Титан в медицине

Конструкторов медицинской техники, медицинского инструментария и врачей разных профессий в новом конструкционном металле привлекают прежде всего биологическая инертность по отношению к организму живого существа в сочетании с высокими механическими свойствами, антикоррозионной стойкостью, а также дешевизна и доступность. Эти качества титана, усиленные специфическими свойствами, и обеспечили очень большой интерес к нему и интенсивное проведение конструкторских работ и клинических испытаний самых различных изделий. Известно, что по коррозионной стойкости во многих медицинских агрессивных средах титан не уступает платине; он стоек в растворах кислот и щелочей. Скорость коррозии титана в морской воде (по своему химическому составy очень похожей на лимфу) — 0,00002 мм/год или 0,02 мм в 1000 лет. Титан и его сплавы устойчивы и перекиси водорода, бензине, феноле, формальдегиде. После многократной стерилизации кипячением и обработки в автоклаве, многомесячной выдержки в 3%-ном растворе хлорамина, 96-градусиом этиловом спирте, растворе сулемы, трихлорэтилене следов коррозии на титановых сплавах не обнаружено. Точечная коррозия наблюдается у титановых сплавов лишь после пребывания в течение нескольких суток в 10%-ной спиртовой настойке йода.

Титан и его сплавы обладают высокой усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках, что очень важно при изготовлении внутрикостных фиксаторов, наружных и внутренних протезов, которые постоянно подвергаются переменным нагрузкам.

Титан — пластичный металл; он хорошо поддается механической обработке: резанию, сверлению, фрезерованию, шлифованию. Изготавливать из него различные конструкции не труднее, чем из нержавеющей стали. Титан — немагнитный материал с низкой электропроводностью, что особенно ценно, так как благодаря этому можно использовать физиотерапию для лечения больных, в организме которых находятся титановые конструкции. Все это делает титан весьма перспективным для широкого применения в медицине.

Но самым важным результатом многолетних и тщательных исследований оказалось то, что титан является инертным металлом по отношению к биологической среде. Конструкции из титановых сплавов хорошо переносится человеческим организмом, обрастает костной и мышечной тканью. Металл практически не корродирует в агрессивных средах человеческого тела, а структура тканей, окружающих титановые конструкции, не изменяется на протяжении длительного времени. Своей химической индифферентностью титан превосходит не только все нержавеющие стали, но и нашедший в последнее время широкое применение «виталлиум» — сплав на кобальтовой основе. Ценно, что технически чистый титан содержит гораздо меньше примесей, чем другие используемые в медицине сплавы.

Длительные и систематические исследования возможности использования титановых сплавов » медицинской технике были проведены во Всесоюзном научно-исследовательском институте хирургической аппаратуры и инструментов (ВНИИХАИ); в последние годы эти работы велись при участии Института титана и ряда отраслевых институтов и медицинских объединений. Первый опыт использования титановых сплавов для хирургических инструментов относится к 1905—1966 гг. Тогда металл применили при изготовлении имплантата глазного яблоки. После длительных поисков металла для имплантата остановились ни титановом сплаве марки ВТ5; изготовленные из него имплантаты были и 2 раза легче аналогичных, изготовленных из стали Х18Н9Т (при диаметре 20 мм имплантат из титана весил всего 0,0016 кг, а из стали — 0,0032кг). Клинические наблюдения и течение полутора лет и токсикологические исследования показали его биологическую инертность.

Успешное завершение работ по созданию имплантатов для протезирования культи глазного яблока, изготовленного из титана, позволило применить титан не только в конструкциях различных хирургических инструментов, рабочие части которых несут нагрузки.

В настоящее время разработаны и переданы в клинические учреждения на испытания хирургические инструменты более 200 наименований. Испытания приводятся в Институте хирургии им. А. В. Вишневского, клинике болезней уха, горла и носа Центрального института усовершенствования врачей, Московском научно-исследовательском институте глазных баржей нм. Гельмгольца, Центральном научно-исследовательском институте травматологии (ЦИТО), Запорожском институте усовершенствования врачей. На некоторые инструменты уже получены первые положительные отзывы врачей-специалистов.

При изготовлении инструментов были использованы титановые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, биологической инертностью, высокой прочностью, достаточной для некоторых типов инструментов твердостью, пластичностью и другими свойствами.

Основная задача, которая ставилась при конструировании инструментов из титана,— создание инструментов, по своим функциональным свойствам не уступающим, а превосходящим аналогичные, выполненные из нержавеющих сталей. Исследования показали, что, если для сохранения функциональных свойств образца изделия из титана требуется увеличить сечение более чем на 30% (по сравнению с инструментом из нержавеющей стали), то разработка такого инструмента нецелесообразна, кроме случаев, когда вес не является доминирующей характеристикой инструмента.

При конструировании неразборных инструментов (зажимов и пинцетов) для сохранения их функциональных свойств сечения некоторых элементов были увеличены на 10—30%, при этом вес их по сравнению с образцами из нержавеющей стали уменьшился на 30—35%. Твердость после термообработки составила HRC35—38.

Такие инструменты, как зеркала, крючки пластинчатые, ранорасширители и другие, которые при работе не испытывают больших нагрузок и рабочая площадь которых достаточно велика, были выполнены с сечениями, уменьшенными на 20—30%, что снизило их вес на 40—50%.

Режущие инструменты были выполнены комбинированными: съемные рабочие части — из соответствующей стали, ручки —из титановых сплавов. К этой группе относятся стамески, крючки хирургические, скальпели со съемными лезвиями и др.

Неразъемные режущие инструменты изготавливались из стали, ручки — из титановых сплавов. Элементы соединялись при помощи заклепок или прессовой посадки (ножницы, распаторы, стержневые инструменты).

Исследования показали, что титановые сплавы могут широко применяться там, где необходима очень высокая коррозионная стойкость медицинских инструментов и не требуется большой твердости. Невысокая твердость титана, отсутствие режущих свойств не дает пока возможности расширить его применение в хирургическом инструментарии. Следовательно, исследования возможности повышения твердости и придания режущих свойств титану — задача первостепенной важности. Трудность объясняется тем, что существующие в промышленности методы упрочнения титана в медицинской промышленности применять нельзя, так как к изделиям предъявляются совершенно особые требования. Кроме того, медицинские аппараты и инструменты работают в специфических условиях (в контакте с физиологическим раствором, йодом, стерилизуются путем кипячения в воде или в автоклавах при температуре до 200˚C и т. п.).

Во ВНИИХАИ были проведены специальные исследования по этому вопросу. Для увеличения твердости, износостойкости, снижения коэффициента трения были проведены термическая и химико-термическая обработки (азотирование и альфирование).

Процесс анодирования позволил получить на образцах (в дальнейшем — на изделиях) цветную пленку различных оттенков: золотистую, зеленую, синюю, фиолетовую, лиловую. Все они подвергались стерилизации путем кипячения в воде в течение 1800°С при шестикратном повторении. После каждого цикла стерилизации проводили визуальное наблюдение изменения цвета покрытия и появления пятен коррозии. Наиболее коррозионностойкой и прочной пленкой является оксидная пленка желтого (золотистого), фиолетового и лилового цветив.

Таким образом было установлено, что медицинские инструменты, изготовленные из титановых сплавов, на 20—30% легче таких же изделий из нержавеющей стали, обладают лучшей коррозионной стойкостью, более долговечны и удобны в работе. Сотрудниками ВНИИХАИ разработаны и изготовлены из титановых сплавов опытные партии для общей хирургии, оториноларингологии и стоматологии.

В состав комплекта для общей хирургии входят: пластинчатые пинцеты; кровоостанавливающие зажимы; пластинчатые двухсторонние крючки; печеночные зеркала; V-образный проволочный крючок; расширитель с кремальерой; скальпель со съемными лезвиями и др.— всего 27 наименований (общая масса инструмента — 1,59 кг).

В состав комплекта, предназначенного для оторииоларинго-логических операций, входит: трахеотомический крючок; рано-расширитель типа «Лира»; трахеотомический расширитель с пружиной; ушной штыкоойразный пинцет; стаместка Воячека; ушные воронки; ушные тампонные щипцы (масса указанных инструментов — 0.235 кг).

Комплект стоматологических инструментов, разработанный ВНИИХАИ, успешно прошел испытания в Центральном научно-исследовательском институте стоматологии.

Одним из довольно распространенных способов лечения переломов костей в настоящее время является металлический остеосинтез. Используемые дли остеосинтеза стержни обеспечивают полную неподвижность осколков и тем самым способствуют процессу консолидации перелома. Однако в дальнейшем у многих больных возникают осложнения, обусловленные применением конструкций из нержавеющей стали, структурная и химическая неоднородность которой в ряде случаев является причиной разрушения фиксаторов, что ведет к переломам конструкции. Продукты коррозии повреждают костную ткань; наблюдается также явления ионизации и электропроводности; ионы железа активно вступают во взаимодействие с физиологическими солями организма, вызывая реактнивное воспаление и боль. Таким образом, нержавеющая сталь, даже самая высококачественная, не является безупречным материалом для проведения остеосинтеза.

Изготовление костных фиксаторов из титана позволяет избежал, подобных осложнений за счет биологической нейтральности металла, что дает возможность использовать титановые конструкции для длительного и даже постоянного нахождения в человеческом организме. Это чрезвычайно важно, когда остеосинтез делается лицам пожилого возраста, так как использование нового металла избавляет пациента от операции по удалению фиксатора.

Использование титана дает возможность лечить околосуставные переломы, применяя конструкции сложной конфигурации, которые прежде не могли быть употреблены из-за трудностей по их удалению. В технике скелетного вытяжения начинают применять титановые скобы (клеммы).

Конструкции из титана в Советском Союзе успешно применяют В, И. Аверин (Ленинград), В. В. Волкова и Б, С. Гавриленко (Запорожье), С. И. Кутновский (Новосибирск), Н. К. Митюнин (Ленинград), Г. И. Татеосов (Мончегорск), Г. М. Фролов (Ленинград) и др.

Титан выгодно отличается от других, конкурирующих с ним, металлов не только своей биологической инертностью, но и ценными механическими свойствами. Чтобы обладать такой же прочностью на разрыв, какую имеет стержень титана диаметром 10 мм, железный стержень должен быть не менее 14 мм в диаметре. Титан является таким конструкционным материалом, который позволяет повысить прочность изделия, сохранив его размеры, или без потери прочности получить выигрыш в весе до 40% и значительно уменьшить объем конструкции. Это делает титан наилучшим металлом для внутренних протезов. Особенно эффективно применение титана в артопластике бедра.

Суставные протезы и другие конструкции из титановых сплавов успешно разрабатывают в СКВ Центрального института травматологии и ортопедии (г. Москва) под руководством проф. К. М. Сиваша.

В отечественной стоматологии при изготовлении зубных пластмассовых протезов для получения косметического эффекта используется белое кристаллическое вещество — двуокись титана. Однако в зубном протезировании можно широко применять не только соединение титана с кислородом, но и конструкционный титан — легкий, прочный, биологически инертный и хорошо поддающийся обработке металл.

В клинике челюстно-лицевой хирургии, руководимой доц. К. И. Татаринцевым (Запорожский институт усовершенствования врачей им, Горького), предложен и разработан новый метод лечения переломов нижней челюсти П-образными скобками из титана марки BT1-00. Он заключается в том, что с помощью разжимных ножек П-образных скобок обеспечивается прочное закрепление обломков челюсти в правильном положении. Только в 1971—1973 гг. предложенным методом излечено 50 больных с одно- и двусторонними переломами нижней челюсти. Результаты лечения свидетельствуют о том, что примененный метод значительно сокращает сроки заживления костной раны и временной потери трудоспособности.