Abstract
In amputation surgery, osseointegration is the placement of a metal implant in the residual bone and is conducted with
an external prosthesis. In this study, the prospective application of Ti–13Nb–13Zr alloy in a transtibial osseointegrated
prosthesis was carefully examined. The alloy demonstrated favourable mechanical properties, such as strong mechanical
strength with an average yield strength of 482 MPa, ultimate tensile strength of 551.843 MPa and modulus of elasticity
of 74 GPa. In compression testing, the material showed its resilience to compressive loads, exhibiting 700 MPa yield
strength and 1010 MPa compressive strength. The elastic modulus of Ti–13Nb–13Zr alloy is approximately 55–65 GPa,
which is much closer to that of human bone (10–30 GPa) compared with that of Ti–6Al–4V alloy (110 GPa). This
proximity reduces stress shielding, a common issue in implants that a mismatch in stiffness between the implant and bone
leads to bone resorption. Analyses using the finite element method demonstrated uniform stress distribution, safety factors
and minimal deformation for a range of implant sizes, guaranteeing structural integrity and functionality. The maximal
von Mises stress on the tibia bone and implant did not surpass the yield tensile stress of the titanium alloy and bone, which
is 470 and 175 MPa, respectively; the maximum safety factor at L=120 and D=3 and the stress levels are not expected to
induce material failure. These findings bring up new possibilities for enhanced prosthetic design and use in the field of
biomedical engineering by demonstrating the alloy’s potential suitability for osseointegrated prosthetic applications.
an external prosthesis. In this study, the prospective application of Ti–13Nb–13Zr alloy in a transtibial osseointegrated
prosthesis was carefully examined. The alloy demonstrated favourable mechanical properties, such as strong mechanical
strength with an average yield strength of 482 MPa, ultimate tensile strength of 551.843 MPa and modulus of elasticity
of 74 GPa. In compression testing, the material showed its resilience to compressive loads, exhibiting 700 MPa yield
strength and 1010 MPa compressive strength. The elastic modulus of Ti–13Nb–13Zr alloy is approximately 55–65 GPa,
which is much closer to that of human bone (10–30 GPa) compared with that of Ti–6Al–4V alloy (110 GPa). This
proximity reduces stress shielding, a common issue in implants that a mismatch in stiffness between the implant and bone
leads to bone resorption. Analyses using the finite element method demonstrated uniform stress distribution, safety factors
and minimal deformation for a range of implant sizes, guaranteeing structural integrity and functionality. The maximal
von Mises stress on the tibia bone and implant did not surpass the yield tensile stress of the titanium alloy and bone, which
is 470 and 175 MPa, respectively; the maximum safety factor at L=120 and D=3 and the stress levels are not expected to
induce material failure. These findings bring up new possibilities for enhanced prosthetic design and use in the field of
biomedical engineering by demonstrating the alloy’s potential suitability for osseointegrated prosthetic applications.
Keywords
Bone attachment
Implants
Osseointegration
Prosthetics
Ti–13Nb–13Zr alloy.
Abstract
التكامل العظمي عبارة عن وضع غرسة معدنية في العظم المتبقي خالل الجراحة ويُستخدم مع طرف اصطناعي خارجي. دُرست بعناية إمكانية استخدام
سبيكة 13Zr-13Nb-Ti في األطراف االصطناعية المدمجة عظميًا عبر الظنبوب. أظهرت السبيكة خصائص ميكانيكية ممتازة، مثل قوة ميكانيكية عالية
بمتوسط مقاومة خضوع يبلغ 482 ميجا باسكال، وقوة شد قصوى تبلغ 843.551 ميجا باسكال، ومعامل مرونة يبلغ 74 جيجا باسكال. ومن خالل اختبار
الضغط، أظهرت المادة أي ًضا مرونتها في تحمل األحمال االنضغاطية، حيث أظهرت مقاومة خضوع تبلغ 700 ميجا باسكال وقوة ضغط تبلغ 1010 ميجا
باسكال. يتراوح معامل المرونة المنخفض لسبائك 13Zr-13Nb-Ti بين 55 و65 جيجا باسكال تقريبًا، وهو أقرب بكثير إلى عظام اإلنسان )10-30 جيجا
باسكال( مقارنةً 4V-6Al-Ti( 110 جيجا باسكال(. هذا يُقلل من حجب اإلجهاد، وهي مشكلة شائعة في الغرسات، حيث يؤدي عدم تطابق صالبة بسبائك
الغرسة مع العظم إلى ارتشاف العظم. أظهرت التحليالت باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM (توزيعًا موحدًا لإلجهاد، وعوامل أمان، وتشوهات طفيفة
لمجموعة من أحجام الغرسات، مما يضمن سالمة الهيكل ووظائفه. لم يتجاوز أقصى إجهاد فون ميزس على عظم الظنبوب والغرسة إجهاد الشد الناتج عن
الخضوع لسبائك التيتانيوم والعظم، والذي يبلغ 470 ميجا باسكال و175 ميجا باسكال على التوالي، وهو أقصى عامل أمان عند3=D 120=L ، ومن غير
المتوقع أن تُسبب مستويات اإلجهاد فشل المادة. تُتيح هذه النتائج إمكانيات جديدة لتصميم األطراف االصطناعية واستخدامها بشكل أفضل في مجال الهندسة
الطبية الحيوية من خالل إثبات مالءمة السبائك المحتملة لتطبيقات األطراف االصطناعية ال ُمدمجة في العظم.
سبيكة 13Zr-13Nb-Ti في األطراف االصطناعية المدمجة عظميًا عبر الظنبوب. أظهرت السبيكة خصائص ميكانيكية ممتازة، مثل قوة ميكانيكية عالية
بمتوسط مقاومة خضوع يبلغ 482 ميجا باسكال، وقوة شد قصوى تبلغ 843.551 ميجا باسكال، ومعامل مرونة يبلغ 74 جيجا باسكال. ومن خالل اختبار
الضغط، أظهرت المادة أي ًضا مرونتها في تحمل األحمال االنضغاطية، حيث أظهرت مقاومة خضوع تبلغ 700 ميجا باسكال وقوة ضغط تبلغ 1010 ميجا
باسكال. يتراوح معامل المرونة المنخفض لسبائك 13Zr-13Nb-Ti بين 55 و65 جيجا باسكال تقريبًا، وهو أقرب بكثير إلى عظام اإلنسان )10-30 جيجا
باسكال( مقارنةً 4V-6Al-Ti( 110 جيجا باسكال(. هذا يُقلل من حجب اإلجهاد، وهي مشكلة شائعة في الغرسات، حيث يؤدي عدم تطابق صالبة بسبائك
الغرسة مع العظم إلى ارتشاف العظم. أظهرت التحليالت باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM (توزيعًا موحدًا لإلجهاد، وعوامل أمان، وتشوهات طفيفة
لمجموعة من أحجام الغرسات، مما يضمن سالمة الهيكل ووظائفه. لم يتجاوز أقصى إجهاد فون ميزس على عظم الظنبوب والغرسة إجهاد الشد الناتج عن
الخضوع لسبائك التيتانيوم والعظم، والذي يبلغ 470 ميجا باسكال و175 ميجا باسكال على التوالي، وهو أقصى عامل أمان عند3=D 120=L ، ومن غير
المتوقع أن تُسبب مستويات اإلجهاد فشل المادة. تُتيح هذه النتائج إمكانيات جديدة لتصميم األطراف االصطناعية واستخدامها بشكل أفضل في مجال الهندسة
الطبية الحيوية من خالل إثبات مالءمة السبائك المحتملة لتطبيقات األطراف االصطناعية ال ُمدمجة في العظم.