Biomeditsiinilised titaanisulami materjalid ja rakendused

Avaleht > Teadmised > Biomeditsiinilised titaanisulami materjalid ja rakendused

Biomeditsiinilised titaanisulami materjalid ja rakendused

Biomeditsiinilised titaanisulamist materjalid viitavad konkreetselt teatud tüüpi funktsionaalsetele struktuurimaterjalidele, mida kasutatakse biomeditsiinitehnikas, eriti kirurgiliste implantaatide ja ortopeediliste seadmete tootmiseks. Titaanisulamite töötlemismaterjalide tootmine ja valmistamine hõlmab metallurgia, survetöötluse, komposiitmaterjalide ja keemiatööstuse valdkondi ning on maailmas tunnustatud kõrgtehnoloogiline toode. Titaan ja titaanisulamid on järk-järgult jõudnud tsiviiltarbimise valdkonda lennunduse, lennunduse ja riigikaitse valdkonnast. Sellised tooted nagu implantaadid ja meditsiiniseadmed meditsiini- ja tervishoiutööstuses; Titaanist golfikepid spordi- ja vabaajatööstuses, samuti titaanist prillide raamid, titaanist kellad, titaanist jalgrattad ja muud tooted, kasvab nõudlus titaanist töödeldud materjalide järele pidevalt. Biotehnoloogia jõulise arengu ja läbimurretega areneb biomeditsiiniliste metallimaterjalide ja -toodete tööstus maailmamajanduse sambatööstuseks. Nende hulgas on titaani ja selle sulamite nõudlus viimastel aastatel kiiresti ja pidevalt kasvanud tänu nende suurepärastele terviklikele omadustele, nagu kerge kaal, madal elastsusmoodul, mittetoksiline ja mittemagnetiline, korrosioonikindlus, kõrge tugevus ja hea sitkus. Samal ajal, kui titaanisulamid hakkavad sisenema plastilise kirurgia ja muudesse valdkondadesse, ilmnevad uued potentsiaalsed turunõudmised ning titaanisulamite turg kasvab tulevikus kiiremini.

Meditsiiniliste titaanisulamite uurimistöö edusammud

1.1 Meditsiiniliste titaanisulamite klassifikatsioon

Titaanisulamid võib materjali mikrostruktuuri tüübi järgi jagada kolme kategooriasse: α-tüüpi, α+β-tüüpi ja β-tüüpi titaanisulam.

1.2 Meditsiiniliste titaanisulamite arengusuund

Pärast kirjanduse uurimist selgus, et asjakohased teadlased nii kodu- kui ka välismaal on üksmeelselt seisukohal, et areng meditsiinilised titaanisulamid on läbinud kolm ikoonilist etappi. Esimest etappi esindab puhas titaan ja Ti-6Al-4V sulam; teist etappi esindavad Ti Uued α+β sulamid, mida esindavad -5A1-2.5Fe ja Ti-6A1-7Nb; kolmas etapp on parema biosobivuse ja madalama elastsusmooduliga β-titaani sulamite väljatöötamise ja arendamise põhietapp. Ideaalne biomeditsiinilised titaanisulamist materjalid peab vastama järgmistele tingimustele: hea biosobivus, madal elastsusmoodul, madal tihedus, head korrosioonivastased omadused, mittetoksiline, kõrge voolavuspiir, pikk väsimusiga ja suur plastilisus toatemperatuuril. , lihtne vormida, lihtne valada jne Olulised sulamid, mida on implantaadimaterjalides laialdaselt kasutatud, on Ti-6A1-4V ja Ti-6A1-4VELI. Kirjanduses on andmeid, et V-element võib põhjustada pahaloomulisi koereaktsioone ja avaldada inimorganismile toksilisi kõrvalmõjusid, Al aga võib põhjustada osteoporoosi ja psüühikahäireid. Selle probleemi lahendamiseks on biomaterjalide teadlased praegu pühendunud Al-i uute V-vabade biomeditsiiniliste titaanisulamist materjalide uurimisele ja uurimisele, enne seda tuleb välja selgitada, milliseid sulamielemente sobib lisada, mis on nii mittetoksilised kui ka bioloogiliselt ühilduvad. . Uuringud on näidanud, et β-titaanisulamid, mis sisaldavad mittetoksilisi elemente, nagu molübdeen, nioobium, tantaal ja tsirkoonium, sisaldavad suuremat β-stabiliseerivate elementide sisaldust ning neil on madalam elastsusmoodul (E=55~80GPa) ja parem nihkejõudlus ja sitkus, sobib see rohkem implantaadina inimkehasse implanteerimiseks.

Medical Titanium Alloy stock.png

Titaanisulamite rakendused

2.1 Titaanisulamite meditsiiniline alus

Titaani ja titaanisulamite inimeste implantaatidena kasutamise peamised eelised on: (1) Tihedus (20 °C) = 4.5 g/cm3 ja kerge. Inimkehasse siirdatud: vähendada inimkeha koormust; meditsiiniseadmena: vähendada meditsiinipersonali töökoormust. (2) Elastsusmoodul on madal ja puhas titaan on 108500 MPa. Inimkehasse siirdamisel: see on inimese keha loomulikule luule lähemal, mis soodustab luusiirdamist ja vähendab luu stressivarjestavat toimet implantaadile. (3) Mittemagnetiline, ei mõjuta elektromagnetväljad ega äikesetormid, mis on pärast kasutamist kasulik inimeste ohutusele. (4) See on mittetoksiline ja sellel ei ole implantaadina toksilisi ega kõrvalmõjusid inimkehale. (5) Korrosioonikindlus (bioloogiliselt inertne metallmaterjal). Sellel on suurepärane korrosioonikindlus inimvere sukeldumiskeskkonnas ja see tagab hea ühilduvuse inimese vere ja rakukudedega. Implantaadina ei tekita see inimreostust ega ole inimorganismile kahjulik. Tekivad allergilised reaktsioonid, mis on titaani ja titaanisulamite kasutamise põhitingimus. (6) Suur tugevus ja hea sitkus. Luu- ja liigesekahjustused trauma, kasvajate ja muude tegurite tõttu. Stabiilse luukarkassi rajamiseks tuleb kasutada kaareplaate, kruvisid, tehisluid, liigeseid jne. Need implantaadid tuleb pikaks ajaks paigale jätta. inimkeha allub paindumisele, väänamisele, pigistamisele, lihaste kokkutõmbumisele ja muudele inimkeha mõjudele, mis nõuavad implantaatide suurt tugevust ja sitkust.

2.2 Titaanisulamite meditsiinilised ja ortopeedilised valdkonnad

Turuolukord Seoses titaanisulamite arenguga, titaanmaterjali sortide kasvuga ja hindade langusega on titaani kasutamine tsiviiltööstuses kahekordistunud. CFDA jagab meditsiiniseadmed kolme tasemeni vastavalt nende ohutusele kõrgest madalani ning nende üle teostavad järelevalvet ja haldamist vastavalt kolm valitsustasandit. Titaanist ja titaanisulamitest materjalidest implantaadid kuuluvad meditsiiniseadmete kolmandasse kategooriasse ja on väärtuslikud tarbekaubad. Alamsektorid, mis moodustavad enam kui 5% turust, hõlmavad kuut peamist segmenti: in vitro diagnostika, kardioloogia, diagnostiline pildistamine, ortopeedia, oftalmoloogia ja plastiline kirurgia. Nende hulgas on Hiinas kõige kiiremini kasvavad väärtuslikud tarbekaubad in vitro diagnostika, ortopeedia ja südame sekkumine. Biomeditsiinilise titaani ja selle sulamimaterjalide kasutamine on läbinud kolm ikoonilist etappi: Esmane rakendamine 1950. aastate alguses, kõigepealt Ühendkuningriigis ja USA-s, kasutati kaubanduslikult puhast titaani luuplaatide, kruvide, intramedullaarsete naelte ja puusaliigese valmistamiseks. liigesed. Šveitsi ettevõte Mathys kasutab Ti-6A1-7Nb sulamit ka laiendamata lukustuvate intramedullaarsete küünesüsteemide (sealhulgas sääreluu, õlavarreluu ja reieluu) ja õõneskruvide tootmiseks reieluukaela luumurdude raviks. Poorsest Ni-Ti (PNT) sulamist bioaktiivset materjali kasutatakse emakakaela ja nimmepiirkonna intervertebral fusioonpuuride (Cage) valmistamiseks. Kanada ettevõte BIORTHEX on ortopeediliste lülisambavigastuste raviks välja töötanud poorsest Ni-Ti sulamist patenteeritud materjalist ACTIPORE G emakakaela ja nimmepiirkonna intervertebral fusioonpuuri. Uut beeta-titaani sulamit saab kasutada täiustatud materjalina mitmel otstarbel, nagu ortopeedia, hambaravi ja veresoonte sekkumine. Ortopeediliste meditsiiniseadmete tööstus moodustab 9% ülemaailmsest meditsiiniseadmete turuosast ja kasvab endiselt kiiresti. Ortopeediliste meditsiiniseadmete turg on peamiselt segmenteeritud nelja valdkonda: traumad, liigesed, selgroog ja teised. Nende hulgas on traumad ainuke segment, millel ei ole praegu välismaiste ettevõtete poolt hõivatud suurt turuosa. Peamine põhjus on selles, et selle valdkonna tooted on madala tehnilise sisuga, neid on lihtne jäljendada ja neid on vähem raske kasutada. Neid saab teha paljudes teise ja kolmanda astme haiglates ning välisfirmad ei suuda neid täielikult katta. Traumatooted võib jagada sisefiksatsiooniks ja välisfiksatsiooniks. Sisefiksatsiooniga traumatoodeteks on intramedullaarsed naelad, luuplaadid, kruvid jne. 2012. aastal moodustasid traumad kodumaisest ortopeediaturust 34%, liigesed 28%, lülisambad 20% ja teised. 18%. Suured liigendid on kõrgetasemelised meditsiiniseadmed, millel on kõrged tehnilised tõkked. Praegu kasutavad tavahaiglad peamiselt imporditud ortopeedilisi materjale. Kodumaiste ja importtoodete vahel on endiselt lõhe tehnoloogia, disaini, uurimis- ja arendustegevuse, materjalide, pinnatöötlusprotsesside jms osas. Kunstliigesed jagunevad peamiselt kunstpõlvedeks, puusadeks, küünarnukkideks, õlgadeks, sõrme- ja varbaliigesteks jne. Nende hulgas on olulisemad liigeseproteesid puusa- ja põlveliigesed, mis kokku moodustavad üle 95% ülemaailmsest liigeste asendamise turust. Lülisambaimplantaadi seadmete hulka kuuluvad rindkere lülisamba küüneplaadisüsteemid, emakakaela lülisamba küüneplaadisüsteemid ja fusioonpuurisüsteemid, millest lülidevahelist puuri kasutatakse peamiselt lülivaheketaste asendusraviks ning see on ka kõige olulisem segment, moodustades ligikaudu kogu selgroo implantaatide turu. .

Järeldus

Titaanisulamite suurepärased omadused on aidanud kaasa selle juhtivale positsioonile meditsiinivaldkonnas. Titaanisulamite materjalidisaini ja valmistamise tehnoloogia on kiiresti arenenud koos biotehnoloogia läbimurretega ja suure nõudlusega meditsiiniliste rakenduste järele. The meditsiinilised titaanisulamid praegu toodetakse peamiselt α+β tüüpi titaanisulameid. Valmistamistehnoloogia vaatenurgast moodustab praegu peamise turuosa TC4 (TC4ELI) tootmine. β-tüüpi titaanisulamil on teatud eelised biosobivuse ja mehaanilise ühilduvuse osas, seega on sellest saanud uute meditsiiniliste titaanisulamite uurimistöö koht ja see on meditsiiniimplantaatide valdkonnas kõige potentsiaalsem tehnoloogia. Tulevikus peaks titaanisulamite tootmistehnoloogia arenema madala mooduli, suure tugevuse, hea biosobivuse ja mehaanilise ühilduvuse suunas. Arengutrendide vaatenurgast saavad β-tüüpi titaanisulamid meditsiinilise titaanisulamite turu tulevaseks arengusuunaks ja peavooluks.