Biomedicinski materijali od legura titanijuma i primena
Biomedicinski materijali od legura titanijuma i primena
Biomedicinski materijali od legure titana posebno se odnose na vrstu funkcionalnih strukturnih materijala koji se koriste u biomedicinskom inženjerstvu, posebno za proizvodnju i proizvodnju hirurških implantata i ortopedskih proizvoda. Proizvodnja i priprema materijala za obradu legura titanijuma obuhvata oblasti metalurgije, prerade pod pritiskom, kompozitnih materijala i hemijske industrije i predstavlja priznat visokotehnološki proizvod u svetu. Titanijum i legure titana postepeno su ušle u oblast civilne potrošnje iz oblasti vazduhoplovstva, avijacije i nacionalne odbrane. Proizvodi kao što su implantati i medicinski uređaji u medicinskoj i zdravstvenoj industriji; titanijumske golf palice u industriji sporta i slobodnog vremena, kao i okviri za naočare od titanijuma, satovi od titanijuma, bicikli od titanijuma i drugi proizvodi, potražnja za materijalima prerađenim od titanijuma je u stalnom porastu. Snažnim razvojem i otkrićima biotehnologije, industrija biomedicinskih metalnih materijala i proizvoda će se razviti u stub industrije svjetske ekonomije. Među njima, titan i njegove legure su doživjeli brz i stalan rast potražnje posljednjih godina zbog svojih odličnih sveobuhvatnih svojstava kao što su lagana težina, niski modul elastičnosti, netoksičnost i nemagnetnost, otpornost na koroziju, visoka čvrstoća i dobra žilavost. Istovremeno, kako legure titanijuma počinju da ulaze u plastičnu hirurgiju i druga polja, pojavljuju se novi potencijalni zahtevi tržišta, a tržište legura titanijuma će rasti brže u budućnosti.
Napredak istraživanja medicinskih legura titanijuma
1.1 Klasifikacija medicinskih legura titanijuma
Legure titana mogu se podijeliti u tri kategorije prema vrsti mikrostrukture materijala: α tip, α+β tip i β tip legura titana.
1.2 Trend razvoja medicinskih legura titanijuma
Nakon istraživanja literature, ustanovljeno je da relevantni istraživači u zemlji i inostranstvu jednoglasno smatraju da je razvoj medicinske legure titanijuma prošla je kroz tri kultne faze. Prva faza je predstavljena čistim titanijumom i legurom Ti-6Al-4V; drugu fazu predstavljaju Ti New α+β legure predstavljene sa -5A1-2.5Fe i Ti-6A1-7Nb; treća faza je glavna faza razvoja i razvoja legura β-titanijuma sa boljom biokompatibilnošću i nižim modulom elastičnosti. Idealno biomedicinski materijali od legure titana mora ispunjavati sljedeće uvjete: dobra biokompatibilnost, nizak modul elastičnosti, niska gustoća, dobra antikorozivna svojstva, netoksičan, visoka granica popuštanja, dug vijek trajanja i velika plastičnost na sobnoj temperaturi. , lako se formira, lako se lijeva, itd. Važne legure koje se široko koriste u materijalima za implantate su Ti-6A1-4V i Ti-6A1-4VELI. U literaturi postoje izvještaji da V element može izazvati maligne reakcije tkiva i imati toksične nuspojave na ljudski organizam, dok Al može uzrokovati osteoporozu i mentalne poremećaje. Da bi riješili ovaj problem, naučnici biomaterijala trenutno su posvećeni istraživanju i istraživanju novih Al-ovih biomedicinskih materijala od legure titana bez V-a, prije toga je potrebno utvrditi koje elemente legure je pogodno dodati, a koji su netoksični i biokompatibilni . Istraživanja su pokazala da legure β-titanijuma koje sadrže netoksične elemente kao što su molibden, niobij, tantal i cirkonijum sadrže veći sadržaj β-stabilizujućih elemenata i imaju niži modul elastičnosti (E=55~ 80GPa) i bolje performanse smicanja i žilavosti, pogodniji je za implantaciju u ljudsko tijelo kao implantat.
Primjena legura titanijuma
2.1 Medicinska osnova titanijumskih legura
Glavne prednosti upotrebe titanijuma i legura titanijuma kao ljudskih implantata su: (1) Gustina (20°C) = 4.5 g/cm3 i mala težina. Implantirano u ljudsko tijelo: smanjuje opterećenje na ljudsko tijelo; kao medicinski uređaj: smanjiti operativno opterećenje medicinskog osoblja. (2) Modul elastičnosti je nizak, a čisti titanijum je 108500MPa. Kada se implantira u ljudsko tijelo: bliža je prirodnoj kosti ljudskog tijela, što pogoduje presađivanju kostiju i smanjuje efekat zaštite od stresa kosti na implantat. (3) Nemagnetno, na njega ne utiču elektromagnetna polja i grmljavina, što je korisno za bezbednost ljudi nakon upotrebe. (4) Nije toksičan i nema toksičnih ili nuspojava na ljudsko tijelo kao implantat. (5) Otpornost na koroziju (biološki inertni metalni materijal). Ima odličnu otpornost na koroziju u uranjanju ljudske krvi i osigurava dobru kompatibilnost sa ljudskom krvlju i ćelijskim tkivom. Kao implantat, ne proizvodi zagađenje kod ljudi i nije štetan za ljudski organizam. Doći će do alergijskih reakcija, što je osnovni uslov za primjenu titanijuma i legura titana. (6) Visoka čvrstoća i dobra žilavost. Oštećenja kostiju i zglobova zbog traume, tumora i drugih faktora. Za uspostavljanje stabilne koštane skele moraju se koristiti lučne ploče, vijci, umjetne kosti, zglobovi itd. Ovi implantati moraju ostati na mjestu duže vrijeme. ljudsko tijelo će biti podložno savijanju, uvrtanju, stiskanju, kontrakciji mišića i drugim efektima ljudskog tijela, što zahtijeva da implantati imaju veliku snagu i žilavost.
2.2 Medicinska i ortopedska polja titanijumskih legura
Situacija na tržištu Razvojem titanijumskih legura, povećanjem sorti titanijumskih materijala i smanjenjem cena primena titanijuma u civilnoj industriji se udvostručila. CFDA dijeli medicinske uređaje na tri nivoa prema njihovoj sigurnosti od visokog do niskog, a njima nadziru i upravljaju tri nivoa vlasti. Implantati od titanijuma i materijala od legura titanijuma spadaju u treću kategoriju medicinskih sredstava i predstavljaju visoko vrijedan potrošni materijal. Podsektori koji čine više od 5% tržišta uključuju šest glavnih segmenata: in vitro dijagnostiku, kardiologiju, slikovnu dijagnostiku, ortopediju, oftalmologiju i plastičnu hirurgiju. Među njima, in vitro dijagnostika, ortopedija i kardiološka intervencija su najbrže rastući visokovrijedni potrošni materijali u Kini. Primjena biomedicinskog titana i njegovih legura prošla je kroz tri kultne faze: Početna primjena Ranih 1950-ih, prvo u Ujedinjenom Kraljevstvu i Sjedinjenim Državama, komercijalno čisti titan je korišten za proizvodnju koštanih ploča, vijaka, intramedularnih eksera i kuka zglobova. Švicarska kompanija Mathys također koristi leguru Ti-6A1-7Nb za proizvodnju neekspandiranih intramedularnih sistema eksera (uključujući tibiju, humerus i femur) i šupljih vijaka za liječenje prijeloma kostiju vrata femura. Bioaktivni materijal od porozne legure Ni-Ti (PNT) koristi se za proizvodnju cervikalnih i lumbalnih intervertebralnih fuzijskih kaveza (Cage). Kanadska kompanija BIORTHEX razvila je cervikalni i lumbalni intervertebralni kavez za fuziju od porozne legure Ni-Ti patentiranog materijala ACTIPORE G za liječenje ortopedskih ozljeda kičme. Nova legura beta titanijuma može se koristiti kao napredni materijal za višestruke svrhe kao što su ortopedija, stomatologija i vaskularne intervencije. Industrija ortopedskih medicinskih uređaja zauzima 9% globalnog udjela na tržištu medicinskih uređaja i još uvijek brzo raste. Tržište ortopedskih medicinskih uređaja prvenstveno je segmentirano u četiri područja: traume, zglobovi, kralježnica i drugo. Među njima, trauma je jedini segment koji trenutno nema veći tržišni udio koji zauzimaju strane kompanije. Glavni razlog je taj što proizvodi u ovoj oblasti imaju nizak tehnički sadržaj, lako ih je imitirati i manje ih je teško rukovati. Mogu se raditi u mnogim bolnicama drugog i trećeg nivoa, a strane kompanije ih ne mogu u potpunosti pokriti. Traumatski proizvodi se mogu podijeliti na uređaje za unutarnju fiksaciju i uređaje za vanjsku fiksaciju. Traumatični proizvodi interne fiksacije uključuju intramedularne eksere, koštane ploče, vijke itd. U 2012. godini traume su činile 34% domaćeg tržišta ortopedije, zglobovi 28%, kičma 20% i ostalo. 18%. Veliki zglobovi su vrhunski medicinski uređaji sa visokim tehničkim barijerama. Trenutno, glavne bolnice uglavnom koriste uvozne ortopedske materijale. Još uvijek postoji jaz između domaćih i uvoznih proizvoda u smislu tehnologije, dizajna, istraživanja i razvoja, materijala, procesa površinske obrade itd. Veštački zglobovi se uglavnom dele na veštačke kolena, kukove, laktove, ramena, zglobove prstiju i prstiju itd. Među njima, najvažnije zamjene zglobova su zglobovi kuka i zglobovi koljena, koji zajedno čine više od 95% globalnog tržišta zamjene zglobova. Uređaji za implantate za kičmu uključuju torakolumbalne sisteme pločica za nokte, sisteme pločica za nokte vratne kralježnice i sisteme fuzijskih kaveza, među kojima se sistem intervertebralnog kaveza uglavnom koristi za liječenje zamjene intervertebralnog diska i također je najvažniji segment, koji čini otprilike cijelo tržište spinalnih implantata. .
zaključak
Vrhunska svojstva legura titanijuma doprinela su njenoj vodećoj poziciji u medicinskom polju. Dizajn materijala i tehnologija pripreme titanijumskih legura brzo su se razvili sa otkrićem u biotehnologiji i velikom potražnjom za medicinskom primenom. The medicinske legure titanijuma trenutno se proizvode uglavnom legure titana tipa α+β. Iz perspektive tehnologije pripreme, proizvodnja TC4 (TC4ELI) trenutno zauzima glavni tržišni udio. Legura titanijuma β-tipa ima određene prednosti u biokompatibilnosti i mehaničkoj kompatibilnosti, tako da je postala žarište istraživanja za nove medicinske titanijumske legure i najpotencijalnija tehnologija u oblasti medicinskih implantata. U budućnosti bi se tehnologija proizvodnje titanijumskih legura trebala razvijati u pravcu niskog modula, visoke čvrstoće, dobre biokompatibilnosti i mehaničke kompatibilnosti. Iz perspektive razvojnih trendova, legure titana β-tipa postat će budući smjer razvoja i mainstream tržišta medicinskih legura titanijuma.
