New generation of joint implants manufactured from a beta titanium alloy
Project goals
The demand for hip joint prostheses with prolonged life-time increases with increasing length of the human life and the increasing activity of seniors. The longest implant life-time is achieved for so-called non-cemented implantation, where the metal prosthesis is implanted directly to the bone without using bone cement. This prosthesis type is almost exclusively manufactured from Ti6Al4V alloy, which fulfills strength requirements. Despite titanium is a biocompatible metal, the life-time of such implants is limited to 15-20 years. In a scientific literature, the utilization of a new class of Ti alloys – beta-Ti alloys – is discussed for more than two decades. The advantages include using biocompatible elements (Nb, Ta, Zr) and lower elastic modulus of such material. In the course of previous applied-research project, the proposer of this project – Beznoska Ltd. – in cooperation with RaD partners developed a new alloy (Ti-Nb-Ta-Zr-O). The alloy fulfills strength and biocompatibility requirements, but it was prepared only in the as-cast condition so far. The current issue is to specify and optimize the process of implant manufacturing, which will include advanced methods of metal forming. The aim of the project is to manufacture a prototype of implantable non-cemented hip joint prosthesis made of Ti-Nb-Ta-Zr-O alloy, which will conform to the technical standards. During the course of the project, these particular goals will be achieved: 1. Development of material plasticity model and its confirmation by plastometric tests 2. Development of appropriate thermomechanical treatment. 3. Investigation of the effect of forming on mechanical properties 4. Confirmation of applicability of surface treatments on the new alloy. 5. Design and realization of die-forging process 6. Manufacturing of testing implants (incl. surface treatments)- fatigue performance tests according to technical standards. 7. Implants manufacturing and preparation for clinical study.
Keywords
hip implanttitanium alloysformingmechanical propertiesbiocompatibility
Public support
Provider
Ministry of Industry and Trade
Programme
TRIO
Call for proposals
TRIO 2 (SMPO201700001)
Main participants
BEZNOSKA, s.r.o.
Contest type
VS - Public tender
Contract ID
FV20147
Alternative language
Project name in Czech
Nová generace kloubních implantátů vyrobených z beta slitiny Ti
Annotation in Czech
Předkládaný projekt řeší problém omezené životnosti endoprotéz kyčelního kloubu. S rostoucí délkou lidského života a se zvyšující se aktivitou seniorů rostou nároky na implantáty především z hlediska životnosti. Pro necementovanou implantaci, kdy je implantát vsazen přímo do kosti bez využití kostního cementu, se téměř výhradně využívá slitina Ti6Al4V. Titan patří mezi vysoce biokompatibilní kovy a slitina Ti6Al4V splňuje nároky z hlediska pevnosti, únavové odolnosti a korozní odolnosti. Přesto je životnost těchto implantátů omezena na 15-20 let. Ve vědecké literatuře se již dvě desetiletí diskutuje o využitelnosti tzv. beta slitin titanu. Výhodnost beta slitin Ti spočívá především ve využití vysoce biokompatibilních prvků (Nb, Ta, Zr) a v nižším modulu pružnosti materiálu. Této problematice se věnoval navrhovatel projektu, firma Beznoska s.r.o., v rámci již ukončeného projektu TAČR. Výsledkem spolupráce s vědeckými partnery je návrh slitiny Ti-Nb-TaZr-O, kterou se dosud podařilo připravit v litém stavu. Slitina splňuje očekávané nároky na pevnost a biokompatibilitu. Aktuálním problémem je specifikace optimální metody výroby implantátu. Nezbytným mezikrokem je příprava tvářeného stavu slitiny. Cílem projektu je vyrobit prototyp plně funkční tj. implantabilní necementované náhrady kyčelního kloubu z tvářeného stavu slitiny Ti-Nb-Ta-Zr-O, která bude vyhovovat zákonným požadavkům a normám. V rámci řešení projektu budou dosaženy zejména tyto dílčí cíle: 1. Vytvoření materiálového modelu a jeho ověření plastometrickými zkouškami slitin. 2. Návrh a ověření vhodné tvářecí procedury a tepelného zpracování. 3. Experimentální a teoretický popis vlivu tváření na mechanické vlastnosti. 4. Ověření proveditelnosti povrchových úprav na nové slitině. 5. Návrh a realizace zápustkového kování. 6. Výroba testovacích kusů implantátu, vč. povrchových úprav. Zkoušky únavové odolnosti výsledného implantátu v souladu s normou. 7. Příprava implantátu pro klinické zkoušky.
Scientific branches
R&D category
AP - Applied research
CEP classification - main branch
JP - Industrial processes and processing
CEP - secondary branch
FI - Traumatology and orthopaedics
CEP - another secondary branch
—
20501 - Materials engineering
20705 - Remote sensing
20706 - Marine engineering, sea vessels
20707 - Ocean engineering
30211 - Orthopaedics
Completed project evaluation
Provider evaluation
U - Uspěl podle zadání (s publikovanými či patentovanými výsledky atd.)
Project results evaluation
As part of the project, a prototype of a fully functional, i.e. implantable, uncemented hip replacement made of Ti-Nb-Ta-Zr-O alloy was developed, manufactured and tested, which complies with legal requirements and standards.
Solution timeline
Realization period - beginning
Jul 1, 2017
Realization period - end
Jun 30, 2021
Project status
U - Finished project
Latest support payment
Apr 6, 2021
Data delivery to CEP
Confidentiality
C - Předmět řešení projektu podléhá obchodnímu tajemství (§ 504 Občanského zákoníku), ale název projektu, cíle projektu a u ukončeného nebo zastaveného projektu zhodnocení výsledku řešení projektu (údaje P03, P04, P15, P19, P29, PN8) dodané do CEP, jsou upraveny tak, aby byly zveřejnitelné.
Data delivery code
CEP22-MPO-FV-U
Data delivery date
Jun 10, 2024
Finance
Total approved costs
19,315 thou. CZK
Public financial support
12,940 thou. CZK
Other public sources
300 thou. CZK
Non public and foreign sources
6,076 thou. CZK
Recognised costs
19 315 CZK thou.
Public support
12 940 CZK thou.
0%
Provider
Ministry of Industry and Trade
CEP
JP - Industrial processes and processing
Solution period
01. 07. 2017 - 30. 06. 2021