suplimentar, pe lângă energia necesară pentru formarea unei noi suprafețe, și o energie necesară deformării plastice.

În locul mărimii γ se introduce mărimea γ’, care reprezintă energia necesară deformării plastice și care având valori cuprinse între 105-106 erg/cm2 este mult mai mare decât energia superficială γ (103 erg/cm2).

Formarea fisurilor. Teoria lui Griffith oferă o explicație pentru valorile mici ale reziliențelor respectiv ale rezistențelor metalice,care nu prezintă însă micrifisuri, rezistențele de rupere se găsesc cu mult sub valorile teoretice. Rezultă deci că, în materialul metalic există zone în care prin concentrări de tensiune se depășește local rezistența teoretică, acestea conducând la formarea microfisurilor.

Zener a fost primul care a arătat că astfel de condiții sunt oferite de vârfurile (sau extremitățile) unor obstacole ca, de exemplu, limita de grăunte sau grupe de dislocații înmobilizate. După Stroh, pe baza celor de mai sus, se arată că o microfisură se poate forma dacă se îndeplinește următoarea condiție:

,

Unde Z este numărul de dislocații imobilizate, este vectorul Burgers al acestora, τ tensiunea de forfecare și γ energia superficială, Lungimea L a planurilor de alunecare, care sunt influențate de tensiuni datorată celor Z dislocații se determină ca și pentru dislocațiile marginale:

Tensiunea de forfecare necesară pentru formarea unei microfisuri va fi:

Odată microfisura formată, ea crește în continuarea constant întrucât, sub tensiunea aplicată, dislocațiile provenite de la o sursă se deplasează la suprafața microfisurii producând creșterea acesteia. Microfisura poate crește până la o valoare, prin care se indeplinește criterial lui Griffith, după care se inregistrează o creștere rapidă, aceasta conducând direct la rupere. Dependența rezistenței de rupere de mărimea de grăunte (rezultă și din relația de mai sus) a fost confirmată deja de rezultatele experimentale.[22]

Există mai multe mecanisme de formarea a microfisurilor:

Formarea unei microfisuri prin coalescența dislocațiilor, figura 3.9;

Formarea unei microfisuri la vârful unei grupări de dislocații marginale la limita mn dintre doi grăunți, figura 3.10;

Formarea unei microfisuri prin reacții între dislocații în rețele CVC, figura 3.11;

Formarea microfisurilor de clivaj prin gruparea dislocațiilor la intersecția dintre două benzi de alunecare, figura 3.12

Formarea unei microfisuri la la capătul unei sublimite care se termină în interiorul cristalului, figura 3.13

a b

Figura 3.11- Formarea unei microfisuri prin reacții între dislocații în rețele CVC:

a- Alunecarea pe planele (101) și (101) care se intersectează,

b- Formarea unei microfisuri pe planul (101)

Figura 3.12- Formarea microfisurilor de clivaj prin gruparea dislocațiilor la intersecția dintre două benzi de alunecare

Figura 3.13- Formarea unei microfisuri la la capătul unei sublimite care se termină în interiorul cristalului

Întrucât o rupere fragilă poate avea loc atât în materialele metalice policristaline cât și în monocristale, ca obstacole pentru imobilizarea dislocațiilor pot fi considerate nu numai limitele de grăunte, dar și și limitele de macle de deformare.[24]

Ruperea ductilă

După cum rezultă și din denumire, o rupere ductilă este asociată cu o deformare mai mult sau mai puțin plastică. Macroscopic, recunoașterea unei ruperi ductile se face după gâtuirea care apare în zona ruperii. În figura 3.14 sunt redate câteva etape întâlnite în cazul ruperii ductile.

Figura 3.14 Diferite etape la ruperea ductilă

Gâtuirea are loc prin modificarea sesizabilă locală a secțiunii transversale în cursul tracțiunii. La deformăti în continuare în zona de centru a gâtuirii ( în care schema de tensiuni este triaxoală) se formează un număr mare de microfisuri și pori (figura 3.14), care crescând duc la apariția unei fisuri, ce se măsoară perpendicular pe direcția efortului. După apariția acestei fisuri. Are loc forfecarea estului de secțiune transversală pe suprafața înclinată la 45° față de direcția efortului. Problema apariției porilor la ruperea ductilă este foarte controversată. Experimental, s-a dovedit că ruperea ductilă, la fel ca cea fracilă, este puternic dependentă de mărimea de grăunte; se poate presupune că în cazul ruperii ductile, în focarul gâtuirii sunt imobilizate dislocații, care conduc la apariția porilor este explicată prin existența incluziunilor ca de exemplu oxizi, sulfuri, silicați etc [22].

Când o fisură atinge dimensiunea critică 2cf, începe să se extindă instabil. Tensiunea necesară pentru inițierea propagării instabile a unei fisuri este σf; odată ce acest proces a început, el continuă de la sine, deoarece pe măsura ce lungimea fisurii crește, tensiunea σm necesară menținerii fisurii în mișcare scade, așa cum este redat în figura 3.15 [23].

Figura 3.15- Condiția de oprire a propagării fisurii

În condițiile stării plane de tensiuni, tensiunea necesară menținerii mișcării este :

După valoarea limitei de curgere, materialele se împart așa cum este redat în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1 Clasificarea materialelor după valoarea limitei de curgere

Formarea și propagarea fisurilor la ruperea ductilă

Ruperea ductilă este ruperea precedată de mari deformații plastice. Dar principala diferență dintre ruperea ductilă și cea fragilă este aceea că în timp ce propagarea unei fisuri ductile este însoțită de curgere plastică însemnată, la ruperea fragilă au loc deformații plastice minore. Ruperea ductilă se produce, ca și ruperea fragilă, prin germinarea unor microfisuri și prin creșterea acestora [23].

Fie un material ductil supus acțiunii unei tensiuni , tensiunea la vârful fisurii în enclava plastică este nulă dar crește puternic cu distanța x, prezentând un maxim, după care scade lent. Propagarea ruperii ductile nu are loc la o tensiune bine definită așa cum are loc propagarea ruperii fragile; ea se produce treptat, la tensiuni din ce în ce mi mari, tensiunea la care ruperea se termină fiind mai mare decât aceea la care acest proces a fost inițiat. Propagarea ruperii ductile are un caracter stabil.

Procesul propagării ruperii ductile constă în coalescența microporilor, care se realizează prin alungirea microporilor în direcția tensiunii , alungirea combinată cu deformarea plastică puternică, cu gâtuirea (curgerea instabilă) și ruperea punților de material dintre pori, punți care pot fi asemănate unor mici epruvete supuse la tracțiune [23].

Deplasarea de deschidere a fisurii. Criteriul pentru creșterea fisurilor

ln cazul materialelor de medie rezistență, prezența enclavelor plastice Ia vârful unei fisuri permite suprafetelor de rupere să se deplaseze independent de mișcarea vârfului, respectiv fără deplasarea acestuia. Această mișcare relativă a suprafețelor de rupere determină Ia vârful fisurii o deplasare numită deplasarea de deschidere a fisurii notată cu . Mișcarea suprafețelor de rupere ale unei fisuri în prezența unei enclave plastice la vârful fisurii și deplasarea de deschidere a fisurii prin modul I de deplasare a flancurilor fisurii este redat în figura 3.16.

Figura 3.16 – Formarea și propagarea fisurilor la ruperea ductilă

Figura 3.17 Deplasarea de deschidere a unei fisuri

Pentru a determina criteriul pentru creșterea fisurii se presupune că materialul din fața fisurii este format dintr-o mulțime de mici epruvete ipotetice, de lungime l/ și lățime w supuse la tracțiune după modul I de deplasare a suprafelelor fisurii). Fisura începe să se propage când se rupe prima epruvetă imaginară din fața ei; deoarece aceasta determină ruperea epruvetei următoare ș.a.m.d., procesul de rupere devine instabil, adică se desfășoară la tensiune descrescătoare. La deschiderea fisurii epruveta din imediata ei vecinătate se alungește între deplasarea a flancului fisurii la vârful ei și alungirea l a primei epruvete existând relația l=2 =. Deformarea primei epruvete, când flancurile fisurii se deplasează cu este:

În figura 3.18 este redat mecanismul propagării fisurii într-un mediu plastic.

Figura 3.18- Propagarea fisurii într-un mediu plastic [23]

3.2 Particularități ale ruperii biomaterialelor metalice

În tabelul 3.2 sunt prezentați factorii cei mai importanți care trebuie luați în considerare atunci când se face selecția materialelor pentru aplicațiile medicale. Dintre toate aceste condiții, biocompatibilitatea este cel mai important criteriu de luat în seama mai ales în cazul aplicațiilor medicale ale biomaterialelor. Alături de biocompatibilitate și cerințele mecanice, mediul biologic este urmatorul factor important ce poate influența negativ stabilitatea implantului.

Organismul uman este un mediu ostil pentru biomaterialele metalice, fiind o soluție salină oxigenată (0,9% sare) la un pH de aproximativ 7,4 și o temperatură de 37°C ± 1°C (98,4°F). Atunci când un implant este introdus chirurgical în organism, acesta va fi acoperit de lichid extracelular. Toate implanturile realizate din biomateriale metalice, incluzând și cele mai rezistente la coroziune, sunt supuse la dizolvări chimice și electromecanice, datorită unui grad ridicat de coroziune al organismului uman. Lichidul corpului este alcătuit din apă, componente complexe, oxigen dizolvat, o cantitate mare de ioni de sodiu (Na+) și clor (Cl+), electroliți ca bicarbonatul precum și o cantitate mică de potasiu, calciu, magneziu, fosfat, proteine și plasmă.

Componentele ionice îndeplinesc funcții ca: menținerea constantă a pH–ului și participarea la transferul de electroni. La introducerea implantului, are loc o perturbare a echilibrului din organism, manifestat prin variația pH–ului și variația fluxului de sânge către țesutul osos. Din punct de vedere electromecanic, coroziunea își poate face prezența datorită variațiunilor de pe suprafața implantului. Aceste variații pot fi responsabile pentru formarea celulei electromecanice însoțită de dizolvarea activă a metalului.[25]

Tabelul 3.2 Factorii decizionali la realizarea implanturilor medicale

Domeniul biomaterialelor și-a câștigat recunoașterea binemeritată după prima întrunire asupra biomaterialelor, desfășurată la Clemson University, South Carolina în 1969 și continuă să se bucure de o atenție substanțială de atunci încoace. Biomaterialele sunt materiale artificiale sau naturale, folosite la realizarea de structuri sau implanturi, pentru înlocuirea structurilor biologice îmbolnăvite sau pierdute pentru a reda forma și funcția acestora. Astfel, biomaterialele ajută la îmbunătățirea calității vieții și longevității oamenilor, iar domeniul biomaterialelor a prezentat o rapidă dezvoltare care să țină pasul cu cerințele unei populații îmbătrânite.

Biomaterialele sunt folosite în diferite părți ale corpului omenesc ca valve artificiale în inimă, stenturi în vasele de sânge, implanturi de înlocuire la umăr, genunchi, șolduri, cot, urechi și structuri orodentale. Este folosit de asemenea drept stimulator cardiac și pentru reconstruirea tractului urinar. Printre toate acestea, numărul de implanturi folosite pentru substituiri spinale, de șold și genunchi este extrem de ridicat. Articulațiile umane suferă de boli degenerative precum artrita, care duc la dureri sau pierderea capacității de funcționare a articulațiilor. Bolile degenerative conduc la degradarea proprietăților mecanice ale osului, datorită excesivei încărcări sau absenței procesului biologic normal de încălzire. S-a estimat că 90% din populația trecută de vârsta de 40 de ani suferă de acest fel de boli degenerative, iar populația îmbătrânită a crescut foarte mult în ultimii ani și se estimează că va crește de șapte ori (de la 4,9 milioane în 2002, la 39,7 milioane în 2010. Afecțiunile musculoscheletale sunt cele mai răspândite probleme de sănătate care costă societatea aproximativ 254 miliarde de dolari. Biomaterialele sunt soluția acestor probleme, deoarece implanturile chirurgicale ale acestor biomateriale artificial de forme corespunzătoare ajută la restabilirea funcției structurilor care altfel ar fi fost compromise [25].

Capitolul 4

Studiu de caz asupra comportarii la rupere a unei plăci autoblocante

Studiul de caz a fost efectuat pe o placa autoblocantă și suruburi intermediare. Placa autoblocanta a fost utilizata pentru reducere si osteosinteza la o fractura de pilon tibial la pacientul C. N. in varsta de 28 de ani. După 7 luni pacientul   revine pentru ablatia materialului de osteosinteza. Clinic si radilogic se constată consolidarea fracturii calus hipertrofic si degradarea placii. A fost utilizat un model de placă: ChM 3.4051.508, sistem 5,0; Lot 1302735 (T) 8holes, așa cum este redat în figura 4.1.

Figura 4.1- Model de placă autoblocanta: ChM 3.4051.508, sistem 5,0;

Lot 1302735 (T) 8 găuri

Imaginea de detaliu privind firma producătoare a componentei placă autoblocantă este redată în figura 4.2.

Figura 4.2 –Imagine de detaliu asupra caracteristicilor plăcii autoblocante utilizate în prezentul studiu de caz

Asupra placii autoblocante au fost efectuate urmatoarele investigatii, cu scopul stabilirii cauzelor care au condus la ruperea acesteia, respectiv:

Determinarea compozitiei chimice, prin analiză spectrală

Analiza macrostructurală, la stereomicroscop

Analiza microstructurală la microscopul optic metalografic

Analiza fractografică la microscopul electronic cu baleiaj.

In figura 3.2 este redat programul experimental al investigatiilor structurale efectuate pe placa autoblocantă utilizată la prezentul studiu de caz.

Figura 4.3- Programul experimental al investigatiilor structurale

4.1 Determinarea compozitiei chimice, prin analiză spectrală

Compoziția chimică a plăcii autoblocante fost determinată prin analiză spectrală, în cadrul laboratorului LISEOFR, din facultatea Știința și Ingineria Materialelor, cu ajutorul unui spectrometru de emisie optică prin scânteie, a cărui imagine este redată în figura 4.4.

Figura 4.4- Spectrometru de emisie optică prin scânteie

Principiul determinării analizei spectrale cantitative se bazează pe legatura dintre intensitatea liniei spectrale și concentrația substanței din amestec. Intensitatea unei linii spectrale depinde în mare masură de condițiile de excitare și poate fi simțitor modificată în urma unor procese de absorbție. În urma analizei spectrale s-a putut determina compoziția chimică a tijei centromedularea, rezultatele prelevate fiind indicate în Tabelul 4.1.

Tabelul 4.1- Compozitia chimica a plăcii autoblocante investigate

Din analiza valorilor prezente în tabelul 3.1 rezultă faptul ca materialul din care este realizată placa autoblocantă ar putea fi încadrat în titan de puritate grad 4, dare se remarcă faptul că limitele conținuturilor de azot și carbon sunt ușor depășite. Adică, placa utilizată nu se încadrează în compoziția prescrisă de marcă.

4.2 Analiza macrostructurala a plăcii autoblocante

Analiza macrostructurala a fost realizata la stereomicroscopul metalografic tip OLYMPUS tip SZX7, echipat cu soft de procesare imagini Quickphoto Micro 2.2.

Stereomicroscopul este adesea utilizat pentru studiul suprafețelor probelor solide sau pentru a efectua o investigație detaliată, dar la scară destul de mică, între 8 ori până la 56 ori putere de mărire, adică o analiză macroscopică. Spre deosebire de microscoapele complexe, iluminarea într-un stereomicroscop folosește cel mai adesea iluminarea prin reflexie (episcopic), mai degrabă decât iluminarea prin transmisie (diascopic), care este, lumina reflectată de la suprafața unui obiect, mai degrabă decât lumina transmisă prin intermediul unui obiectiv. Utilizarea luminii reflectate de obiectiv permite examinarea probelor care ar putea fi prea groase sau pe de altă parte opace pentru microscoapele complexe. Cu toate acestea, stereomicroscopul este capabil de iluminare prin transmisie a luminii, în mod obisnuit prin prezenta unui bec sau a unei oglinzi sub o treapta transparenta sub obiectiv, deși spre deosebire de un microscop complex, iluminarea prin transmisie nu este axat printr-un condensator în majoritatea sistemelor. Stereomicroscoapele cu echipamente speciale de iluminat pot fi folosite pentru microscopie câmp întunecat, folosind fie reflexia sau transmisia luminii. Distanță mare de lucru și profunzimea câmpului sunt calități importante pentru acest tip de microscop. Ambele calități sunt invers corelate cu rezolutia: o rezoluție mai mare (adică mai mică distanța, la care două puncte adiacente pot fi distinse ca fiind diferite), corespunde unei adâncimi a câmpului și unei distanțe de lucru mai mici. Un stereomicroscop are o marire utilă de până la 100 ×. Rezoluția este maxim în ordinea mediei de 10 × obiectiv într-un microscop complex, și, deseori mult mai mică. Există două tipuri majore de sisteme de mărire la stereomicroscoape. Un tip este mărirea fixata în care mărirea primara este realizată de către un set asociat de lentile obiectiv cu diferite puteri de mărire. Cealaltă este mărirea zoom sau pancratica, care sunt capabile de o continua putere de mărire variabila într-o gamă stabilita. Sistemele zoom pot realiza o mărire mai mare prin utilizarea unor obiective auxiliare care cresc mărire totala printr-un set de factori stabiliti. De asemenea, mărire totală atât in sisteme fixe cât și de zoom poate varia prin schimbarea oculară. Intermediar între mărirea fixa și sistemele de mărire zoom este un sistem atribuit lui Galileo numit “sistemul optic Galilean”; aici un aranjament de lentile convexe fix-focus este utilizat pentru a oferi o mărire fixa, dar cu deosebirea esențială că aceleași componente optice în același spațiu, dacă sunt inversate fizic, rezulta intr-o marire diferita, desi inca fixa. Acest lucru permite unui set de lentile să asigure două măriri diferite; două seturi de lentile sa realizeze patru măriri pe o turelă; trei seturi de lentile asigura cele șase măriri și se vor integra în continuare într-o turelă. Experiența practică arată că astfel de sisteme optice de tip Galilean sunt la fel de utile ca un sistem zoom considerabil mai scump, cu avantajul de a cunoaște mărirea utilizata ca valoare stabilită fără a putea fi necesara citirea scalelor analogice. Stereomicroscopul, de asemenea, numit și microscop de analiză, este de fapt un microscop compus din 2 componente, numit asa deoarece este conceput cu un sistem de lentile complex, care se concentrează pe același punct din unghiuri ușor diferite. Acest lucru permite vizualizarea modelului în trei dimensiuni. Spre deosebire de microscoapele complexe, imaginea este în poziție corect verticală și laterală. Stereomicroscopul nu trebuie confundat cu un microscop complex echipat cu ocular dublu și un periscop. Într-un asemenea microscop ambii ochi văd aceeași imagine, dar piesele binoculare oferă un confort de vizionare mai mare. Cu toate acestea, imaginea într-un asemenea microscop nu este diferită de cea obținută cu o singură piesă monoculară. Analiza stereomicroscopică poate fi utilizată în mod corect pentru a studia la nivel macroscopic. Stereomicroscopul OLYMPUS SZX, a cărui imagine este redată în figura 3.4 are mai multe măriri diferite și, de asemenea, un sistem de mărire zoom. De asemenea, distanța de lucru este mai mare decât a unui microscop complex tipic, permițând ca munca să se facă pe proba timp ce acesta este observată prin microscop (de unde numele “microscop de analiză”). Acest stereomicroscop are un design modular care permite implementarea unei varietăți de suporturi, oculare, obiective și tehnici de iluminat în funcție de scopul utilizării.

Figura 4.5 – Aspectul stereomicroscopului OLYMPUS SZX7

QuickPHOTO MICRO 2.2 este un software de capturare de imagini digitale (în special după microscoape echipate cu camere digitale OLYMPUS), care permite efectuarea unor aspect funcționale, cum ar fi: editarea și stocarea imaginilor, efectuarea diferitelor măsurători (determinarea lungimilor, determinarea perimetrelor, determinarea ariilor, măsurarea unghiurilor, numărarea unor obiecte, efectuarea analizei de fază, etc). Imaginile sunt capturate în direct din microscop și apar pe ecranul calculatorului, ca în imaginea din figura 4.6.

Figura 4.6- Imagini capturate prin QuickMicroPhoto 2.2

Figura 4.7- Imagine de ansamblu macroscopica a plăcii autoblocante investigate

Figura 4.8- Aspecte macroscopic ale capului plăcii autoblocante, detaliu al figurii 4.7

a b

Figura 4.9- Aspecte macroscopice ale partii centrale apartinând plăcii autoblocante, detaliu al figurii 4.7, în secțiuni longitudinale diferite

a b

Figura 4.10- Diferite aspecte macroscopice ale părților rupte aparținând plăcii autoblocate,

a- detaliu figura 4.9 a stânga vedere fata, b- detaliu figura 4.9 a stânga vedere spate

a b

Figura 4.11- Diferite aspecte macroscopice ale părților rupte aparținând plăcii autoblocate,

a- detaliu figura 4.9 a dreapta vedere fata, b- detaliu figura 4.9 a dreapta vedere spate

Analiza macroscopică efectuată la stereomicroscop a evidentiat faptul că placa așa cum este evidențiat în dreprul curburi plăcii așa cum este evidențiat în imaginile din figurile 4.8 si 4.9. Imaginile din figurile 4.10 și 4.11 au evidențiat deplasarea forntului de rupere la un unghi de 45° conform legii lui Shimdt. Ruperea are un character fragil transcristalin remarcându-se teșirea suprafețelor de rupere așa cum este evidențiat în figura 4.13.

Figura 4.12- Aspectul macrostructural a suprafeței de rupere în secțiune transversală corespunzătoare plăcii autoblocante

a

b

Figura 4.13- Detalii ale figurii 4.12

4.3 Analiza microstructurală la microsopul optic metalografic

Analiză metalografică optică, cantitativă și calitativă a aliajului turnat a fost realizată cu un microscop de tip Reichert, figura 4.14.

Pentru vizualizarea structurii redate de microscopul optic utilizat acesta s-a cuplat la un analizor de imagine cu ajutorul software-ului Image Pro. Microscopia optică pune în evidență în mod frecvent aspecte morfologice ale materialelor la măriri cuprinse între 10 și 2500 x, deci cu dimensiuni din domeniul 0,1 – 1000 m. Prin examinarea unui material pregătit în mod adecvat, la puteri de mărire de la aproximativ 100 x până la câteva mii de ori se pot observa fazele care alcătuiesc materialul, grăunții, distribuția fazelor și grăunților, natura acestora și mărimea cristalelor.

Punerea în evidență a structurii aliajului plăcii autoblocante a fost efectuată în urma pregătirii suprafețelor la un aparat de șlefuit automat tip Buehler folosind hârtii abrazive cu granulații diferite (180, 240, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 1800, 2000, 2500), iar pentru luciu s-a folosit soluție diamantată. Probele au fost atacate chimic cu acid fluorhidric.

Analiza strarii incluzionare a materialului plăcii autoblocante a evidentiat faptul ca materialul prezinta o puritate incluzionară nesatisfacatoare, cu particule de dimensiuni mari, așa cum este ilustrat în figura 4.15.

Figura 4.14. Microscopul optic metalografic Reichert

Figura 4.15 Aspectul incluziunilor nemetalice în cel mai impur câmp al materialului plăcii autoblocante (neatacat)

a

b

c

d

Figura 4.16 Aspectul microstructural al materialului din care este realizată plăca autoblocantă la diferite puteri de marire ale microscopului, în secțiune transversală (atac10% HF)

Analiza microstructurală pentru determinarea gradului de puritate al materialului (redata in figura 4.15) a evidentiat faptul că în material sunt zone impure, nepermise în cazul utilizării acestuia pentru componente implantabile, cum este placa autoblocantă. Prezența acestor impurități scoate din clasa grad 4 maerialul investigat.

Analiza microstructurală pentru determinarea constituției fazice a materialul, în stare atacat a evidențiat faptul că titanul investigat are o granulație relativ neomogenă, cu punctaj 6-8, (așa cum este redat in figura 4.16) conform ASTM, cu grăunți poliedrici și nuantati diferit.

4.4 Analiza fractografică la microscopul electronic cu baleiaj

Analiza la microscopul electronic cu baleiaj, tip PHILIPS, echipat cu EDX și analizor de imagine automat, precum și la un microscop electronic cu baleiaj QUANTA INSPECT F prevăzut cu  tun de electroni cu emisie în câmp – FEG (field emission gun) cu rezoluție de 1,2 nm și spectrometru de raze X dispersiv în energie (EDS) cu rezoluția la MnK de 133 eV. Compoziția elementală a aliajelor experimentale de titan a fost investigată prin spectroscopie de raze X cu dispersie după energie (EDS), efectuată cu un analizor de tip XL-30 – ESEM TPM din dotarea unui microscop electronic baleiaj (SEM). Structura probelor evidențiate prin imagini realizate cu ajutorul microscopului electronic de baleiaj (SEM) se obține prin colectarea electronilor secundari și retroîmprăștiați în urma baleierii unui fascicul de electroni focalizat, cu energii care variază între 100 eV și 30 keV. Imaginile rezultate pot fi captate la o mărire foarte mare pentru a oferi o cantitate mare de informații despre topografia suprafeței. Fasciculul de electroni incident excită, de asemenea, raze X caracteristice care pot fi folosite în colectarea informațiilor despre compoziția elementală a probei investigate, utilizând energia sau lungimea de undă dispersate cu ajutorul detectorului de raze X. Folosind diferite tipuri de detectoare pentru fiecare dintre aceste tipuri de electroni sau fotoni, se pot crea imagini sau obține alte informații despre caracteristicile suprafeței eșantioanelor investigate. O schiță a microscopului electronic de baleiaj care prezintă componentele sale principale este prezentată în figura 4.17.

Imaginea de electroni retroîmprăștiați permite scoaterea în evidență a distribuției spațiale a elementelor sau compușilor cu număr atomic diferit, pe adâncimi de ordinul micrometrilor. De asemenea, se pot investiga probe și pe adâncimi mai mici de 10 nm, însă evoluția compoziției poate fi măsurată cu o abatere de 0,2 %.

Tehnicile de microanaliză cu radiații X (spectrometrele WDS, respectiv EDS) folosesc radiațiile X generate de o probă bombardată cu electroni pentru a identifica constituenții elementari din compoziția chimică a probei. Ambele tehnici permit obținerea unui spectru de emisie în domeniul radiațiilor X, în care maximele corespund energiilor sau lungimilor de undă caracteristice pentru fiecare element, identificarea acestora fiind foarte simplă. Evaluările cantitative se bazează pe măsurarea înălțimii maximelor sau pe calcularea suprafețelor descrise de aceste maxime și compararea acestor date cu cele obținute de pe o probă etalon. Dintre cele două metode, cea mai folosită este spectrometria cu dispersie după energie (EDS).

Compoziția elementală a suprafețelor titanului investigat a fost realizată prin utilizarea unui analizor de tip XL-30 – ESEM TPM din dotarea unui microscop electronic de baleiaj (SEM). În figura 4.18 este prezentată imaginea microscopului ESEM dotat cu spectrometru EDS. Colectarea datelor și analiza cu EDS este un proces relativ rapid și simplu datorită spectrului complet de energii care este achiziționat simultan. Rezoluția tipică a unui detector EDS este de 70 – 130 eV (în funcție de element). Un analizor EDS detectează radiațiile X și le separă într-un spectru după energia lor, de unde și denumirea de spectrometru după energii. Utilizând un sistem EDS, toate energiile radiațiilor X incidente pe detector sunt măsurate simultan, iar achiziționarea datelor este prin urmare foarte rapidă de la un capăt la altul al întregului spectru.

Pentru examinarea unei probe necunoscute, în practică este avantajos să se utilizeze viteza de achiziție a datelor atinsă de sistemele EDS, deoarece elementele principale vor fi identificate rapid. Oricum, dacă sunt prezente doar urme ale unor elemente chimice, există posibilitatea ca acestea să nu fie identificate, ceea ce face și mai dificilă interpretarea apariției unor suprapuneri ale vârfurilor.

Spectrometrele EDS pot fi programate să analizeze câteva elemente de interes punct cu punct, în timpul scanării probei cu fasciculul de electroni existând posibilitatea obținerii unor rezultate compoziționale calitative și cantitative dintr-un singur punct de pe suprafață, de pe o direcție selectată (profil liniar), sau distribuții ale elementelor pe întreaga suprafață analizată.

Spectroscopia EDXS poate fi utilizată la identificarea compoziției elementale a unui material, pentru toate elementele cu număr atomic mai mare decât al borului. Majoritatea elementelor pot fi detectate la concentrații de ordinul 0,1 %. Energia fiecărui foton din razele X este caracteristică elementului care a produs-o. Inconvenientul folosirii EDXS, în cazul straturilor subțiri, este volumul de interacțiune, cantitatea de material excitată de electronii de incidență se extinde în întregul volum al filmului, dar și în substrat. Deși dimensiunea fasciculului de electroni poate fi de ordinul câtorva nanometri, diametrul materialului examinat este proporțional cu adâncimea materialului examinat, care poate fi chiar de ordinul micrometrilor, în funcție de energia folosită. Pentru a minimaliza acest aspect, se poate reduce tensiunea de accelerare sau se înclină proba sub anumit unghi. Vor exista unele interacțiuni cu materialul substratului, dar efectul poate fi minimizat.

Difracția de raze X (XRD) este o metodă de analiză calitativă (dar și cantitativă) nedistuctivă, care poate furniza informații structurale și chimice detaliate cu privire la cristalografia nei game largi de materiale anorganice sau organice.

Fenomenul de difracție se produce ca urmare a inteacției radiației X cu electronii atomilor, atomii fiind considerați centri de împrăștiere punctiformi. În fncție de aranjamentl atomilor, radiația împrăștiată de diferiți atomi interferă. În cazul în care diferența de drum dintre două raze difractate este un multipl întreg de lungimi de undă rezultă o interferenșă constructivă (care generează apariția unui maxim de difracție).

Această condiție restrictivă este cunoscută sub denumirea de legea sau ecuația lui Bragg:

unde

n – ordinul maximului de difracție;

λ – lungimea de undă a radiației X utilizate;

d – distanța interplanară (distanța dintre planele succesive ale familiei de plane reticulare);

θ – unghiul făcut de fasciculul incident cu plabele (hkl) și este jumătatea unghiului de difracție (2θ) dintre fasciculul incident și cel difractat.

Analiza cu raze X s-a efectuat cu un difractometru de ultimă generație tip D8 ADVANCE fabricat de Bruker AXS GmbH Karlsruhe (Germania).

Analiza fractografică a evidențiat faptul că placa autobolocantă s-a fisurat într-o zonă cu puritate incluzionară mare. Ruperea are un aspect fragil prin cliaj transgranular, cu fațetele ascuțite. Totodată au fost pune în evidență și fisurile secundare intergranulare între planele de cliaj. Trebuie menționat faptul că după ruperea materialului cele două componente ale plăcii autoblocante au suferit o frecare relativă cea care a dus la teșirea vârfurilor de rupere. Analiza arată că de la momentul ruperii și până la extracția plăcii autoblocante a existat o perioadă relativ mare în care s-a produs teșirea și frecarea suprafețelor de rupere.

Confirmarea compoziției chimice a plăci autoblocante a fost realizată prin determinarea spectrului de difracție, la microscopul electronic cu baleiaj.

Rezultatele analizei fractografice obținute la microscopul electronic cu baleiaj sunt redate in imaginile din figurile 4.20.

a

b

c

Figura 4.20- Aspecte fractografice ale suprafețelor de rupere aparținând plăcii autoblocante, în secțiune transversală

Figura 4.21- Aspecte fractografice ale suprafețelor de rupere aparținând plăci autoblocante

Figura 4.22 Spectrul de difractii ale diferitelor componente ale plăcii autoblocante

CONCLUZII

A. Concluzii desprinse din cercetările documentare

Fracturile de pilon tibial continuă să reprezinte una dintre cele mai importante fracturi ale membrului inferior. În România s-a constatat începând din o tendință ascendentă a acestei patologii. Distribuția populațională a demonstrat o incidență crescută a fracturilor de pilon tibial la sexul masculin (69,7%) și la grupele de vârstă 30-59 de ani cu un procent sumativ de 64,9%. În ultimii ani (perioada 2008-2011) se constată o recrudescență a mecanismului de producere prin cădere de la înălțime (p=0,021), în special în mediul rural, în timp ce în mediul urban predomină accidentele rutiere. Dependentă direct de mecanismul de producere, clasificarea fracturilor devine extrem de importantă pentru definirea ulterioară a managementului acestui tip de patologie chirurgicală.

În funcție de clasificarea AO, în România predomină fracturi de tip B (64,9%) parțial articulare, dar și o tendință de creștere a fracturilor complexe ce interesează toată articulația și anume fracturile de tip C (24,1%). Aceste tendințe se corelează cu valorile raportate de clinici europene și se datorează probabil tehnologizării rapide la nivel rural precum și intensificării traficului mai ales în regim intraurban sau în absența unei concordanțe dintre volumul în creștere al mijloacelor de transport auto/moto/velo și infrastructură. Tratamentul chirurgical al fracturilor de pilon tibial reprezintă o sursă permanentă de dezbatere științifică.

Titanul este un element chimic cu simbolul Ti, numar atomic 22. Are o densitate mică este un metal de tranziție dur, lucios și rezinstent la coroziune, cu o culoare argintie. Titanul poate fi folosit în combinații cu fierul, vanadiul, molibdenul, printre alte elemente, cu scopul de a produce aliaje puternice. În ultimul deceniu titanul și aliajele sale a început să fie folosit cu succes ca biomaterial, pentru realizarea implanturilor. Elementele de aliere pot avea o influență cumulativă asupra structurii titanului, determinând existența următoarelor clase de aliaje pe bază de titan: aliaje α; aliaje pseudo – α; aliaje α + β martensitice; aliaje α + β de tranziție; aliaje pseudo – β; aliaje β.

Problema ruperii biomaterialelor este deosebit de importantă, fiind cauza eșecurilor nemeroaselor implanturi. Organismul uman este un mediu ostil pentru biomaterialele metalice, fiind o soluție salină oxigenată (0,9% sare) la un pH de aproximativ 7,4 și o temperatură de 37°C ± 1°C (98,4°F). Atunci când un implant este introdus chirurgical în organism, acesta va fi acoperit de lichid extracelular. Toate implanturile realizate din biomateriale metalice, incluzând și cele mai rezistente la coroziune, sunt supuse atât mediului uman deosebit de agresiv, cât și condițiilor biomecanice specifice corpului uman.

B. Concluzii desprinse din studiul de caz

Studiul de caz a fost efectuat pe o placă autoblocantă și suruburi intermediare. Placa autoblocanta a fost utilizata pentru reducere si osteosinteza la o fractura de pilon tibial la pacientul C. N. in varsta de 28 de ani. După șapte luni pacientul   revine pentru ablatia materialului de osteosinteza. Clinic si radilogic se constată consolidarea fracturii calus hipertrofic si degradarea placii. A fost utilizat un model de placă: ChM 3.4051.508, sistem 5,0; Lot 1302735 (T) 8holes. Asupra placii autoblocante au fost efectuate urmatoarele investigatii, cu scopul stabilirii cauzelor care au condus la ruperea acesteia, respectiv: determinarea compozitiei chimice, prin analiză spectrală, analiza macrostructurală, la stereomicroscop, analiza microstructurală la microscopul optic metalografic și, respectiv analiza fractografică la microscopul electronic cu baleiaj.

Din efectuarea analizei spectrale cantitative rezultă faptul ca materialul din care este realizată placa autoblocantă ar putea fi încadrat în titan de puritate grad 4, dare se remarcă faptul că limitele conținuturilor de azot și carbon sunt ușor depășite. Adică, placa utilizată nu se încadrează în compoziția prescrisă de marcă.

Analiza macroscopică efectuată la stereomicroscop a evidentiat faptul că placa așa cumm este evidențiat în dreprul curburi plăcii. Este evidențiat deplasarea forntului de rupere la un unghi de 45° conform legii lui Shimdt. Ruperea are un character fragil transcristalin remarcându-se teșirea suprafețelor de rupere.

Analiza microstructurală pentru determinarea gradului de puritate al materialului a evidentiat faptul că în material sunt zone impure, nepermise în cazul utilizării acestuia pentru componente implantabile, cum este placa autoblocantă. Prezența acestor impurități scoate din clasa grad 4 maerialul investigat. Analiza microstructurală pentru determinarea constituției fazice a materialul, în stare atacat a evidențiat faptul că titanul investigat are o granulație relativ neomogenă, cu punctaj 6-8, conform ASTM, cu grăunți poliedrici și nuantati diferit.

Analiza fractografică a evidențiat faptul că placa autobolocantă s-a fisurat într-o zonă cu puritate incluzionară mare. Ruperea are un aspect fragil prin cliaj transgranular, cu fațetele ascuțite. Totodată au fost pune în evidență și fisurile secundare intergranulare între planele de cliaj. Trebuie menționat faptul că după ruperea materialului cele două componente ale plăcii autoblocante au suferit o frecare relativă cea ce a dus la teșirea vârfurilor de rupere.Analiza arată că de la momentul ruperii și până la extracția plăcii autoblocante a existat o perioadă relativ mare în care s-a produs teșirea și frecarea suprafețelor de rupere.

Confirmarea compoziției chimice a plăci autoblocante a fost realizată prin determinarea spectrului de difracție, la microscopul electronic cu baleiaj.

Analiza compleză a suprafețelor de rupere ale plăcii autoblocante a condus la concluzia finală ca materialul din care a fost realizată placa autoblocante este necorespunzător chimic, cu puritate incluzionară nesatisfăcătoare, cee ace a condus la apariția ruperii într-o zonă neomogenă structural. Ruperea are un aspect fragil prin cliaj transgranular, cu fațetele ascuțite. Totodată au fost pune în evidență și fisurile secundare intergranulare între planele de cliaj.

BIBLIOGRAFIE

[1] Irinel Popescu, Dinu Antonescu, Tratat de chirurgie vol X; Ortopedie traumatologie, Editura Academiei, București, 2009

[2] Dinu M. Antonescu, Patologia aparatului locomotor vol. II, Editura Medicala,București, 2008

[3] Campbell WC, Canale ST and Beaty JH, Campbell's operative orthopaedics. 11th ed2008, Philadelphia, PA: Mosby/Elsevier.

[4] Tong D, Ji F, Zhang H, et al., Two-stage procedure protocol for minimally invasive plate osteosynthesis technique in the treatment of the complex pilon fracture. Int Orthop, 2012. 36(4): p. 833-7.

[5] Ramappa M, Bajwa A, Singh A, et al., Interobserver and intraobserver variations in tibial pilon fracture classification systems. Foot (Edinb), 2010. 20(2-3): p. 61-3.

[6] Kao KF, Huang PJ, Chen YW, et al., Postero-medio-anterior approach of the ankle for the pilon fracture. Injury, 2000. 31(2): p. 71-4.

[7] Alexa O, Tehnici chirurgicale uzuale in traumatismele osteoarticulare2007: Gr. T. Popa Iasi.

[8] Georgescu N, lancu C, Petcu I, et al., Posibilități de tratament in fracturile diafizare cominutive. Revista de ortopedie si traumatologie 1991. 1(1-2): p. 83-86.

[9] Stannard JP, Schmidt AH and Kregor PJ, Surgical treatment of orthopaedic trauma2007, New York, NY: Thieme. xxxvi, 940 p.

[10] Ristiniemi J, External fixation of tibial pilon fractures and fracture healing. Acta Orthop Suppl, 2007. 78(326): p. 3, 5-34.

[11] Standardul în osteosinteză, Ronda medical, Placa LCP aterolaterală pentru

tibie distală, mai 2011.

[12] Bogdan Florin PUHA,: Fracturile pilonului tibial–Tendințe actuale de tratament, TEZĂ DE DOCTORAT, Universitatea de medicină și farmacie,,Gr. T. POPA” Iași, Facultatea de medicină, Disciplina de ortopedie-traumatologie, Iași, 2012.

[13] S.Gâdea, M. Protopopescu,: Aliaje neferose, Editura Tehnică, București 1965.

[14] Collings, E.W., Boyer, R., Welsch, G., Materials properties handbook. Titanium

alloys, ASM International 1994, pag. 3-170, 483-609

[15] Ghiban, B., Metallic biomaterials, Ed. Printech, Bucuresti, 1999, pag. 33-37, 104-140

[16] Maria Rădulescu, Studiul Materialelor, Editura Didactica și Pedagocică, Buburești, 1982

[17] Imam, M.A., Fraker, A.C., Titanium alloys as implant materials, in Corossion and

degradation of implant materials, Syrett and Acharya, Eds. American Society for

Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1979, pag. 3-16

[18] Neuberger, B.W., Dynamic of near-alfa titanium welding, dissertation submitted to

the Faculty of the Graduate School of the University of Maryland, 2004, pag. 1-24

[19] Collings, E.W., Boyer, R., Welsch, G., Materials properties handbook. Titanium

alloys, ASM International 1994, pag. 3-170, 483-609

[20] Nocivin, A., Stiinșa materialelor. Caiet de studiu individual, Universitatea Ovidius,

Constanța, 2010, pag. 24-31, 177-290

[21] S.Gâdea, M. Protopopescu,: Aliaje neferose, Editura Tehnică, București 1965

[22] Constantin Dumitrescu, Rami Șaban,: Metalurgie fizică; Tratamente termice, Editura Fair Partners, București, 2001

[23] Tratat de știința și ingineria materialelor metalice, Volumul 1, Bazele științei materialelor, Editura Agir, București, 2012, pp. 1103-1114.

[24] N. Geru, Propietățile metalelor și metode fizice de control, Editura Didactică și pedagogică, București, 1967.

[25] V. Bulancea, St. Lăcătușu, I. Alexandru, Materiale metalice avansate utilizate în medicină, Editura Printech, București, 2007.