Биомедицинские материалы и применение титановых сплавов
Биомедицинские материалы и применение титановых сплавов
Материалы из биомедицинских титановых сплавов относятся к типу функциональных конструкционных материалов, используемых в биомедицинской инженерии, в частности для производства хирургических имплантатов и изделий ортопедических устройств. Производство и подготовка материалов для обработки титановых сплавов охватывают области металлургии, обработки давлением, композиционных материалов и химической промышленности и являются признанным высокотехнологичным продуктом в мире. Титан и титановые сплавы постепенно вошли в сферу гражданского потребления из аэрокосмической, авиационной и национальной обороны. Такие продукты, как имплантаты и медицинские устройства в сфере медицины и здравоохранения; титановые клюшки для гольфа в индустрии спорта и отдыха, а также титановые оправы для очков, титановые часы, титановые велосипеды и другие товары, спрос на материалы, обработанные титаном, постоянно растет. Благодаря энергичному развитию и прорывам в области биотехнологий, индустрия биомедицинских металлических материалов и изделий станет опорной отраслью мировой экономики. Среди них спрос на титан и его сплавы в последние годы быстро и устойчиво растет благодаря их превосходным комплексным свойствам, таким как легкий вес, низкий модуль упругости, нетоксичность и немагнитность, коррозионная стойкость, высокая прочность и хорошая ударная вязкость. В то же время, по мере того, как титановые сплавы начинают использоваться в пластической хирургии и других областях, появляются новые потенциальные рыночные потребности, и в будущем рынок титановых сплавов будет расти быстрее.
Ход исследований медицинских титановых сплавов
1.1 Классификация медицинских титановых сплавов
Титановые сплавы можно разделить на три категории в зависимости от типа микроструктуры материала: титановый сплав α-типа, α+β-типа и титановый сплав β-типа.
1.2 Тенденции развития медицинских титановых сплавов
После исследования литературы было обнаружено, что соответствующие исследователи в стране и за рубежом единодушно полагают, что развитие медицинские титановые сплавы прошел три знаковых этапа. Первая ступень представлена чистым титаном и сплавом Ti-6Al-4V; второй этап представлен сплавами Ti New α+β, представленными -5A1-2.5Fe и Ti-6A1-7Nb; третий этап – основной этап разработки и разработки β-титановых сплавов с лучшей биосовместимостью и меньшим модулем упругости. Идеально биомедицинские материалы из титанового сплава Должен отвечать следующим условиям: хорошая биосовместимость, низкий модуль упругости, низкая плотность, хорошие антикоррозионные свойства, нетоксичность, высокий предел текучести, длительный усталостный ресурс, большая пластичность при комнатной температуре. , легко формуется, легко отливается и т. д. Важными сплавами, которые широко используются в материалах имплантатов, являются Ti-6A1-4V и Ti-6A1-4VELI. В литературе имеются сообщения о том, что элемент V может вызывать злокачественные тканевые реакции и оказывать токсическое побочное действие на организм человека, а Al может вызывать остеопороз и психические расстройства. Чтобы решить эту проблему, ученые-биоматериалы в настоящее время занимаются изучением и исследованием новых биомедицинских материалов из титанового сплава Al, не содержащих V, перед этим необходимо выяснить, какие элементы сплава подходят для добавления, которые являются одновременно нетоксичными и биосовместимыми. . Исследования показали, что β-титановые сплавы, содержащие нетоксичные элементы, такие как молибден, ниобий, тантал и цирконий, содержат более высокое содержание β-стабилизирующих элементов и имеют более низкий модуль упругости (E = 55 ~ 80 ГПа), а также лучшие характеристики сдвига и прочность, он больше подходит для вживления в организм человека в качестве имплантата.
Применение титановых сплавов
2.1 Медицинская основа титановых сплавов
Основными преимуществами использования титана и титановых сплавов в качестве имплантатов для человека являются: (1) Плотность (20°C) = 4.5 г/см3 и легкий вес. Имплантируется в организм человека: снижает нагрузку на организм человека; в качестве медицинского изделия: снизить рабочую нагрузку на медицинский персонал. (2) Модуль упругости низкий, а чистый титан составляет 108500 МПа. При имплантации в организм человека: он ближе к естественной кости человеческого тела, что способствует проведению костной пластики и снижает стрессоустойчивое воздействие кости на имплантат. (3) Немагнитный, не подвержен воздействию электромагнитных полей и гроз, что повышает безопасность человека после использования. (4) Он нетоксичен и не оказывает токсического или побочного воздействия на организм человека в качестве имплантата. (5) Коррозионная стойкость (биологически инертный металлический материал). Он обладает превосходной коррозионной стойкостью в среде погружения в человеческую кровь и обеспечивает хорошую совместимость с человеческой кровью и клеточными тканями. Будучи имплантатом, он не загрязняет окружающую среду и не вреден для человеческого организма. Возникнут аллергические реакции, что является основным условием применения титана и титановых сплавов. (6) Высокая прочность и хорошая ударная вязкость. Повреждения костей и суставов вследствие травм, опухолей и других факторов. Для создания стабильного костного каркаса необходимо использовать дуговые пластины, винты, искусственные кости, суставы и т. д. Эти имплантаты необходимо оставлять на месте в течение длительного времени. человеческое тело будет подвергаться изгибу, скручиванию, сжатию, сокращению мышц и другим воздействиям человеческого тела, что требует от имплантатов высокой прочности и прочности.
2.2. Медицинская и ортопедическая область применения титановых сплавов.
Ситуация на рынке С развитием титановых сплавов, увеличением разновидностей титановых материалов и снижением цен применение титана в гражданской промышленности удвоилось. CFDA делит медицинские устройства на три уровня в зависимости от их безопасности от высокого до низкого, и они контролируются и управляются соответственно тремя уровнями правительства. Имплантаты из титана и материалов титановых сплавов относятся к третьей категории медицинских изделий и являются дорогостоящим расходным материалом. Подотрасли, на долю которых приходится более 5% рынка, включают шесть основных сегментов: диагностика in vitro, кардиология, диагностическая визуализация, ортопедия, офтальмология и пластическая хирургия. Среди них диагностика in vitro, ортопедия и кардиохирургия являются наиболее быстрорастущими дорогостоящими расходными материалами в Китае. Применение биомедицинского титана и материалов из его сплавов прошло три знаковых этапа: Первоначальное применение В начале 1950-х годов, сначала в Великобритании и США, коммерчески чистый титан использовался для изготовления костных пластин, винтов, интрамедуллярных стержней и тазобедренных суставов. суставы. Швейцарская компания Mathys также использует сплав Ti-6A1-7Nb для производства нерасширяющихся блокирующих интрамедуллярных стержневых систем (в том числе большеберцовой, плечевой и бедренной костей) и полых винтов для лечения переломов шейки бедренной кости. Биоактивный материал из пористого сплава Ni-Ti (ПНТ) используется для изготовления шейных и поясничных межпозвоночных спондилодезических кейджей (Cage). Канадская компания BIORTHEX разработала шейный и поясничный межпозвонковый спондилодезический кейдж из пористого сплава Ni-Ti, запатентованного материала ACTIPORE G, для лечения ортопедических повреждений позвоночника. Новый бета-титановый сплав можно использовать в качестве современного материала для различных целей, таких как ортопедия, стоматология и сосудистые вмешательства. На долю отрасли ортопедического медицинского оборудования приходится 9% мирового рынка медицинского оборудования, и она по-прежнему быстро растет. Рынок ортопедических медицинских изделий преимущественно сегментирован на четыре направления: травмы, суставы, позвоночник и другие. Среди них травматология является единственным сегментом, который в настоящее время не имеет значительной доли рынка, занятой иностранными компаниями. Основная причина заключается в том, что продукты в этой области имеют низкое техническое содержание, их легко имитировать и ими легче управлять. Их можно проводить во многих больницах второго и третьего уровня, и иностранные компании не могут их полностью охватить. Травматические изделия можно разделить на устройства внутренней фиксации и устройства внешней фиксации. К травматологическим средствам внутренней фиксации относятся интрамедуллярные гвозди, костные пластины, винты и т. д. В 2012 году травматология занимала 34% отечественного рынка ортопедии, суставы 28%, позвоночник 20% и другие. 18%. Крупные суставы — это высокотехнологичные медицинские устройства с высокими техническими барьерами. В настоящее время в обычных больницах используются в основном импортные ортопедические материалы. По-прежнему существует разрыв между отечественной и импортной продукцией с точки зрения технологий, дизайна, исследований и разработок, материалов, процессов обработки поверхности и т. д. Искусственные суставы в основном делятся на искусственные колени, бедра, локти, плечи, суставы пальцев рук и ног и т. д. Среди них наиболее важными заменами суставов являются тазобедренные и коленные суставы, на которые вместе приходится более 95% мирового рынка замены суставов. Устройства для имплантации позвоночника включают системы ногтевых пластин грудопоясничного отдела позвоночника, системы ногтевых пластин шейного отдела позвоночника и системы спондилодезных кейджей, среди которых система межпозвоночных кейджей в основном используется для лечения замены межпозвоночных дисков, а также является наиболее важным сегментом, на который приходится примерно весь рынок спинальных имплантатов. .
Заключение
Превосходные свойства титановых сплавов способствовали их лидирующему положению в медицинской области. Разработка материалов и технология изготовления титановых сплавов быстро развивались благодаря прорывам в биотехнологии и большому спросу на медицинские применения. медицинские титановые сплавы В настоящее время производятся в основном титановые сплавы типа α+β. С точки зрения технологии приготовления производство ТС4 (TC4ELI) в настоящее время занимает основную долю рынка. Титановый сплав β-типа обладает определенными преимуществами в области биосовместимости и механической совместимости, поэтому он стал горячей точкой для исследований новых медицинских титановых сплавов и является наиболее потенциальной технологией в области медицинских имплантатов. В будущем технология производства титановых сплавов должна развиваться в направлении низкого модуля, высокой прочности, хорошей биосовместимости и механической совместимости. С точки зрения тенденций развития, титановые сплавы β-типа станут направлением будущего развития и основным направлением рынка медицинских титановых сплавов.
