Materiali in aplikacije iz biomedicinske titanove zlitine

Materiali iz titanovih zlitin za biomedicinske aplikacije so razred funkcionalnih strukturnih materialov, ki se uporabljajo v biomedicinskem inženiringu, posebej za proizvodnjo in proizvodnjo kirurških vsadkov in ortopedskih pripomočkov. Proizvodnja in priprava titanovih zlitin vključuje metalurgijo, tlačno obdelavo, kompozitne materiale in kemično industrijo ter je v svetu priznana kot visokotehnološki izdelek. Titan in titanove zlitine postopoma vstopajo na področje civilne potrošnje iz vesoljske, letalske in obrambne industrije. Kot so vsadki v zdravstveni industriji, medicinski pripomočki; palice za golf iz titana in okvirji za očala iz titana, titanove ure, kolesa iz titana in drugi izdelki v industriji športa in prostega časa, povpraševanje po materialih za obdelavo titana narašča. Z močnim razvojem biotehnologije in velikimi preboji se bo industrija biomedicinskih kovinskih materialov in izdelkov razvila v steber industrije svetovnega gospodarstva. Med njimi so titan in njegove zlitine z majhno težo, nizkim modulom elastičnosti, nestrupenimi, nemagnetnimi, odpornostjo proti koroziji, visoko trdnostjo, dobro žilavostjo in drugimi odličnimi celovitimi zmogljivostmi, v zadnjih letih pa povpraševanje po hitri in stalni rasti. Hkrati, ko titanove zlitine začnejo vstopati na področje ortopedije in drugega novega potencialnega tržnega povpraševanja, se bo prihodnost trga titanovih zlitin zdela hitrejša.
1 Napredek raziskav medicinske titanove zlitine
1.1 Razvrstitev medicinske titanove zlitine
Titanove zlitine lahko razdelimo v 3 kategorije glede na vrsto mikrostrukture materiala: -tip, + -tip in -tip titanove zlitine.
1.2 Trend razvoja medicinske titanove zlitine
Raziskava literature je pokazala, da se domači in tuji raziskovalci in znanstveniki strinjajo, da je razvoj medicinskih titanovih zlitin šel skozi tri ikonične faze, prvo stopnjo predstavljata čisti titan in zlitina Ti-6Al-4V; drugo stopnjo predstavlja nova + zlitina s Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb; tretja stopnja je razvoj + zlitin z boljšo biokompatibilnostjo in nižjim modulom elastičnosti; tretja faza je razvoj zlitine + z boljšo biokompatibilnostjo in nižjim modulom elastičnosti. in nižji modul elastičnosti -titanove zlitine. Idealni biomedicinski materiali iz titanove zlitine morajo izpolnjevati naslednje pogoje: dobra biokompatibilnost, nizek modul elastičnosti, nizka gostota, dobra odpornost proti koroziji, netoksičnost, visoka meja tečenja, dolga življenjska doba ob utrujenosti, velika plastičnost pri sobni temperaturi, enostavno oblikovanje, enostavno ulivanje . Pomembni zlitini, ki se pogosto uporabljata v materialih za vsadke, sta Ti-6A1-4V in Ti-6A1-4VELI. V literaturi so poročali, da lahko element V povzroči maligno tkivno reakcijo, ki ima lahko toksične stranske učinke na človeško telo, Al pa lahko povzroči osteoporozo in duševne motnje ter druge motnje; da bi rešili ta problem, so sedanji znanstveniki za biomateriale predani raziskovanju novih biomedicinskih titanovih zlitin, ki ne vsebujejo V in Al. Da bi rešili ta problem, se trenutni znanstveniki za biomateriale zavzemajo za raziskovanje in raziskovanje novih biomaterialov, ki ne vsebujejo V, Al titanovih zlitin za medicinsko uporabo, pred tem pa je treba ugotoviti, kakšni legirni elementi so primerni za dodajanje ne -strupeno in biokompatibilno. Ugotovljeno je bilo, da titanove zlitine, ki vsebujejo netoksične elemente, kot so molibden, niobij, tantal, cirkonij itd., vsebujejo višjo vsebnost stabilizacijskih elementov in imajo v primerjavi s + titanovimi zlitinami nižji modul elastičnosti (E {{ 19}} ~ 80GPa), kot tudi boljše strižne lastnosti in žilavost, kar je bolj primerno za vsaditev v človeško telo kot vsadek.

2 Uporaba titanove zlitine
2.1 Medicinske osnove titanove zlitine
Prednosti uporabe titana in titanovih zlitin kot človeških vsadkov so predvsem: (1) gostota (20 stopinj)=4.5g/cm3, lahek. Implantirano v človeško telo: za zmanjšanje obremenitve človeškega telesa, kot medicinski pripomoček: za zmanjšanje delovne obremenitve zdravstvenega osebja. (2) Nizek modul elastičnosti, čisti titan je 108.500 MPa, implantiran v telo: bližje naravni kosti človeškega telesa, ugodno za cepljenje kosti, za zmanjšanje učinka zaščite pred napetostjo kosti na vsadek. (3) Nemagnetno, nanj ne vplivajo elektromagnetna polja in nevihte, kar ugodno vpliva na varnost človeškega telesa po uporabi. (4) Netoksičnost, brez strupenih stranskih učinkov na človeško telo kot vsadek. (5) odpornost proti koroziji (bio-inertni kovinski materiali), odlična odpornost proti koroziji v okolju potopitve v človeško kri, da se zagotovi dobra združljivost s človeško krvjo in celičnimi tkivi, saj vsadki ne povzročajo človeške kontaminacije, ne bo prišlo do alergijskih reakcij, ki je osnova za uporabo pogojev za titan in titanove zlitine. (6) visoka trdnost, dobra žilavost zaradi travme, tumorjev in drugih dejavnikov, ki vodijo do poškodb kosti, sklepov, da se vzpostavi trdna podpora kosti, je treba uporabiti s pomočjo ukrivljenih plošč, vijakov, umetne kosti in sklepov, itd., te vsadke je treba pustiti v telesu dlje časa, bodo podvrženi upogibanju, zvijanju, iztiskanju, krčenju mišic in drugim vlogam človeškega telesa, zahtevam vsadkov z visoko trdnostjo in žilavostjo.

2.2 Medicinska in ortopedska področja titanovih zlitin
Razmere na trgu z razvojem titanovih zlitin, sort titana in znižanjem cen, uporaba titana v civilni industriji se je eksponentno povečala. CFDA bo razdeljen v tri razrede medicinskih pripomočkov glede na njihovo varnost od visoke do nizke, oziroma po treh ravneh vladnega nadzora in upravljanja, vsadki iz materiala iz titana in titanove zlitine spadajo v tretji razred medicinskih pripomočkov in visoke vrednosti razred potrošnega materiala. Tržni delež podsegmenta več kot 5 % podindustrije, vključno z in vitro diagnostiko, srcem, diagnostičnim slikanjem, ortopedijo, oftalmologijo, ortopedijo šest glavnih segmentov. Med njimi so in vitro diagnostika, ortopedija in kardiološki posegi najhitreje rastoči potrošni material visoke vrednosti na Kitajskem. Uporaba biomedicinskega titana in njegovih zlitin je šla skozi tri pomembne faze: zgodnja uporaba v zgodnjih petdesetih letih 20. stoletja, najprej v Združenem kraljestvu in Združenih državah, komercialno čist titan je bil uporabljen za izdelavo kostnih ploščic, vijakov, intramedularnih žebljev in kolčnih sklepov. . Švicarski Mathys je uporabil tudi zlitino Ti-6A1-7Nb za izdelavo nerazširjenih intramedularnih žebljev (vključno s golenico, humerusom, stegnenico) in votlih vijakov za zdravljenje zlomov vratu stegnenice. Proizvodnja bioaktivnega materiala iz porozne zlitine Ni-Ti (PNT) cervikalne, ledvene interbody fuzije (Cage) Kanada Podjetje BIORTHEX je razvilo uporabo patentiranega materiala iz porozne zlitine Ni-Ti ACTIPOREORE gama za proizvodnjo cervikalne, ledvene interbody fuzije za zdravljenje ortopedskih poškodb hrbtenice. Nova beta titanova zlitina lahko upošteva ortopedijo, zobozdravstvo in vaskularne posege ter druge uporabe naprednih materialov. Industrija ortopedskih medicinskih pripomočkov predstavlja več kot 9 % svetovnega tržnega deleža medicinskih pripomočkov in še vedno hitro raste. Trg ortopedskih medicinskih pripomočkov je razdeljen na štiri glavne segmente: travma, sklepi, hrbtenica in drugi. Med njimi je trauma edini segment, ki ga tuja podjetja niso zasedla, da bi zasedla večji tržni delež, predvsem zato, ker so izdelki na tem področju nizkotehnološki, jih je enostavno posnemati, jih je manj težko upravljati in veliko drugih in tretjih. Bolnišnice na nivoju se lahko izvajajo, zato tujih podjetij ni mogoče v celoti pokriti. Izdelke za travmo lahko razdelimo na naprave za notranjo fiksacijo in zunanjo fiksacijo, izdelke za travmo z notranjo fiksacijo, vključno z intramedularnimi žeblji, ploščami in vijaki itd. Leta 2012 je travma predstavljala 34 % domačega ortopedskega trga, 28 % sklepov, 20 % hrbtenice in 18 % drugega. Veliki sklepi so vrhunski medicinski pripomočki z visokimi tehničnimi ovirami. Trenutno glavne bolnišnice večinoma uvažajo ortopedske materiale, še vedno pa obstaja vrzel med domačimi in uvoženimi izdelki v smislu tehnologije, oblikovanja, raziskav in razvoja, materialov in postopka površinske obdelave. Umetne sklepe večinoma delimo na umetne kolenske, kolčne, komolčne, ramenske sklepe, sklepe prstov na rokah in nogah itd., od katerih so najpomembnejši sklepni nadomestki kolčni in kolenski sklepi, ki skupaj predstavljajo več kot 95 % svetovnega trga zamenjav sklepov. . Naprave za hrbtenične vsadke vključujejo sistem za nohte torakolumbalne hrbtenice, sistem za nohte vratne hrbtenice in fuzijski sistem itd., od katerih se medvretenčni fuzijski sistem uporablja predvsem pri zdravljenju zamenjave medvretenčne ploščice, ki je tudi najpomembnejši segment, saj predstavlja približno polovico celotnega trga hrbteničnih vsadkov.
Vrhunska učinkovitost titanovih zlitin je povzročila njihov vodilni položaj na medicinskem področju. Zasnova materialov in tehnologija priprave titanovih zlitin sta se hitro razvili s preboji v biotehnologiji in velikim povpraševanjem po medicinskih aplikacijah. Medicinske titanove zlitine, ki se trenutno proizvajajo, so večinoma titanove zlitine tipa +. Z vidika procesa priprave trenutno glavni tržni delež zavzema proizvodnja TC4 (TC4ELI). -titanove zlitine so postale žarišče raziskav novih medicinskih titanovih zlitin zaradi svojih prednosti v biokompatibilnosti in mehanski združljivosti, kar je najbolj obetavna tehnologija na področju medicinskih vsadkov. V prihodnosti je treba tehnologijo proizvodnje titanovih zlitin razvijati v smeri nizkega modula, visoke trdnosti, dobre biokompatibilnosti in mehanske združljivosti. Iz razvojnega trenda bo titanova zlitina -tipa postala prihodnja razvojna smer in glavni tok trga medicinskih titanovih zlitin.