Beta-Ti alloys for medical applications

• Thesis title in Czech: Slitiny na bázi beta-Ti pro využití v medicíně
• Thesis title in English: Beta-Ti alloys for medical applications
• Key words: slitiny Ti|mechanické vlastnosti|fázové transformace|termomechanické zpracování|tělní implantát
• English key words: Ti alloys|mechanical properties|phase transformations|thermomechanical treatment|medical implant
• Academic year of topic announcement: 2017/2018
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: doc. PhDr. RNDr. Josef Stráský, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 01.10.2018
• Date of assignment: 01.10.2018
• Confirmed by Study dept. on: 01.10.2018
• Date and time of defence: 26.09.2023 10:30
• Date of electronic submission: 18.07.2023
• Date of submission of printed version: 19.07.2023
• Date of proceeded defence: 26.09.2023
• Opponents: prof. RNDr. Miroslav Karlík, Dr.
• Advisors: prof. RNDr. Miloš Janeček, CSc.

Guidelines

1) Doktorand vypracuje rešerši dostupné literatury se zaměřením na fázové transformace ve slitinách Ti, mechanismy zpevnění ve slitinách titanu a biokompatibilitu slitin Ti.
2) Doktorand vypracuje přehled biokompatibilních slitin titanu navrhovaných pro využití v medicíně, popíše strategii vývoje vhodných slitin a navrhne složení slitiny pro výrobu laboratorních vzorků.
3) Doktorand bude podrobně charakterizovat vyrobené slitiny. Samostatně bude realizovat pozorování pomocí skenovací elektronové mikroskopie a měření mechanických vlastností. Doktorand bude spolupracovat na charakterizaci dalšími experimentálními technikami (rentgenová difrakce).
4) Doktorand se bude podílet na návrhu termomechanického zpracování, bude charakterizovat materiál po zpracování a diskutovat vliv termomechanického zpracování na mikrostrukturu, fázové transformace a mechanické vlastnosti.
5) Doktorand bude diskutovat fyzikální mechanismy, kterými lze popsat vztahy mezi chemickým složením materiálu, zpracováním materiálu, fázovým složením materiálu a mechanickými vlastnostmi.
6) Doktorand bude diskutovat využitelnost studovaných slitin pro výrobu tělních implantátů.

References

1) G. Lutjering, J.C. Williams: Titanium; Springer; 2007-
2) J. Stráský: Optimization of properties of Ti based alloys for biomedical and structural applications, Doctoral Thesis, 2014
3) J.I. Qazi, B. Marquardt, L.F. Allard, H.J. Rack: Phase transformations in Ti–35Nb–7Zr–5Ta–(0.06–0.68)O alloys. Materials Science and Engineering: C 25, 2005, 389 - 397
4) M. Tane, T. Nakano, S. Kuramoto, M. Hara, M. Niinomi, N. Takesue, T. Yano, H. Nakajima: Low Young’s modulus in Ti–Nb–Ta–Zr–O alloys: Cold working and oxygen effects. Acta Materialia 559, 2011, 6975–6988.
5) J.I. Qazi, H.J. Rack, B. Marquardt: High-strength metastable beta-titanium alloys for biomedical applications. Journal of Materials Science, 56, 2004, 49-51
6) M. Niinomi, M. Nakai, M. Hendrickson, P. Nandwana, T. Alam, D. Choudhuri, R. Banerjee: Influence of oxygen on omega phase stability in the Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alloy, Scripta Materialia 123, 2016, 144-14
7) J. Stráský, P. Harcuba, K. Václavová, K. Horváth, M. Landa, O. Srba, Miloš Janeček, Increasing strength of a biomedical Ti-Nb-Ta-Zr alloy by alloying with Fe, Si and O, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 71 (2017) 329-336
8) S. Bahl, S. Das, S. Suwas, K. Chatterjee, Engineering the next-generation tin containing β titanium alloys with high strength and low modulus for orthopedic applications, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 78 (2018) 124-133

Preliminary scope of work

Slitiny titanu jsou již desetiletí využívané v medicíně – zejména v ortopedii, chirurgii, traumatologii a v posledních letech ve stomatologii. Kromě tzv. komerčně čistého titanu se využívá slitina Ti6Al4V, která patří mezi alfa + beta slitiny. Slitina je při pokojové teplotě složená z hexagonální (hcp) alfa fáze a kubické prostorově centrované (bcc) beta fáze. Výzkum a vývoj nových slitin titanu se v posledních letech zaměřuje na slitiny na bázi beta-Ti, které jsou při pokojové tvořeny zejména (nebo výlučně) beta fází.
Tyto slitiny obsahují výhradně biokompatibilní prvky (Ti, Nb, Ta, Zr, Mo) a vykazují nižší modul pružnosti. Snížení modulu pružnosti materiálu přibližuje pružnost implantátu k pružnosti kosti a zejména v případě endoprotéz velkých kloubů se očekává skokové zvýšení životnosti implantátů.
Podstatnou nevýhodou dosud vyvinutých slitin je jejich nízká pevnost, kterou lze kompenzovat precipitačním žíháním (precipitace fáze alfa), které ovšem způsobí výrazný nárůst modulu pružnosti. Alternativní metodou zpevnění slitin je využití zvýšeného obsahu kyslíku, který způsobuje výrazné intersticiální zpevnění. Návrhem a charakterizací těchto slitin se dlouhodobě zabývá školitel této dizertační práce a slitina na bázi Ti-Nb-Ta-Zr-O byla v roce 2017 přihlášena do patentového řízení.
Z nedávných vlastních i převzatých výsledků vyplývá, že modul pružnosti materiálů vzrůstá s rostoucí stabilitou fáze beta vůči martenzitické transformaci a intersticiální kyslík stabilitu beta fáze zvyšuje (snižuje teplotu martenzitické transformace). Přiměřeným snížením obsahu beta stabilizačních prvků (Nb, Ta) lze snížit stabilitu beta fáze a ještě snížit modul pružnosti slitiny, aniž by došlo ke snížení pevnosti materiálu (která je kontrolována obsahem kyslíku). Předběžné výsledky potvrzují platnost tohoto konceptu.
Předmětem dizertační práce je na základě dostupných fyzikálních modelů navrhnout a následně experimentálně charakterizovat slitiny na bázi beta Ti pro využití v medicíně. Slitiny budou vyrobeny ve firmě UJP Praha a.s. (býv. Ústav jaderných paliv) na základě dlouhodobé spolupráce. Materiál bude následně charakterizován širokou škálou experimentálních technik dostupných na školícím pracovišti. Cílem práce je optimalizace chemického složení a termomechanického zpracování navržených slitin za účelem dosažení optimální kombinace pevnosti, únavové odolnosti a modulu pružnosti. Pro splnění tohoto cíle je nutné detailní porozumění známým fyzikálním mechanismům v těchto slitinách (vliv legujících prvků na fázové transformace, vliv termomechanického zpracování na fázové složení a mikrostrukturu, vliv fázového složení a mikrostruktury na mechanické vlastnosti materiálů) a podrobné studium dosud nevyjasněných mechanismů (např. nejasný vliv Zr na pevnost slitin beta-Ti obsahujících vyšší obsah kyslíku - tedy případných speciálních Zr-O interakcí).
Řešení práce vyžaduje podrobné porozumění fyzikální metalurgii komplikovaných slitin Ti a samostatné zvládnutí experimentálních metod (zejména skenovací elektronové mikroskopie vč. analytických metod, metod termální analýzy a komplexní testování mechanických vlastností).
Práce má výrazný aplikační přesah a bude řešena ve spolupráci s firmou Beznoska s.r.o., Kladno, která je předním českým výrobcem tělních implantátů. Náklady na realizaci dizertačního projektu budou spolufinancovány z projektu programu TRIO Ministerstva průmyslu a obchodu (07/2017 – 12/2020).