Biomedicinski materijali i primjena legura titana
Biomedicinski materijali i primjena legura titana
Biomedicinski materijali od legure titana posebno se odnose na vrstu funkcionalnih strukturnih materijala koji se koriste u biomedicinskom inženjerstvu, posebno za proizvodnju kirurških implantata i proizvoda za ortopedske uređaje. Proizvodnja i priprema materijala za obradu legura titana uključuje područja metalurgije, obrade pod pritiskom, kompozitnih materijala i kemijske industrije, te je priznat proizvod visoke tehnologije u svijetu. Titan i titanove legure postupno su ušli u područje civilne potrošnje iz područja zrakoplovstva, zrakoplovstva i nacionalne obrane. Proizvodi kao što su implantati i medicinski uređaji u medicinskoj i zdravstvenoj industriji; palice za golf od titana u industriji sporta i slobodnog vremena, kao i okviri za naočale od titana, satovi od titana, bicikli od titana i drugi proizvodi, potražnja za materijalima obrađenim titanom stalno raste. Snažnim razvojem i prodorima biotehnologije, industrija biomedicinskih metalnih materijala i proizvoda razvit će se u industriju stupova svjetskog gospodarstva. Među njima, titan i njegove legure doživjeli su brz i stabilan rast potražnje posljednjih godina zbog svojih izvrsnih sveobuhvatnih svojstava kao što su lagani, niski modul elastičnosti, netoksični i nemagnetski, otpornost na koroziju, visoka čvrstoća i dobra žilavost. U isto vrijeme, kako legure titana počinju ulaziti u plastičnu kirurgiju i druga područja, pojavljuju se novi potencijalni zahtjevi tržišta, a tržište legura titana će rasti brže u budućnosti.
Napredak istraživanja medicinskih legura titana
1.1 Klasifikacija medicinskih legura titana
Legure titana mogu se podijeliti u tri kategorije prema vrsti mikrostrukture materijala: α tip, α+β tip i β tip legure titana.
1.2 Trend razvoja medicinskih legura titana
Nakon istraživanja literature utvrđeno je da relevantni istraživači u zemlji i inozemstvu jednoglasno vjeruju da je razvoj medicinske legure titana je prošao kroz tri ikonične faze. Prvi stupanj predstavlja čisti titan i legura Ti-6Al-4V; drugu fazu predstavljaju Ti Nove α+β legure predstavljene -5A1-2.5Fe i Ti-6A1-7Nb; treća faza je glavna faza razvoja i razvoja legura β-titana s boljom biokompatibilnošću i nižim modulom elastičnosti. Idealan biomedicinski materijali od legura titana mora ispunjavati sljedeće uvjete: dobra biokompatibilnost, nizak modul elastičnosti, niska gustoća, dobra antikorozivna svojstva, netoksičan, visoka granica razvlačenja, dugi vijek trajanja na zamor i velika plastičnost na sobnoj temperaturi. , lako se oblikuje, lako se lije, itd. Važne legure koje se široko koriste u materijalima za implantate su Ti-6A1-4V i Ti-6A1-4VELI. Postoje izvještaji u literaturi da V element može izazvati maligne reakcije tkiva i može imati toksične nuspojave na ljudsko tijelo, dok Al može izazvati osteoporozu i mentalne poremećaje. Kako bi riješili ovaj problem, znanstvenici koji se bave biomaterijalima trenutačno su predani istraživanju i istraživanju novih Al-ovih biomedicinskih materijala od legura titana bez V-a, a prije toga potrebno je utvrditi koje je vrste elemenata legure prikladno dodati, a koji su i netoksični i biokompatibilni . Studije su otkrile da legure β-titana koje sadrže netoksične elemente kao što su molibden, niobij, tantal i cirkonij sadrže veći sadržaj β-stabilizirajućih elemenata i imaju niži modul elastičnosti (E=55~ 80GPa) i bolje performanse smicanja i žilavosti, prikladniji je za ugradnju u ljudsko tijelo kao implantat.
Primjena legura titana
2.1 Medicinske osnove legura titana
Glavne prednosti korištenja titana i titanovih legura kao ljudskih implantata su: (1) Gustoća (20°C) = 4.5 g/cm3 i mala težina. Implantirani u ljudsko tijelo: smanjuju opterećenje ljudskog tijela; kao medicinski uređaj: smanjiti radno opterećenje medicinskog osoblja. (2) Modul elastičnosti je nizak, a čisti titan je 108500 MPa. Kada se ugrađuje u ljudsko tijelo: bliži je prirodnoj kosti ljudskog tijela, što je pogodno za presađivanje kosti i smanjuje učinak zaštite od stresa kosti na implantat. (3) Nemagnetski, na njega ne utječu elektromagnetska polja i grmljavinske oluje, što je korisno za sigurnost ljudi nakon upotrebe. (4) Nije toksičan i nema toksičnih niti nuspojava na ljudsko tijelo kao implantat. (5) Otpornost na koroziju (biološki inertan metalni materijal). Ima izvrsnu otpornost na koroziju u okruženju ljudske krvi i osigurava dobru kompatibilnost s ljudskom krvlju i staničnim tkivima. Kao implantat ne proizvodi ljudsko zagađenje i nije štetan za ljudski organizam. Javljaju se alergijske reakcije, što je osnovni uvjet za primjenu titana i titanovih legura. (6) Visoka čvrstoća i dobra žilavost. Oštećenje kostiju i zglobova uslijed traume, tumora i drugih čimbenika. Kako bi se uspostavila stabilna koštana skela, moraju se koristiti lučne ploče, vijci, umjetne kosti, zglobovi itd. Ovi implantati moraju biti ostavljeni na mjestu dulje vrijeme. ljudsko tijelo bit će podložno savijanju, uvijanju, stiskanju, kontrakciji mišića i drugim učincima ljudskog tijela, što zahtijeva da implantati imaju veliku čvrstoću i žilavost.
2.2 Medicinska i ortopedska područja legura titana
Stanje na tržištu S razvojem legura titana, povećanjem varijanti materijala od titana i smanjenjem cijena, primjena titana u civilnoj industriji se udvostručila. CFDA dijeli medicinske uređaje na tri razine prema njihovoj sigurnosti od visoke do niske, a nadziru ih i njima upravljaju tri razine vlasti. Implantati izrađeni od titana i materijala od legura titana spadaju u treću kategoriju medicinskih proizvoda i predstavljaju visokovrijednu potrošnu robu. Podsektori koji čine više od 5% tržišta uključuju šest glavnih segmenata: in vitro dijagnostiku, kardiologiju, slikovnu dijagnostiku, ortopediju, oftalmologiju i plastičnu kirurgiju. Među njima su in vitro dijagnostika, ortopedija i kardiološke intervencije najbrže rastući visokovrijedni potrošni materijal u Kini. Primjena biomedicinskog titana i njegovih legura prošla je kroz tri ikonične faze: Početna primjena Početkom 1950-ih, prvo u Ujedinjenom Kraljevstvu i Sjedinjenim Državama, komercijalno čisti titan korišten je za proizvodnju koštanih ploča, vijaka, intramedularnih čavala i kuka zglobova. Švicarska tvrtka Mathys također koristi leguru Ti-6A1-7Nb za proizvodnju neekspandiranih sustava intramedularnih čavala za zaključavanje (uključujući tibiju, humerus i bedrenu kost) i šupljih vijaka za liječenje prijeloma kostiju vrata bedrene kosti. Porozni bioaktivni materijal od legure Ni-Ti (PNT) koristi se za proizvodnju cervikalnih i lumbalnih intervertebralnih fuzionih kaveza (Cage). Kanadska tvrtka BIORTHEX razvila je cervikalni i lumbalni intervertebralni fuzijski kavez od porozne Ni-Ti legure patentiranog materijala ACTIPORE G za liječenje ortopedskih ozljeda kralježnice. Nova legura beta titana može se koristiti kao napredni materijal za višestruke svrhe kao što su ortopedija, stomatologija i vaskularne intervencije. Industrija ortopedskih medicinskih uređaja čini 9% svjetskog tržišnog udjela medicinskih uređaja i još uvijek brzo raste. Tržište ortopedskih medicinskih pomagala prvenstveno je segmentirano u četiri područja: trauma, zglobovi, kralježnica i druga. Među njima, trauma je jedini segment koji trenutno nema značajniji tržišni udio koji zauzimaju strane tvrtke. Glavni razlog je taj što proizvodi u ovom području imaju nizak tehnički sadržaj, lako ih je imitirati i lakši su za rukovanje. Mogu se izvoditi u mnogim bolnicama druge i treće razine, a strane tvrtke ih ne mogu u potpunosti pokriti. Proizvodi za traumu mogu se podijeliti na uređaje za unutarnju i vanjsku fiksaciju. Proizvodi unutarnje fiksacije traume uključuju intramedularne čavle, koštane ploče, vijke itd. U 2012. godini trauma je činila 34% domaćeg tržišta ortopedije, zglobovi 28%, kralježnica 20% i dr. 18%. Veliki zglobovi su vrhunski medicinski uređaji s visokim tehničkim preprekama. Trenutačno glavne bolnice uglavnom koriste uvezene ortopedske materijale. Još uvijek postoji jaz između domaćih i uvezenih proizvoda u pogledu tehnologije, dizajna, istraživanja i razvoja, materijala, procesa površinske obrade itd. Umjetni zglobovi uglavnom se dijele na umjetna koljena, kukove, laktove, ramena, zglobove ruku i nogu itd. Među njima najvažniji nadomjesci zglobova uključuju zglobove kuka i koljena, koji zajedno čine više od 95% svjetskog tržišta nadomjestaka zglobova. Spinalni implantati uključuju sustave torakolumbalnih ploča za nokte, sustave ploča za nokte vratne kralježnice i sustave fuzijskog kaveza, među kojima se intervertebralni kavezni sustav uglavnom koristi za liječenje zamjene intervertebralnog diska, a također je i najvažniji segment, koji čini otprilike cijelo tržište spinalnih implantata .
Zaključak
Vrhunska svojstva titanovih legura pridonijela su njenom vodećem položaju u medicinskom području. Dizajn materijala i tehnologija pripreme legura titana brzo su se razvili s otkrićima u biotehnologiji i velikom potražnjom za medicinske primjene. The medicinske legure titana trenutno se proizvode uglavnom legure titana tipa α+β. Iz perspektive tehnologije pripreme, proizvodnja TC4 (TC4ELI) trenutno zauzima glavni tržišni udio. Titanska legura β-tipa ima određene prednosti u biokompatibilnosti i mehaničkoj kompatibilnosti, pa je postala žarište istraživanja za nove medicinske legure titana i najpotencijalnija je tehnologija u području medicinskih implantata. U budućnosti bi se tehnologija proizvodnje titanovih legura trebala razvijati u smjeru niskog modula, visoke čvrstoće, dobre biokompatibilnosti i mehaničke kompatibilnosti. Iz perspektive razvojnih trendova, legure titana β-tipa postat će smjer budućeg razvoja i glavni tok tržišta medicinskih legura titana.
