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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11874 (2022) Diesen Artikel zitieren
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Ti und seine Legierungen sind aufgrund ihrer hervorragenden Kombination aus chemischen und mechanischen Eigenschaften, Biokompatibilität und Ungiftigkeit für den menschlichen Körper die am häufigsten verwendeten metallischen Biomaterialien. Die derzeit verfügbaren Legierungen weisen jedoch im Vergleich zu menschlichem Knochen noch einige Probleme auf, wie z. B. die Zytotoxizität von Al und V sowie hohe Elastizitätsmodulwerte. Legierungen vom β-Typ haben im Vergleich zu Ti-Legierungen vom α-Typ und (α + β)-Typ einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine höhere mechanische Festigkeit. Anschließend werden neue biomedizinische β-Typ-Legierungen mit nicht zytotoxischen Legierungselementen wie Mo und Nb entwickelt. Daher wurden Legierungen des Ti-5Mo-xNb-Systems durch Argon-Lichtbogenschmelzen hergestellt. Die chemische Zusammensetzung wurde durch EDS-Analyse bewertet und die Dichtemessungen wurden nach der Methode von Archimedes durchgeführt. Die Struktur und Mikrostruktur der Legierungen wurden durch Röntgenbeugung sowie optische und Rasterelektronenmikroskopie ermittelt. Die Mikrohärtewerte wurden analysiert und MTT- und Kristallvioletttests wurden durchgeführt, um ihre Zytotoxizität zu beurteilen. Mit zunehmender Nb-Konzentration nimmt auch das Vorhandensein der β-Ti-Phase zu, wobei die Ti-5Mo-30Nb-Legierung eine einzelne β-Ti-Phase aufweist. Im Gegensatz dazu nimmt die Mikrohärte der Legierungen mit der Zugabe von Nb ab, mit Ausnahme der Ti-5Mo-10Nb-Legierung, deren Mikrohärte wahrscheinlich aufgrund der Ausscheidung der ω-Phase zunimmt. Biologische In-vitro-Tests zeigten, dass die Legierungen nicht zytotoxisch sind.
Heutzutage nimmt die Zahl älterer Menschen weltweit zu. Folglich steigt auch die Nachfrage nach Materialien zum Ersatz von hartem Gewebe, wie z. B. Hüft- und Knieimplantaten, um eine bessere Lebensqualität und klinische Behandlung altersbedingter Krankheiten zu ermöglichen1,2. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher mechanischer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit, niedrigem Elastizitätsmodul und ausgezeichneter Biokompatibilität werden Ti-Legierungen häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt3. CP-Ti und Ti-6Al-4 V-Legierungen werden häufig als Implantatmaterialien verwendet4. Studien haben jedoch gezeigt, dass V-Ionen zytotoxisch sind und Nebenwirkungen im Körper hervorrufen können, während Al-Ionen neurologische Störungen wie die Alzheimer-Krankheit auslösen können2,5. Daher werden neue Legierungen ohne Al und V entwickelt, die die bereits bekannten Eigenschaften von Ti-Legierungen beibehalten. Um dieses Problem zu lösen, werden ungiftige und nicht allergene β-stabilisierende Elemente wie Ta, Zn, Sn, Nb und Mo verwendet. Diese Elemente ergeben Ti-Legierungen mit hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem Elastizitätsmodul6.
Obwohl einige Studien darauf hinweisen, dass die Freisetzung von Mo-Ionen toxisch sein kann7,8, zeigen andere, dass Mo-haltige Ti-Legierungen eine ausgezeichnete Biokompatibilität9 aufweisen, wie z. B. Ti-15Mo10, Ti-15Mo-5Mn11 und Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF)12 . Andere Studien haben gezeigt, dass Mo-haltige Ti-Legierungen eine gute mechanische Kompatibilität13 aufweisen, wie z. B. Ti-Mo14 und Ti-Mo-Ta15. Auch Karthega et al.16, Oliveira et al.17 und Zhou et al.18 zeigten, dass Ti-Mo-Legierungen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber simulierten Körperflüssigkeiten aufweisen13. Andere Studien haben gezeigt, dass Ti-Mo-Nb-Legierungen gute mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit19,20,21 und eine ausreichende In-vitro-Biokompatibilität22 aufweisen. Mo ist außerdem ein stark β-stabilisierendes Element. Daher können hohe Konzentrationen zu einer erhöhten atomaren Bindungsenergie führen, was tendenziell zu einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls der Legierungen führt23. Aufgrund der geringen Anzahl von Studien mit ternären Legierungen aus Ti-Mo-Nb mit niedriger Mo-Konzentration variierte der Nb-Gehalt von niedrigen zu hohen Gehalten und zielte darauf ab, einen Anstieg des Elastizitätsmoduls der Legierungen und eine mögliche Zytotoxizität zu vermeiden Mo wurde gewählt, um mit nur 5 Gewichtsprozent Mo-Element in den Legierungen zu arbeiten.
Darüber hinaus verfügt Brasilien über etwa 90 % der weltweiten Niobressourcen, was etwa 95 % der weltweiten Produktion ausmacht. Daher ist es aus wirtschaftlicher und strategischer Sicht von entscheidender Bedeutung, in die Forschung im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Entwicklung niobhaltiger Legierungen zu investieren, da Brasilien bei den weltweiten Ressourcen dieses Metalls führend ist24,25.
In dieser Studie wurde ein neuartiges Ti-Mo-xNb-Legierungssystem (x = 0, 10, 20 und 30 Gew.-%) durch Argon-Lichtbogenschmelzen hergestellt, um die Wirkung von Nb auf die mechanischen Eigenschaften von Legierungen mit einem geringen Anteil an zu bewerten Mo.
Tabelle 1 zeigt die durch EDS erhaltene chemische Zusammensetzung. Es ist zu beobachten, dass die chemische Zusammensetzung nahe den Nominalwerten blieb. Abbildung 1 zeigt das EDS-Spektrum für jeden untersuchten Gussblock, wobei nur Peaks der Legierungselemente (Ti, Mo und Nb) beobachtet werden, was auf eine gute Qualität der hergestellten Proben hinweist. Abbildung 2 zeigt die EDS-Elementkartierungen jeder hergestellten Legierung nach dem Schmelzen. Es ist zu beobachten, dass die Elemente gut verteilt sind. Es wurden keine agglomerierten oder entmischten Elemente beobachtet, was die hervorragende Homogenität der Barren zeigt. Zur besseren Visualisierung wurden die Elemente des untersuchten Systems mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet: Ti als Rot, Mo als Grün und Nb als Blau.
Qualitative chemische Analyse von Ti-5Mo-Nb-Systemlegierungen im Gusszustand durch EDS.
Chemische Kartierung der Elemente Ti (rot), Mo (grün) und Nb (blau) der Ti-5Mo-Nb-Systemlegierungen im Gusszustand durch EDS.
Abbildung 3 zeigt den Vergleich zwischen der gemessenen Dichte und der jeweils berechneten theoretischen Dichte der Legierungen. Die theoretische und experimentelle Dichte blieben nahe beieinander, ein Beweis für eine geeignete Stöchiometrie der hergestellten Legierungen.
Vergleich zwischen den theoretischen und experimentellen Dichten der Legierungen des Ti-5Mo-Nb-Systems.
Mit zunehmendem Nb-Gehalt der Legierungen wird ein Anstieg der Dichte beobachtet, der von 4,66 g/cm3 für die Ti-5Mo-Legierung bis zu 5,48 g/cm3 für die Ti-5Mo-30Nb-Legierung reicht. Dieser Anstieg war darauf zurückzuführen, dass die Dichte der Legierungselemente Mo (10,22 g/cm3) und Nb (8,58 g/cm3) höher war als die Dichte von Ti (4,54 g/cm3)26.
Die Dichtewerte der untersuchten Legierungen blieben im Vergleich zu anderen metallischen Biomaterialien wie AISI 316L (7,93 g/cm3) und CoCr-Legierungen (9,2 g/cm3) niedrig und liegen relativ nahe am CP-Ti (4,5 g). /cm3) und Ti-6Al-4 V-Legierung (4,42 g/cm3)27.
Die Röntgenmuster sind in Abb. 4 dargestellt. Die Ti-5Mo-Legierung im Gusszustand besteht hauptsächlich aus der α'-Phase (63 %), weist außerdem 22 % der α''-Phase und einen kleinen Anteil der β-Phase auf ( 15 %). Wenn der Legierung 10 Gew.-% Nb zugesetzt werden, sind immer noch die drei Phasen von Ti vorhanden, aber die Menge an α''- und β-Phasen erhöht sich auf 50 % bzw. 38 % mit abnehmender Tendenz bis 12 % der α'-Phase. Die als metastabile β-Legierung vorhergesagte Ti-5Mo-20Nb-Legierung zeigte Peaks der orthorhombischen α-Phase (40 %) und der β-Phase (60 %). Schließlich wies die Ti-5Mo-30Nb-Legierung nur Peaks der β-Phase auf So wurde beobachtet, dass es mit der Nb-Zugabe zu einer Erhöhung des β-Phasengehalts in der Mikrostruktur der Ti-5Mo-xNb-Systemlegierungen kommt und es mit 30 Gew.-% Nb möglich ist, eine zu erhalten Legierung mit überwiegender β-Phase nach dem Schmelzen.
Röntgendiffraktogramme von Ti-5Mo-Nb-Systemlegierungen im Gusszustand.
Obwohl es einfachere Darstellungen der Legierungen Ti-Mo28,29 und Ti-Nb30,31 gibt, zeigt das von Zhang et al.30,31 vorgeschlagene Diagramm das breite Spektrum an Übergangszuständen und Phasenumwandlungen aufgrund des breiten α + β-Feldes. Bei niedrigen Temperaturen wird für alle Nb-Konzentrationen eine ω-Phasenbildung gezeigt. Für Konzentrationen unter bzw. über 14 Gew.-% Nb30 wurde dem Diagramm zusätzlich die Bildung der Martensitphase α' und α'' hinzugefügt. Dieser Phasenwechsel von α' zu α'' trat bei den untersuchten Legierungen zwischen 10 und 20 Gew.-% auf von Nb.
Durch hohe Abkühlgeschwindigkeiten entsteht aus dem β-Phasenfeld die α'-Martensitphase. Seine Mikrostruktur, die durch eine grobe nadelförmige Morphologie gekennzeichnet ist, ist auf das Fehlen eines Diffusionswachstums von der β- zur α-Phase zurückzuführen32. Die martensitische α"-Phase, die ebenfalls durch eine nadelförmige Morphologie gekennzeichnet ist, jedoch dünner als die α'-Phase, kann durch äußere mechanische Verformung oder hohe Abkühlgeschwindigkeiten erzeugt werden und entsteht, wenn die Konzentration an β-stabilisierenden Elementen höher ist als in der α'-Phase32. Die ω-Phase kann durch mechanische Verformung, schnelles Abkühlen oder thermische Alterungsbehandlung32,33 gebildet werden.
Die OM- und SEM-Bilder sind in Abb. 5 dargestellt und stimmen mit den Röntgenergebnissen überein. In der Mikrostruktur der Ti-5Mo- und Ti-5Mo-10Nb-Legierungen wurden neben den für die β-Phase charakteristischen Korngrenzen auch feine und grobe nadelförmige Nadeln identifiziert, die typisch für die α''- bzw. α'-Phase sind. 5Mo-20Nb- und Ti-5Mo-30Nb-Legierungen weisen nur gleichachsige Korngrenzen auf, die für die β-Phase charakteristisch sind34,35.
OM, mit 1000-facher Vergrößerung (links) und REM, mit 4000-facher Vergrößerung (rechts) von Ti-5Mo (a), Ti-5Mo-10Nb (b), Ti-5Mo-20Nb (c)-Legierungen und im Gusszustand Ti-5Mo-30Nb (d)-Legierungen.
Die Vickers-Mikrohärtewerte der Legierungen sind in Abb. 6 dargestellt. Alle Legierungen haben eine Mikrohärte, die größer als CP-Ti (148 HV) ist, wie in der roten Referenzlinie dargestellt. Durch die Zugabe von 10 % Nb erhöht sich der Mikrohärtewert von 300 auf 515 HV. Xu et al.19 untersuchten die Legierungen des Ti-15Mo-xNb-Systems und stellten auch einen Anstieg des Mikrohärtewerts der Legierung mit 10 % Nb fest, der durch die Bildung der ω-Phase verursacht werden kann, die das Material härter und spröde macht36 ,37,38. Durch die Zugabe von 20 % und 30 % Nb kommt es zu einer Reduzierung der Mikrohärtewerte auf 330 HV bzw. 200 HV. Diese Verringerung kann durch die Zunahme der β-Phase in diesen Legierungen erklärt werden, die dazu neigt, die Härtewerte der Legierungen zu verringern, da die Zunahme der β-Stabilisatorelemente die chemische Bindungsstärke verringert und die plastische Verformung erleichtert39,40,41. Die Reduzierung der Mikrohärte der Legierungen ist wichtig, da sie ihre mechanische Konformation erleichtert39. Die Mikrohärte der Ti-5Mo-Legierung blieb nahe bei AISI 316L (289 HV) und Ti-6Al-4 V (304 HV), während die Ti-5Mo-30Nb-Legierung deutlich unter diesen gleichen metallischen Biomaterialien blieb.
Vickers-Mikrohärte von Ti-5Mo-xNb-Systemlegierungen im Gusszustand im Vergleich zu anderen metallischen Biomaterialien.
Die Struktur der Knochen ist dynamisch und ihr Gewebe kann je nach der ausgeübten Belastung variieren42. Tabelle 2 zeigt die Vickers-Mikrohärtewerte der untersuchten Legierungen im Vergleich zum Durchschnitt menschlicher Kortikalis.
Gemäß der ISO10993-Norm44 gilt ein Biomaterial nur dann als zytotoxisch, wenn die Zelllebensfähigkeit unter 70 % liegt. Die untersuchten Legierungen zeigten keinen zytotoxischen Effekt (Abb. 7, linkes Feld). Die Zellen im Kulturmedium blieben auch nach der Konditionierung an die Legierungen lebensfähig, was durch die Aktivierung des zellulären mitochondrialen Signalwegs beobachtet werden kann, den MTT analysiert.
Zelllebensfähigkeits- (links) und Adhäsionstests (rechts) von Ti-5Mo-Nb-Systemlegierungen im Gusszustand und einigen anderen metallischen Biomaterialien.
In Bezug auf die Zelladhäsion lagen alle analysierten Legierungen prozentual über denen der Kontrollgruppe, wie in Abb. 7 dargestellt, was einen Stimulus für die Zelladhäsion im analysierten Kulturmedium zeigt, einen wesentlichen Faktor für das Überleben der Zellen. Die beim Vergleich der untersuchten Legierungen festgestellten Unterschiede könnten mit der Fähigkeit dieser Legierungen zusammenhängen, mit dem Zellkulturmedium zu interagieren, sobald sie in der Lage sind, Elemente mit weiterer dynamischer Fähigkeit zur Modifizierung der Zellleistung freizusetzen, wie wir bereits früher durch die Bewertung anderer Legierungen berichtet haben45. 46,47. Kurz gesagt, die aus den Legierungen freigesetzten Elemente müssen unterschiedliche intrazelluläre Signale auslösen, vor allem solche, die mit der Integrinaktivierung zusammenhängen und das Gleichgewicht der Wirkungen von Kinasen und Phosphatasen erfordern48,49, aber neue experimentelle Ansätze müssen weiter in Betracht gezogen werden, um diesen Mechanismus besser zu verstehen. Es muss jedoch erwähnt werden, dass alle untersuchten Legierungen im Vergleich zur Kontrolle eine höhere Adhäsion förderten, wenn die Zellen unter klassischen Zellkulturbedingungen gehalten wurden.
Aus den erhaltenen Ergebnissen folgt Folgendes:
Die semiquantitative chemische Zusammensetzung durch EDS bestätigt die hervorragende Qualität der hergestellten Barren und dass die Bestandteile der Proben nahe an den ursprünglich vorgeschlagenen Nominalzusammensetzungen liegen.
Die chemische Kartierung der Proben zeigt keine Agglomerate oder getrennten Elemente, was auf eine gute Homogenität der hergestellten Barren hinweist.
Die Dichte der Legierungen blieb niedrig und näherte sich der von CP-Ti und nahm mit zunehmender Niobmenge zu.
Die Mikrostruktur der Legierungen reagierte empfindlich auf die Zugabe von Nb: Die Menge der β-Phase nahm mit zunehmendem Nb-Gehalt der Legierungen zu, während die Ti-5Mo-30Nb-Legierung nur diese Phase aufwies.
Die Vickers-Mikrohärtewerte nahmen mit zunehmendem Nb-Gehalt ab, mit Ausnahme von Ti-5Mo-10Nb, dessen Mikrohärte wahrscheinlich aufgrund des Vorhandenseins einer ω-Phase in seiner Mikrostruktur zunahm.
Zytotoxizitätstests zeigen, dass die Legierungen keine zytotoxische Wirkung haben und die Zellen lebensfähig halten, wodurch die Zelladhäsion stimuliert wird, was darauf hindeutet, dass die Legierungen ein großes Potenzial als Biomaterialien für den Einsatz im Gesundheitsbereich haben. Kontaktwinkelmessungen können eine bessere Analyse der Zelladhäsion ermöglichen.
Die Proben wurden unter Verwendung von kommerziell reinem Ti Grad 2 (CP-Ti, Sandinox), Mo (99,9 % Reinheit, Sigma-Aldrich) und Nb (99,8 % Reinheit, Sigma-Aldrich) als Vorläufermaterialien hergestellt. Die Metalle wurden in der nominellen Zusammensetzung jeder Legierung getrennt. Barren mit etwa 60 g wurden in einem Lichtbogenschmelzofen mit einer Wolframelektrode in einer inerten und kontrollierten Argongasatmosphäre geschmolzen. Um die Homogenität jeder Probe sicherzustellen, wurden die Barren fünfmal umgeschmolzen.
Nach dem Schmelzen wurden die Barren chemisch charakterisiert, wobei die Messung der chemischen Zusammensetzung mit der Methode der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) unter Verwendung eines mit einer REM-Ausrüstung gekoppelten Oxford, INCA-Modelldetektors durchgeführt wurde. Darüber hinaus wurden die Dichtewerte der Proben nach der Methode von Archimedes in einer digitalen Waage gemessen.
Struktur- und Mikrostrukturanalysen wurden mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), optischer Mikroskopie (OM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Die XRD-Messungen wurden an einem Panalytical X'Pert-Pro-Modell mit Cu-Kα-Strahlung, 30 mA Strom, 40 kV Potential und zeitkontinuierlichem Modus durchgeführt. OM- und SEM-Bilder wurden in einem optischen Mikroskop (Modell Olympus BX51M) und einem Carl-Zeiss-Mikroskop (Modell EVO-015) aufgenommen. Die Rietveld-Verfeinerung der XRD-Muster wurde mit der GSAS-Software50 mit der EXPEGUI-Schnittstelle51 unter Verwendung der kristallographischen Datenblätter metallischer Titanphasen52 durchgeführt, und eine Standard-Ti-cp-Probe wurde verwendet, um den experimentellen Beitrag der Ausrüstung zu eliminieren23.
Mikrohärtemessungen wurden mit einem Shimadzu HMV-2-Modellgerät durchgeführt, mit fünf Eindrücken in jeder Probe, einer Belastung von 25 gf und einer Dauer von 10 s. Die Messungen wurden auf Basis des ASTM E92-Standards53 durchgeführt.
Es wurden biologische Tests von MTT und Kristallviolett durchgeführt, um die Lebensfähigkeit und Adhäsion der Zellen bei Kontakt mit Proben der hergestellten Legierungen zu überprüfen. Um das zytotoxische Potenzial der Legierungen zu überprüfen, wurden sie gemäß der Norm ISO 10.99344 24 Stunden lang in Zellkultur gehalten. Nach der Konditionierungsperiode wurde das Zellkulturmedium (αMEM; Sigma) gesammelt und mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS) (Nutricell, Campinas, SP, Brasilien) ergänzt und 24 Stunden lang zur Behandlung von Präosteoblasten verwendet. Die Präosteoblasten (MC3T3-E1, Subklon 4) wurden von ATCC erhalten und in dieser Studie gemäß den Empfehlungen des Herstellers aufbewahrt. Kurz gesagt, die Zellen wurden bei 37 °C und 95 % Luftfeuchtigkeit in 5 % CO2 in einem Inkubator mit einem spezifischen Zellkulturmedium gehalten, das Antibiotika (100 U/ml Penicillin, 100 mg/ml Streptomycin) enthielt, ergänzt mit 10 % fötalem Rinderserum. Die Zellen wurden 24 Stunden vor der Behandlung in einer 96-Well-Platte und mit einer Dichte von 5 × 104 Zellen/ml ausplattiert. Nach der ermittelten Einwirkungszeit der konditionierten Zellkultur wurde die Lebensfähigkeit dieser Zellen mit dem MTT-Test gemessen. Wo das Kulturmedium entfernt wurde, wurde 1 mg/ml Thiazolylblau-Tetrazoliumbromidsalz (Sigma Aldrich #M5455-1G) zugegeben und für weitere 3 Stunden in einen Ofen gestellt. Nach diesem Zeitraum wurde die Zellkultur entfernt und 0,1 ml DMSO zugegeben, um den von den lebensfähigen Zellen gebildeten Farbstoff zu solubilisieren. Anschließend wurde die Absorption bei 570 nm mit einem Biotek SYNERGY-HTX Multimode-Mikroplattenlesegerät gemessen.
Für Zelladhäsionstests wurden Präosteoblasten mit durch die Legierungen konditionierten Medien plattiert. Die Zellen wurden in 96-Well-Platten mit einer Dichte von 5 × 104 Zellen/ml ausgesät. Nach 24 Stunden wurde das Medium entfernt und die Haftung durch Einarbeitung von Kristallviolett gemessen. Die Absorption wurde bei 540 nm in einem Biotek-Mikroplattenlesegerät gemessen. Die Ergebnisse wurden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) dargestellt. Sie wurden mithilfe der einfaktoriellen ANOVA (parametrisch) mit Tukey-Posttest verifiziert, um alle Gruppenpaare zu vergleichen. In diesem Fall wurde p < 0,05 als statistisch signifikant und p < 0,0001 als hochsignifikant angesehen. Die verwendete Software war GraphPad Prism 7.
Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind beim entsprechenden Autor erhältlich.
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Die Autoren danken Professor Oscar Balancin und Rover Belo (UFSCar) für den Einsatz von Warmwalzgeräten. Diese Studie wurde teilweise von der Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel – Brasilien (CAPES) – Finanzcode 001, CNPq (Zuschuss Nr. 308.204/2017-4) und FAPESP (Zuschuss Nr. 2015/50.280-5 und 2020/03.257) finanziert -6).
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Giovana Collombaro Cardoso, Dante Oliver Guim Corrêa, Diego Rafael Nespeque Correa und Carlos Roberto Grandini
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Marília Afonso Rabelo Buzalaf
IFSP – Bundesinstitut für Bildung, Wissenschaft und Technologie von São Paulo, Sorocaba, SP, 18.095-410, Brasilien
Diego Rafael Nespeque Correa
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Korrespondenz mit Carlos Roberto Grandini.
Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.
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Nachdrucke und Genehmigungen
Cardoso, GC, de Almeida, GS, Corrêa, DOG et al. Herstellung und Charakterisierung neuartiger Ti-Mo-Nb-Legierungen im Gusszustand für biomedizinische Anwendungen. Sci Rep 12, 11874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8
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Eingegangen: 14. März 2022
Angenommen: 13. Juni 2022
Veröffentlicht: 13. Juli 2022
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8
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