Materiale și aplicații din aliaje de titan biomedicale
Materiale și aplicații din aliaje de titan biomedicale
Materialele biomedicale din aliaj de titan se referă în mod specific la un tip de materiale structurale funcționale utilizate în inginerie biomedicală, în special pentru producția și fabricarea de implanturi chirurgicale și produse pentru dispozitive ortopedice. Producția și pregătirea materialelor de prelucrare a aliajelor de titan implică domeniile metalurgiei, prelucrării sub presiune, materialelor compozite și industriei chimice și este un produs de înaltă tehnologie recunoscut în lume. Titanul și aliajele de titan au intrat treptat în domeniul consumului civil din domeniile aerospațial, aviației și apărării naționale. Produse precum implanturi și dispozitive medicale în industria medicală și a sănătății; crose de golf din titan din industria sportului și agrementului, precum și rame de ochelari din titan, ceasuri de titan, biciclete din titan și alte produse, cererea de materiale prelucrate cu titan este în continuă creștere. Odată cu dezvoltarea viguroasă și progresele biotehnologiei, industria materialelor și produselor metalice biomedicale se va dezvolta într-o industrie pilon al economiei mondiale. Printre acestea, titanul și aliajele sale au cunoscut o creștere rapidă și constantă a cererii în ultimii ani, datorită proprietăților lor complete excelente, cum ar fi greutatea ușoară, modulul elastic scăzut, non-toxic și nemagnetic, rezistența la coroziune, rezistența ridicată și duritatea bună. În același timp, pe măsură ce aliajele de titan încep să intre în chirurgia plastică și în alte domenii, apar noi cerințe potențiale ale pieței, iar piața aliajelor de titan va crește mai rapid în viitor.
Progresul cercetării aliajelor medicale de titan
1.1 Clasificarea aliajelor medicale de titan
Aliajele de titan pot fi împărțite în trei categorii în funcție de tipul de microstructură a materialului: tip α, tip α+β și aliaj de titan de tip β.
1.2 Tendința de dezvoltare a aliajelor medicale de titan
După cercetarea literaturii, sa constatat că cercetătorii relevanți din țară și din străinătate cred în unanimitate că dezvoltarea aliaje medicale de titan a trecut prin trei etape emblematice. Prima etapă este reprezentată de titan pur și aliaj Ti-6Al-4V; a doua etapă este reprezentată de aliajele Ti New α+β reprezentate de -5A1-2.5Fe și Ti-6A1-7Nb; a treia etapă este etapa principală de dezvoltare și dezvoltare a aliajelor de β-titan cu biocompatibilitate mai bună și modul elastic mai mic. Ideal materiale biomedicale din aliaj de titan trebuie să îndeplinească următoarele condiții: biocompatibilitate bună, modul elastic scăzut, densitate scăzută, proprietăți anticorozive bune, non-toxice, limită de curgere ridicată, durată lungă de viață la oboseală și plasticitate mare la temperatura camerei. , ușor de format, ușor de turnat etc. Aliajele importante care au fost utilizate pe scară largă în materialele implantare sunt Ti-6A1-4V și Ti-6A1-4VELI. Există rapoarte în literatură că elementul V poate provoca reacții tisulare maligne și poate avea efecte secundare toxice asupra corpului uman, în timp ce Al poate provoca osteoporoză și tulburări psihice. Pentru a rezolva această problemă, oamenii de știință din biomateriale se angajează în prezent să exploreze și să cerceteze noile materiale biomedicale din aliaje de titan de la Al, înainte de aceasta, este necesar să se descopere ce fel de elemente de aliaj sunt potrivite pentru a adăuga, care sunt atât netoxice, cât și biocompatibile. . Studiile au descoperit că aliajele de β-titan care conțin elemente netoxice, cum ar fi molibdenul, niobiul, tantul și zirconiul conțin un conținut mai mare de elemente de stabilizare β și au un modul elastic mai mic (E=55~80GPa) și o performanță mai bună la forfecare și duritate, este mai potrivit pentru implantare în corpul uman ca implant.
Aplicații ale aliajelor de titan
2.1 Baza medicală a aliajelor de titan
Principalele avantaje ale utilizării titanului și aliajelor de titan ca implanturi umane sunt: (1) Densitatea (20°C) = 4.5g/cm3 și greutate redusă. Implantat în corpul uman: reduceți sarcina asupra corpului uman; ca dispozitiv medical: reduceți sarcina de funcționare asupra personalului medical. (2) Modulul elastic este scăzut, iar titanul pur este de 108500MPa. Când este implantat în corpul uman: este mai aproape de osul natural al corpului uman, ceea ce este favorabil grefei osoase și reduce efectul de protecție a stresului al osului asupra implantului. (3) Nemagnetic, neafectat de câmpuri electromagnetice și furtuni, care este benefic pentru siguranța umană după utilizare. (4) Este netoxic și nu are efecte toxice sau secundare asupra corpului uman ca implant. (5) Rezistență la coroziune (material metalic biologic inert). Are o rezistență excelentă la coroziune în mediul de imersie al sângelui uman și asigură o bună compatibilitate cu sângele uman și țesuturile celulare. Ca implant, nu produce poluare umană și nu dăunează organismului uman. Vor apărea reacții alergice, care este o condiție de bază pentru aplicarea titanului și a aliajelor de titan. (6) Rezistență ridicată și duritate bună. Leziuni osoase și articulare din cauza traumatismelor, tumorilor și altor factori. Pentru a stabili o schelă osoasă stabilă, trebuie folosite plăci cu arc, șuruburi, oase artificiale, articulații etc. Aceste implanturi trebuie lăsate pe loc mult timp. corpul uman va fi supus la îndoire, răsucire, strângere, contracție musculară și alte efecte ale corpului uman, necesitând implanturi să aibă rezistență și duritate ridicate.
2.2 Domeniile medicale și ortopedice ale aliajelor de titan
Situația pieței Odată cu dezvoltarea aliajelor de titan, creșterea soiurilor de materiale de titan și reducerea prețurilor, aplicarea titanului în industria civilă s-a dublat. CFDA împarte dispozitivele medicale în trei niveluri în funcție de siguranța lor de la mare la scăzută și sunt supravegheate și gestionate de către cele trei niveluri de guvernare. Implanturile realizate din titan și materiale din aliaje de titan aparțin celei de-a treia categorii de dispozitive medicale și sunt consumabile de mare valoare. Subsectoarele care reprezintă mai mult de 5% din piață includ șase segmente majore: diagnostic in vitro, cardiologie, imagistică de diagnostic, ortopedie, oftalmologie și chirurgie plastică. Printre acestea, diagnosticul in vitro, ortopedia și intervenția cardiacă sunt consumabilele de mare valoare cu cea mai rapidă creștere din China. Aplicarea titanului biomedical și a materialelor sale din aliaj a trecut prin trei etape emblematice: Aplicarea inițială La începutul anilor 1950, mai întâi în Regatul Unit și Statele Unite, titanul pur comercial a fost folosit pentru fabricarea plăcilor osoase, șuruburilor, cuielor intramedulare și șoldului. articulațiilor. Compania elvețiană Mathys folosește, de asemenea, aliajul Ti-6A1-7Nb pentru a fabrica sisteme de unghii intramedulare cu blocare neexpandate (inclusiv tibia, humerus și femur) și șuruburi goale pentru tratamentul fracturilor osoase ale colului femural. Materialul bioactiv din aliaj Ni-Ti (PNT) poros este utilizat pentru fabricarea cuștilor de fuziune intervertebrală cervicală și lombară (Cage). Compania canadiană BIORTHEX a dezvoltat o cușcă de fuziune intervertebrală cervicală și lombară realizată din material patentat ACTIPORE G din aliaj poros Ni-Ti pentru tratamentul leziunilor coloanei vertebrale ortopedice. Noul aliaj de beta titan poate fi folosit ca material avansat în scopuri multiple, cum ar fi ortopedie, stomatologie și intervenție vasculară. Industria dispozitivelor medicale ortopedice reprezintă 9% din cota de piață globală a dispozitivelor medicale și este încă în creștere rapidă. Piața dispozitivelor medicale ortopedice este în principal segmentată în patru domenii: traumatisme, articulații, coloanei vertebrale și altele. Dintre acestea, trauma este singurul segment care nu are în prezent o cotă de piață majoră ocupată de companiile străine. Motivul principal este că produsele din acest domeniu au un conținut tehnic scăzut, sunt ușor de imitat și sunt mai puțin dificil de operat. Acestea pot fi efectuate în multe spitale de nivelul doi și trei, iar companiile străine nu le pot acoperi în totalitate. Produsele pentru traumatisme pot fi împărțite în dispozitive de fixare internă și dispozitive de fixare externă. Produsele pentru traumatisme de fixare internă includ unghii intramedulare, plăci osoase, șuruburi etc. În 2012, traumatismele au reprezentat 34% din piața ortopedică internă, articulațiile 28%, coloana vertebrală 20% și altele. 18%. Articulațiile mari sunt dispozitive medicale de ultimă generație, cu bariere tehnice ridicate. În prezent, spitalele de masă folosesc în principal materiale ortopedice importate. Există încă un decalaj între produsele autohtone și cele de import în ceea ce privește tehnologia, designul, cercetarea și dezvoltarea, materialele, procesele de tratare a suprafețelor etc. Articulațiile artificiale sunt împărțite în principal în genunchi artificiali, șolduri, coate, umerii, articulațiile degetelor de la mâini și de la picioare etc. Printre acestea, cele mai importante înlocuiri articulare includ articulațiile șoldului și articulațiile genunchiului, care împreună reprezintă mai mult de 95% din piața globală de înlocuire a articulațiilor. Dispozitivele pentru implanturi vertebrale includ sisteme de plăci de unghii toraco-lombare, sisteme de plăci de unghii ale coloanei vertebrale cervicale și sisteme de cuști de fuziune, printre care sistemul de cuști intervertebrale este utilizat în principal pentru tratamentul de înlocuire a discului intervertebral și este, de asemenea, cel mai important segment, reprezentând aproximativ întreaga piață a implanturilor spinale. .
Concluzie
Proprietățile superioare ale aliajelor de titan au contribuit la poziția sa de lider în domeniul medical. Tehnologia de proiectare a materialelor și de pregătire a aliajelor de titan s-a dezvoltat rapid odată cu progresele în biotehnologie și cererea mare pentru aplicații medicale. The aliaje medicale de titan în prezent produse sunt în principal aliaje de titan de tip α+β. Din perspectiva tehnologiei de preparare, producția de TC4 (TC4ELI) ocupă în prezent principala cotă de piață. Aliajul de titan de tip β are anumite avantaje în biocompatibilitate și compatibilitate mecanică, așa că a devenit un punct fierbinte de cercetare pentru noile aliaje medicale de titan și este cea mai potențială tehnologie în domeniul implanturilor medicale. În viitor, tehnologia de producție a aliajelor de titan ar trebui să se dezvolte în direcția unui modul scăzut, rezistență ridicată, biocompatibilitate bună și compatibilitate mecanică. Din perspectiva tendințelor de dezvoltare, aliajele de titan de tip β vor deveni direcția viitoare de dezvoltare și curentul principal al pieței aliajelor de titan medical.