Materials i aplicacions d'aliatge de titani biomèdic

Materials i aplicacions d'aliatge de titani biomèdic

Els materials d'aliatge de titani biomèdic es refereixen específicament a un tipus de materials estructurals funcionals utilitzats en enginyeria biomèdica, específicament per a la producció i fabricació d'implants quirúrgics i productes de dispositius ortopèdics. La producció i preparació de materials de processament d'aliatges de titani impliquen els camps de la metal·lúrgia, el processament a pressió, els materials compostos i la indústria química, i és un producte d'alta tecnologia reconegut al món. El titani i els aliatges de titani han anat entrant gradualment en el camp del consum civil des dels camps de l'aeronàutica, l'aviació i la defensa nacional. Productes com implants i dispositius mèdics en la indústria mèdica i sanitària; pals de golf de titani a la indústria de l'esport i l'oci, així com marcs d'ulleres de titani, rellotges de titani, bicicletes de titani i altres productes, la demanda de materials processats amb titani augmenta constantment. Amb el vigorós desenvolupament i els avenços de la biotecnologia, la indústria dels materials i productes metàl·lics biomèdics es convertirà en una indústria pilar de l'economia mundial. Entre ells, el titani i els seus aliatges han experimentat un creixement ràpid i constant de la demanda en els darrers anys a causa de les seves excel·lents propietats integrals, com ara lleuger, baix mòdul elàstic, no tòxic i no magnètic, resistència a la corrosió, alta resistència i bona tenacitat. Al mateix temps, a mesura que els aliatges de titani comencen a entrar a la cirurgia plàstica i altres camps, sorgeixen noves demandes potencials del mercat i el mercat dels aliatges de titani creixerà més ràpidament en el futur.

Progrés de la investigació dels aliatges mèdics de titani

1.1 Classificació dels aliatges de titani mèdic

Els aliatges de titani es poden dividir en tres categories segons el tipus de microestructura del material: tipus α, tipus α + β i aliatge de titani tipus β.

1.2 Tendència de desenvolupament dels aliatges de titani mèdic

Després de la investigació de la literatura, es va trobar que els investigadors rellevants nacionals i estrangers creuen per unanimitat que el desenvolupament de aliatges de titani mèdic ha passat per tres etapes icòniques. La primera etapa està representada per titani pur i aliatge Ti-6Al-4V; la segona etapa està representada per Ti Nou aliatges α+β representats per -5A1-2.5Fe i Ti-6A1-7Nb; la tercera etapa és l'etapa principal de desenvolupament i desenvolupament d'aliatges de titani β amb millor biocompatibilitat i mòdul elàstic més baix. Ideal materials d'aliatge de titani biomèdic ha de complir les condicions següents: bona biocompatibilitat, baix mòdul elàstic, baixa densitat, bones propietats anticorrosives, no tòxic, alt rendiment, llarga vida a la fatiga i gran plasticitat a temperatura ambient. , fàcil de formar, fàcil de colar, etc. Els aliatges importants que s'han utilitzat àmpliament en materials d'implant són Ti-6A1-4V i Ti-6A1-4VELI. Hi ha informes a la literatura que l'element V pot causar reaccions malignes dels teixits i pot tenir efectes secundaris tòxics sobre el cos humà, mentre que Al pot causar osteoporosi i trastorns mentals. Per resoldre aquest problema, els científics de biomaterials estan actualment compromesos a explorar i investigar els nous materials d'aliatge de titani biomèdic d'Al, sense V, abans que cal esbrinar quin tipus d'elements d'aliatge són adequats per afegir que siguin no tòxics i biocompatibles. . Els estudis han descobert que els aliatges de titani β que contenen elements no tòxics com el molibdè, el niobi, el tàntal i el zirconi contenen un contingut més elevat d'elements estabilitzadors β i tenen un mòdul elàstic més baix (E=55~80GPa) i un millor rendiment de cisalla. duresa, és més adequat per a la implantació al cos humà com a implant.

Aplicacions dels aliatges de titani

2.1 Bases mèdiques dels aliatges de titani

Els principals avantatges d'utilitzar titani i aliatges de titani com a implants humans són: (1) Densitat (20 °C) = 4.5 g/cm3 i lleuger. Implantat al cos humà: reduir la càrrega del cos humà; com a dispositiu mèdic: reduir la càrrega operativa del personal mèdic. (2) El mòdul elàstic és baix i el titani pur és de 108500MPa. Quan s'implanta al cos humà: està més a prop de l'os natural del cos humà, que és propici per a l'empelt ossi i redueix l'efecte de protecció contra l'estrès de l'os a l'implant. (3) No magnètic, no afectat pels camps electromagnètics i les tempestes, que és beneficiós per a la seguretat humana després de l'ús. (4) No és tòxic i no té efectes tòxics ni secundaris sobre el cos humà com a implant. (5) Resistència a la corrosió (material metàl·lic biològicament inert). Té una excel·lent resistència a la corrosió en l'entorn d'immersió de la sang humana i garanteix una bona compatibilitat amb la sang humana i els teixits cel·lulars. Com a implant, no produeix contaminació humana i no és perjudicial per al cos humà. Es produiran reaccions al·lèrgiques, que és una condició bàsica per a l'aplicació de titani i aliatges de titani. (6) Alta resistència i bona tenacitat. Danys ossis i articulacions per traumatismes, tumors i altres factors. Per establir una bastida òssia estable, s'han d'utilitzar plaques d'arc, cargols, ossos artificials, articulacions, etc. Aquests implants s'han de deixar al seu lloc durant molt de temps. el cos humà estarà subjecte a flexió, torsió, compressió, contracció muscular i altres efectes del cos humà, que requereixen que els implants tinguin una gran resistència i duresa.

2.2 Camps mèdics i ortopèdics dels aliatges de titani

Situació del mercat Amb el desenvolupament dels aliatges de titani, l'augment de les varietats de materials de titani i la reducció dels preus, l'aplicació del titani a la indústria civil s'ha duplicat. El CFDA divideix els dispositius mèdics en tres nivells segons la seva seguretat d'alta a baixa, i són supervisats i gestionats pels tres nivells de govern respectivament. Els implants fets amb materials de titani i aliatges de titani pertanyen a la tercera categoria de dispositius mèdics i són consumibles d'alt valor. Els subsectors que representen més del 5% del mercat inclouen sis grans segments: diagnòstic in vitro, cardiologia, imatge diagnòstica, ortopèdia, oftalmologia i cirurgia plàstica. Entre ells, el diagnòstic in vitro, l'ortopèdia i la intervenció cardíaca són els consumibles d'alt valor que creixen més ràpidament a la Xina. L'aplicació del titani biomèdic i els seus materials d'aliatge ha passat per tres etapes icòniques: Aplicació inicial A principis de la dècada de 1950, primer al Regne Unit i als Estats Units, el titani comercialment pur es va utilitzar per fabricar plaques òssies, cargols, claus intramedulars i maluc. articulacions. L'empresa suïssa Mathys també utilitza l'aliatge Ti-6A1-7Nb per fabricar sistemes d'ungles intramedul·lars de bloqueig no expandits (incloent-hi tíbia, húmer i fèmur) i cargols buits per al tractament de fractures òssies del coll femoral. El material bioactiu d'aliatge de Ni-Ti (PNT) porós s'utilitza per fabricar gàbies de fusió intervertebral cervical i lumbar (gàbia). L'empresa canadenca BIORTHEX ha desenvolupat una gàbia de fusió intervertebral cervical i lumbar feta de material patentat d'aliatge Ni-Ti porós ACTIPORE G per al tractament de lesions ortopèdiques de la columna. El nou aliatge de titani beta es pot utilitzar com a material avançat per a múltiples finalitats, com ara ortopèdia, odontologia i intervenció vascular. La indústria de dispositius mèdics ortopèdics representa el 9% de la quota de mercat mundial de dispositius mèdics i segueix creixent ràpidament. El mercat de dispositius mèdics ortopèdics es segmenta principalment en quatre àrees: trauma, articulacions, columna vertebral i altres. Entre ells, el trauma és l'únic segment que actualment no té una gran quota de mercat ocupada per empreses estrangeres. El motiu principal és que els productes d'aquest camp tenen un baix contingut tècnic, són fàcils d'imitar i són menys difícils d'operar. Es poden realitzar en molts hospitals de segon i tercer nivell, i les empreses estrangeres no els poden cobrir completament. Els productes de trauma es poden dividir en dispositius de fixació interna i dispositius de fixació externa. Els productes de trauma de fixació interna inclouen claus intramedulars, plaques òssies, cargols, etc. El 2012, el trauma representava el 34% del mercat nacional d'ortopèdia, les articulacions el 28%, la columna vertebral el 20% i altres. 18%. Les articulacions grans són dispositius mèdics d'alta gamma amb barreres tècniques elevades. Actualment, els hospitals convencionals utilitzen principalment materials ortopèdics importats. Encara hi ha una bretxa entre els productes nacionals i els importats pel que fa a tecnologia, disseny, recerca i desenvolupament, materials, processos de tractament de superfícies, etc. Les articulacions artificials es divideixen principalment en genolls artificials, malucs, colzes, espatlles, dits de mans i peus, etc. Entre ells, els reemplaçaments articulars més importants inclouen les articulacions del maluc i les articulacions del genoll, que en conjunt representen més del 95% del mercat mundial de reemplaçament articular. Els dispositius d'implants espinals inclouen sistemes de plaques d'ungles toracolumbars, sistemes de plaques d'ungles de la columna cervical i sistemes de gàbies de fusió, entre els quals el sistema de gàbies intervertebrals s'utilitza principalment per al tractament de substitució del disc intervertebral i també és el segment més important, que representa aproximadament tot el mercat d'implants espinals. .

Conclusió

Les propietats superiors dels aliatges de titani han contribuït a la seva posició de lideratge en l'àmbit mèdic. La tecnologia de disseny i preparació de materials dels aliatges de titani s'ha desenvolupat ràpidament amb els avenços en biotecnologia i la gran demanda d'aplicacions mèdiques. El aliatges de titani mèdic Actualment es produeixen principalment aliatges de titani de tipus α+β. Des de la perspectiva de la tecnologia de preparació, la producció de TC4 (TC4ELI) ocupa actualment la quota de mercat principal. L'aliatge de titani de tipus β té certs avantatges en biocompatibilitat i compatibilitat mecànica, de manera que s'ha convertit en un punt d'investigació per a nous aliatges de titani mèdic i és la tecnologia amb més potencial en el camp dels implants mèdics. En el futur, la tecnologia de producció d'aliatges de titani hauria de desenvolupar-se en la direcció de baix mòdul, alta resistència, bona biocompatibilitat i compatibilitat mecànica. Des de la perspectiva de les tendències de desenvolupament, els aliatges de titani de tipus β es convertiran en la direcció de desenvolupament futura i el corrent principal del mercat d'aliatges de titani mèdic.