Biomedyczne materiały i zastosowania stopów tytanu

Strona główna > Wiedza > Biomedyczne materiały i zastosowania stopów tytanu

Biomedyczne materiały i zastosowania stopów tytanu

Biomedyczne materiały ze stopów tytanu w szczególności odnoszą się do rodzaju funkcjonalnych materiałów konstrukcyjnych stosowanych w inżynierii biomedycznej, w szczególności do produkcji i wytwarzania implantów chirurgicznych i wyrobów ortopedycznych. Produkcja i przygotowanie materiałów do obróbki stopów tytanu obejmuje dziedziny metalurgii, obróbki ciśnieniowej, materiałów kompozytowych i przemysłu chemicznego i jest uznanym produktem high-tech na świecie. Tytan i stopy tytanu stopniowo wkraczają do użytku cywilnego w przemyśle lotniczym, lotniczym i obronnym. Produkty takie jak implanty i urządzenia medyczne w branży medycznej i zdrowotnej; tytanowe kije golfowe w branży sportowej i rekreacyjnej, a także tytanowe oprawki okularów, tytanowe zegarki, tytanowe rowery i inne produkty, zapotrzebowanie na materiały poddane obróbce tytanem stale rośnie. Dzięki energicznemu rozwojowi i przełomom biotechnologii przemysł biomedycznych materiałów i produktów metalowych stanie się filarem gospodarki światowej. Wśród nich tytan i jego stopy odnotowały w ostatnich latach szybki i stały wzrost popytu ze względu na ich doskonałe wszechstronne właściwości, takie jak lekkość, niski moduł sprężystości, nietoksyczny i niemagnetyczny, odporność na korozję, wysoka wytrzymałość i dobra wytrzymałość. Jednocześnie, w miarę jak stopy tytanu zaczynają pojawiać się w chirurgii plastycznej i innych dziedzinach, pojawiają się nowe potencjalne wymagania rynkowe, a rynek stopów tytanu będzie w przyszłości szybciej rósł.

Postęp badań medycznych stopów tytanu

1.1 Klasyfikacja medycznych stopów tytanu

Stopy tytanu można podzielić na trzy kategorie w zależności od rodzaju mikrostruktury materiału: typ α, typ α+β i stop tytanu typu β.

1.2 Trend rozwojowy medycznych stopów tytanu

Po przeprowadzeniu badań literaturowych stwierdzono, że odpowiedni badacze w kraju i za granicą jednomyślnie uważają, że rozwój medyczne stopy tytanu przeszedł przez trzy ikoniczne etapy. Pierwszy etap reprezentuje czysty tytan i stop Ti-6Al-4V; drugi etap reprezentują stopy Ti New α+β reprezentowane przez -5A1-2.5Fe i Ti-6A1-7Nb; trzeci etap to główny etap opracowywania i udoskonalania stopów β-tytanu o lepszej biokompatybilności i niższym module sprężystości. Ideał biomedyczne materiały ze stopów tytanu musi spełniać następujące warunki: dobrą biokompatybilność, niski moduł sprężystości, niską gęstość, dobre właściwości antykorozyjne, nietoksyczność, wysoką granicę plastyczności, długą trwałość zmęczeniową i dużą plastyczność w temperaturze pokojowej. , łatwe do formowania, łatwe do odlewania itp. Do ważnych stopów szeroko stosowanych w materiałach na implanty należą Ti-6A1-4V i Ti-6A1-4VELI. W literaturze pojawiają się doniesienia, że ​​pierwiastek V może powodować nowotworowe reakcje tkanek i może powodować toksyczne skutki uboczne w organizmie człowieka, natomiast Al może powodować osteoporozę i zaburzenia psychiczne. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zajmujący się biomateriałami są obecnie zaangażowani w badanie nowych biomedycznych stopów tytanu Al, niezawierających V, zanim to nastąpi, konieczne jest ustalenie, jakiego rodzaju pierwiastki stopowe nadają się do dodania, aby były zarówno nietoksyczne, jak i biokompatybilne . Badania wykazały, że stopy β-tytanu zawierające nietoksyczne pierwiastki, takie jak molibden, niob, tantal i cyrkon, zawierają wyższą zawartość pierwiastków β-stabilizujących i mają niższy moduł sprężystości (E=55 ~ 80GPa) oraz lepszą odporność na ścinanie i wytrzymałość, bardziej nadaje się do wszczepienia w ciało ludzkie jako implant.

Medyczny stop tytanu stock.png

Zastosowania stopów tytanu

2.1 Medyczne podstawy stopów tytanu

Główne zalety stosowania tytanu i stopów tytanu jako implantów ludzkich to: (1) Gęstość (20°C) = 4.5 g/cm3 i lekkość. Wszczepione w ludzkie ciało: zmniejszają obciążenie ludzkiego ciała; jako wyrób medyczny: zmniejszyć obciążenie operacyjne personelu medycznego. (2) Moduł sprężystości jest niski, a czysty tytan wynosi 108500 MPa. Po wszczepieniu w ludzkie ciało: jest bliżej naturalnej kości ludzkiego ciała, co sprzyja przeszczepianiu kości i zmniejsza efekt osłony naprężeniowej kości na implancie. (3) Niemagnetyczny, niewrażliwy na pola elektromagnetyczne i burze, co jest korzystne dla bezpieczeństwa ludzi po użyciu. (4) Jest nietoksyczny i nie powoduje żadnych skutków toksycznych ani skutków ubocznych dla organizmu ludzkiego jako implant. (5) Odporność na korozję (biologicznie obojętny materiał metaliczny). Ma doskonałą odporność na korozję w środowisku zanurzenia ludzkiej krwi i zapewnia dobrą kompatybilność z ludzką krwią i tkankami komórkowymi. Jako implant nie powoduje zanieczyszczeń dla człowieka i nie jest szkodliwy dla organizmu ludzkiego. Wystąpią reakcje alergiczne, co jest podstawowym warunkiem stosowania tytanu i jego stopów. (6) Wysoka wytrzymałość i dobra wytrzymałość. Uszkodzenia kości i stawów spowodowane urazami, nowotworami i innymi czynnikami. Aby ustalić stabilne rusztowanie kostne, należy zastosować płytki łukowe, śruby, sztuczne kości, stawy itp. Implanty te należy pozostawić na miejscu przez długi czas. ciało ludzkie będzie narażone na zginanie, skręcanie, ściskanie, skurcze mięśni i inne skutki działania ludzkiego ciała, co wymaga, aby implanty miały dużą wytrzymałość i wytrzymałość.

2.2 Dziedziny medyczne i ortopedyczne stopów tytanu

Sytuacja na rynku Wraz z rozwojem stopów tytanu, wzrostem różnorodności materiałów tytanowych i spadkiem cen, zastosowanie tytanu w przemyśle cywilnym wzrosło dwukrotnie. CFDA dzieli wyroby medyczne na trzy poziomy według ich bezpieczeństwa, od wysokiego do niskiego, i są one nadzorowane i zarządzane odpowiednio przez trzy poziomy władzy. Implanty wykonane z tytanu i materiałów ze stopów tytanu należą do trzeciej kategorii wyrobów medycznych i są materiałami eksploatacyjnymi o dużej wartości. Do podsektorów stanowiących ponad 5% rynku zalicza się sześć głównych segmentów: diagnostyka in vitro, kardiologia, diagnostyka obrazowa, ortopedia, okulistyka i chirurgia plastyczna. Wśród nich diagnostyka in vitro, ortopedia i interwencja kardiologiczna to najszybciej rosnące w Chinach towary konsumpcyjne o wysokiej wartości. Zastosowanie tytanu biomedycznego i jego materiałów stopowych przeszło trzy charakterystyczne etapy: Zastosowanie początkowe Na początku lat pięćdziesiątych XX wieku, najpierw w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych, komercyjnie czysty tytan był używany do produkcji płytek kostnych, śrub, gwoździ śródszpikowych i kości biodrowych stawy. Szwajcarska firma Mathys wykorzystuje również stop Ti-6A1-7Nb do produkcji nierozszerzonych blokowanych systemów gwoździ śródszpikowych (w tym kości piszczelowej, kości ramiennej i kości udowej) oraz śrub drążonych do leczenia złamań szyjki kości udowej. Porowaty bioaktywny materiał ze stopu Ni-Ti (PNT) jest używany do produkcji klatek międzykręgowych szyjnych i lędźwiowych (klatka). Kanadyjska firma BIORTHEX opracowała międzykręgową klatkę szyjną i lędźwiową wykonaną z porowatego stopu Ni-Ti, opatentowanego materiału ACTIPORE G, do leczenia ortopedycznych urazów kręgosłupa. Nowy stop beta-tytanu może być stosowany jako zaawansowany materiał do wielu celów, takich jak ortopedia, stomatologia i interwencja naczyniowa. Przemysł ortopedycznych wyrobów medycznych ma 9% udziału w światowym rynku wyrobów medycznych i nadal szybko rośnie. Rynek ortopedycznych wyrobów medycznych dzieli się głównie na cztery obszary: urazy, stawy, kręgosłup i inne. Wśród nich trauma jest jedynym segmentem, który obecnie nie ma większego udziału w rynku zajmowanego przez firmy zagraniczne. Głównym powodem jest to, że produkty w tej dziedzinie mają niski poziom techniczny, są łatwe do naśladowania i mniej trudne w obsłudze. Można je wykonywać w wielu szpitalach II i III stopnia, a zagraniczne firmy nie są w stanie ich w pełni pokryć. Produkty urazowe można podzielić na urządzenia do stabilizacji wewnętrznej i urządzenia do stabilizacji zewnętrznej. Produkty urazowe służące do mocowania wewnętrznego obejmują gwoździe śródszpikowe, płytki kostne, śruby itp. W 2012 roku urazy stanowiły 34% krajowego rynku ortopedii, stawy 28%, kręgosłup 20% i inne. % 18. Duże stawy to wysokiej klasy urządzenia medyczne o wysokich barierach technicznych. Obecnie szpitale głównego nurtu korzystają głównie z importowanych materiałów ortopedycznych. Nadal istnieje luka pomiędzy produktami krajowymi i importowanymi pod względem technologii, projektowania, badań i rozwoju, materiałów, procesów obróbki powierzchni itp. Sztuczne stawy dzielą się głównie na sztuczne kolana, biodra, łokcie, ramiona, stawy palców i stóp itp. Do najważniejszych protez stawów zaliczają się stawy biodrowe i kolanowe, które łącznie stanowią ponad 95% światowego rynku protez stawów. Do implantów kręgosłupa zalicza się systemy płytek paznokciowych odcinka piersiowo-lędźwiowego, systemy płytek paznokciowych odcinka szyjnego kręgosłupa oraz systemy klatek międzykręgowych, wśród których system klatek międzykręgowych stosowany jest głównie w leczeniu wymiany krążka międzykręgowego i jest jednocześnie najważniejszym segmentem, stanowiącym w przybliżeniu cały rynek implantów kręgosłupa .

Wnioski

Doskonałe właściwości stopów tytanu przyczyniły się do jej wiodącej pozycji w branży medycznej. Wraz z przełomami w biotechnologii i dużym zapotrzebowaniem na zastosowania medyczne, projektowanie materiałów i technologia wytwarzania stopów tytanu szybko się rozwinęły. The medyczne stopy tytanu obecnie produkowane są głównie stopy tytanu typu α+β. Z punktu widzenia technologii przygotowania, obecnie największy udział w rynku zajmuje produkcja TC4 (TC4ELI). Stop tytanu typu β ma pewne zalety w zakresie biokompatybilności i kompatybilności mechanicznej, dlatego stał się gorącym punktem badawczym dla nowych medycznych stopów tytanu i jest najbardziej potencjalną technologią w dziedzinie implantów medycznych. W przyszłości technologia produkcji stopów tytanu powinna rozwijać się w kierunku niskiego modułu, dużej wytrzymałości, dobrej biokompatybilności i kompatybilności mechanicznej. Z punktu widzenia trendów rozwojowych stopy tytanu typu β staną się przyszłym kierunkiem rozwoju i głównym nurtem rynku medycznych stopów tytanu.