Biomedicínske materiály a aplikácie z titánových zliatin

Materiály zo zliatiny titánu pre biomedicínske aplikácie sú triedou funkčných konštrukčných materiálov používaných v biomedicínskom inžinierstve, konkrétne na výrobu a výrobu chirurgických implantátov a ortopedických zariadení. Výroba a príprava titánových zliatin zahŕňa metalurgiu, tlakové spracovanie, kompozitné materiály a chemický priemysel a vo svete je uznávaný ako high-tech produkt. Titán a zliatiny titánu sa postupne dostávajú do oblasti civilného spotrebiteľa z leteckého, leteckého a obranného priemyslu. Ako sú implantáty pre zdravotnícky priemysel, zdravotnícke pomôcky; športový a rekreačný priemysel titánové golfové palice a titánové rámy okuliarov, titánové hodinky, titánové bicykle a iné produkty, dopyt po materiáloch na spracovanie titánu sa zvyšuje. S energickým rozvojom biotechnológie a veľkými prelommi sa priemysel biomedicínskych kovových materiálov a produktov rozvinie na pilier svetovej ekonomiky. Medzi nimi titán a jeho zliatiny s nízkou hmotnosťou, nízkym modulom pružnosti, netoxické, nemagnetické, odolnosť proti korózii, vysoká pevnosť, dobrá húževnatosť a ďalšie vynikajúce komplexné vlastnosti, v posledných rokoch dopyt po rýchlom a stabilnom raste. V rovnakej dobe, ako zliatiny titánu začnú vstupovať do oblasti ortopédie a ďalších nových potenciálnych trhových dopytov, budúcnosť trhu so zliatinami titánu sa objaví rýchlejšie.
1 Pokrok vo výskume zliatiny lekárskeho titánu
1.1 Klasifikácia zliatiny lekárskeho titánu
Zliatiny titánu možno rozdeliť do 3 kategórií podľa typu mikroštruktúry materiálu: -typ, + -typ a -typ titánových zliatin.
1.2 Trend vývoja zliatiny lekárskeho titánu
Literárny výskum zistil, že domáci a zahraniční výskumníci a vedci sa zhodujú v tom, že vývoj zliatin medicínskeho titánu prešiel tromi ikonickými fázami, pričom prvú fázu predstavuje čistý titán a zliatina Ti-6Al-4V; druhý stupeň predstavuje nová + zliatina s Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb; treťou etapou je vývoj + zliatin s lepšou biokompatibilitou a nižším modulom pružnosti; treťou fázou je vývoj zliatiny + s lepšou biokompatibilitou a nižším modulom pružnosti. a zliatiny titánu s nižším modulom pružnosti. Ideálne biomedicínske materiály zliatin titánu musia spĺňať nasledujúce podmienky: dobrá biokompatibilita, nízky modul pružnosti, nízka hustota, dobrá odolnosť proti korózii, netoxicita, vysoká medza klzu, dlhá únavová životnosť, veľká plasticita pri izbovej teplote, ľahké tvarovanie, ľahké odlievanie . Dôležité zliatiny, ktoré sa široko používajú v materiáloch na implantáty, sú Ti-6A1-4V a Ti-6A1-4VELI. V literatúre sa uvádza, že prvok V môže spôsobiť malígnu reakciu tkaniva, ktorá môže mať toxické vedľajšie účinky na ľudský organizmus, a Al môže spôsobiť osteoporózu a duševné poruchy a iné poruchy; s cieľom vyriešiť tento problém sa súčasní vedci zaoberajúci sa biomateriálmi zaviazali skúmať a skúmať nové biomedicínske zliatiny titánu, ktoré neobsahujú V a Al. Aby sa tento problém vyriešil, súčasní vedci v oblasti biomateriálov sa zaviazali skúmať a skúmať nové biomateriály, ktoré neobsahujú V, Al titánové zliatiny na lekárske použitie, a predtým je potrebné zistiť, aké legovacie prvky sú vhodné na pridávanie - toxické a biokompatibilné. Zistilo sa, že zliatiny titánu obsahujúce netoxické prvky ako molybdén, niób, tantal, zirkón a pod., obsahujú vyšší obsah stabilizačných prvkov a v porovnaní so zliatinami + titánu majú nižší modul pružnosti (E {{ 19}} ~ 80GPa), ako aj lepšie šmykové vlastnosti a húževnatosť, čo je vhodnejšie na implantáciu do ľudského tela ako implantát.

2 Aplikácia zliatiny titánu
2.1 Lekársky základ zliatiny titánu
Výhody použitia titánu a titánových zliatin ako ľudských implantátov sú najmä: (1) hustota (20 stupňov)=4,5 g/cm3, nízka hmotnosť. Implantované do ľudského tela: na zníženie zaťaženia ľudského tela, ako zdravotnícka pomôcka: na zníženie prevádzkovej záťaže zdravotníckeho personálu. (2) Nízky modul pružnosti, čistý titán je 108 500 MPa, implantovaný do tela: bližšie k prirodzenej kosti ľudského tela, čo vedie k štepeniu kostí, aby sa znížil účinok tienenia kosti na implantát proti stresu. (3) Nemagnetické, neovplyvnené elektromagnetickými poľami a búrkami, čo je priaznivé pre bezpečnosť ľudského tela po použití. (4) Netoxicita, žiadne toxické vedľajšie účinky na ľudské telo ako implantát. (5) odolnosť proti korózii (bio-inertné kovové materiály), vynikajúca odolnosť proti korózii v prostredí ponorenia do ľudskej krvi, aby sa zabezpečila dobrá kompatibilita s ľudskou krvou a bunkovými tkanivami, keďže implantáty nespôsobujú ľudskú kontamináciu, nedochádza k alergickým reakciám, ktoré je základom pre aplikáciu podmienok titánu a zliatiny titánu. (6) vysoká pevnosť, dobrá húževnatosť v dôsledku traumy, nádorov a iných faktorov vedúcich ku kosti, poškodeniu kĺbov, aby sa vytvorila pevná kostná podpora, sa musí použiť pomocou zakrivených dosiek, skrutiek, umelých kostí a kĺbov, atď., tieto implantáty by mali byť ponechané v tele po dlhú dobu, budú podliehať ohýbaniu, krúteniu, vytláčaniu, svalovej kontrakcii a iným úlohám ľudského tela, požiadavkám implantátov s vysokou pevnosťou a húževnatosťou.

2.2 Medicínska a ortopedická oblasť zliatin titánu
Situácia na trhu s vývojom zliatin titánu, odrôd titánu a znižovania cien, aplikácií titánu v civilnom priemysle exponenciálne vzrástla. CFDA bude rozdelená do troch tried zdravotníckych pomôcok podľa ich bezpečnosti od vysokej po nízku, respektíve podľa troch úrovní vládneho dohľadu a riadenia, implantáty z titánu a zliatiny titánu patria do tretej triedy zdravotníckych pomôcok a vysokohodnotné trieda spotrebného materiálu. Subsegment trhový podiel viac ako 5% pododvetvia, vrátane in vitro diagnostiky, srdca, diagnostického zobrazovania, ortopédie, oftalmológie, ortopédie šiestich hlavných segmentov. Spomedzi nich je v Číne najrýchlejšie rastúcim vysokohodnotným spotrebným materiálom in vitro diagnostika, ortopédia a srdcová intervencia. Aplikácia biomedicínskeho titánu a jeho zliatin prešla tromi prelomovými etapami: skorá aplikácia začiatkom 50-tych rokov minulého storočia, najprv v Spojenom kráľovstve a Spojených štátoch, komerčne čistý titán sa používal na výrobu kostných platničiek, skrutiek, intramedulárnych nechtov a bedrových kĺbov. . Swiss Mathys tiež použil zliatinu Ti-6A1-7Nb na výrobu neexpandovaných intramedulárnych systémov klincov (vrátane holennej kosti, ramennej kosti, stehennej kosti) a dutých skrutiek na liečbu zlomenín krčka stehennej kosti. Výroba bioaktívneho materiálu z poréznej zliatiny Ni-Ti (PNT) na výrobu krčnej, bedrovej medzitelovej fúzie (Cage) Kanada Spoločnosť BIORTHEX vyvinula použitie poréznej zliatiny Ni-Ti patentovaného materiálu ACTIPOREORE gama production cervikálnej, bedrovej medzitelovej fúzie na ortopedickú liečbu poranení chrbtice. Nová zliatina beta titánu môže brať do úvahy ortopédiu, stomatológiu a vaskulárne zásahy a iné použitie pokročilých materiálov, priemysel ortopedických zdravotníckych pomôcok predstavoval viac ako 9% podielu na globálnom trhu so zdravotníckymi pomôckami a stále rýchlo rastie. Trh ortopedických zdravotníckych pomôcok je rozdelený do štyroch hlavných segmentov trauma, kĺb, chrbtica a ďalšie. Medzi nimi je trauma jediným segmentom, ktorý nebol obsadený zahraničnými spoločnosťami, ktorý má veľký podiel na trhu, najmä preto, že výrobky v tejto oblasti sú technicky nenáročné, ľahko napodobiteľné, menej náročné na obsluhu a mnohé druhé a tretie -úrovňové nemocnice môžu byť vykonávané, takže zahraničné spoločnosti nemôžu byť plne pokryté. Traumatické produkty možno rozdeliť na interné fixačné a externé fixačné prostriedky, interné fixačné traumatické produkty vrátane intramedulárnych klincov, dlahy a skrutiek atď. chrbtica a 18 % ostatných. Veľké kĺby sú špičkové medicínske zariadenia s vysokými technickými bariérami. V súčasnosti bežné nemocnice dovážajú najmä ortopedické materiály a stále existuje priepasť medzi domácimi a dovážanými výrobkami z hľadiska technológie, dizajnu, výskumu a vývoja, materiálov a procesu povrchovej úpravy. Umelé kĺby sa kategorizujú najmä na umelé kolenné, bedrové, lakťové, ramenné, prstové a prstové kĺby atď., z ktorých medzi najdôležitejšie kĺbové náhrady patria bedrové a kolenné kĺby, ktoré spolu tvoria viac ako 95 % celosvetového trhu kĺbových náhrad. . Medzi prístroje na spinálne implantáty patrí systém nechtových platničiek torakolumbálnej chrbtice, systém nechtových platničiek krčnej chrbtice a fúzny systém atď., z ktorých systém medzistavcovej fúzie sa používa najmä pri liečbe náhrady medzistavcovej platničky, čo je tiež najdôležitejší segment, ktorý predstavuje asi polovicu celého trhu s chrbticovými implantátmi.
Vynikajúce vlastnosti titánových zliatin viedli k ich vedúcemu postaveniu v oblasti medicíny. Dizajn materiálu a technológia prípravy zliatin titánu sa rýchlo rozvíjali s prelomom v biotechnológii a veľkým dopytom po medicínskych aplikáciách. V súčasnosti vyrábané medicínske titánové zliatiny sú hlavne titánové zliatiny typu +. Z hľadiska procesu prípravy má v súčasnosti hlavný podiel na trhu výroba TC4 (TC4ELI). Titánové zliatiny -typu sa stali stredobodom výskumu nových medicínskych zliatin titánu vďaka svojim výhodám v biokompatibilite a mechanickej kompatibilite, čo je najsľubnejšia technológia v oblasti medicínskych implantátov. V budúcnosti by sa technológia výroby titánových zliatin mala rozvíjať v smere nízkeho modulu, vysokej pevnosti, dobrej biokompatibility a mechanickej kompatibility. Z vývojového trendu sa titánová zliatina typu stane budúcim smerom vývoja a hlavným prúdom trhu so zliatinami lekárskeho titánu.