Özet: Biyoteknolojinin güçlü gelişimi ve büyük atılımları ile biyomedikal titanyum alaşımlarına olan talep hızla artmaktadır. Ancak, TC4 ve TC4ELI gibi yaygın olarak kullanılan tıbbi titanyum alaşımlarında V ve Al'ın patojenitesi nedeniyle, yeni tıbbi titanyum alaşımlarının araştırılması ve geliştirilmesi ülkemde büyük pratik öneme ve geniş pazar beklentilerine sahiptir. Bu makalede biyomedikal titanyum alaşımlarının sınıflandırılması, temel özellikleri ve uygulama esasları kısaca anlatılmaktadır; tıp alanındaki gelişim trendine dikkat çekiyor; ve yeni β titanyum alaşımlarının temel işleme ve hazırlama yöntemlerini ve performans değerlendirme yöntemlerini özetler.
Anahtar Kelimeler: tıbbi titanyum alaşımı; gelişim; araştırma ilerlemesi; işleme
Biyomedikal titanyum alaşımlı malzeme, özellikle biyomedikal mühendisliğinde kullanılan bir fonksiyonel yapısal malzeme sınıfını, özellikle cerrahi implantların ve ortopedik cihazların üretimi ve imalatını ifade eder [1]. Titanyum alaşımlı işleme malzemelerinin üretimi ve hazırlanması, metalurji, basınçlı işleme, kompozit malzemeler ve kimyasallar alanlarını içerir ve dünyada yüksek teknoloji ürünü olarak kabul edilir. Titanyum ve titanyum alaşımları yavaş yavaş havacılık, havacılık, ulusal savunma ve askeri endüstrilerden sivil tüketim alanına girmiştir [2]. Tıp ve sağlık sektöründe implant ve tıbbi ekipman gibi ürünler; spor ve eğlence endüstrisinde titanyum golf kulüpleri, titanyum gözlük çerçeveleri, titanyum saatler, titanyum bisikletler ve diğer ürünler titanyum işlenmiş malzemeler için giderek daha fazla talep görmektedir. Biyoteknolojinin güçlü gelişimi ve büyük atılımları ile biyomedikal metal malzeme endüstrisi ve ürünleri dünya ekonomisinin sütun endüstrisi haline gelecektir [3]. Bunlar arasında titanyum ve alaşımları, hafiflik, düşük elastiklik modülü, toksik olmayan, manyetik olmayan, korozyon direnci, yüksek mukavemet ve iyi tokluk gibi mükemmel kapsamlı özelliklere dayanır. Son yıllarda titanyum ve alaşımlarına olan talep de hızlı ve istikrarlı bir şekilde artmıştır [4 ]. Aynı zamanda titanyum alaşımları plastik cerrahi ve diğer alanlara girmeye başladıkça, yeni potansiyel pazar talepleri ortaya çıkıyor ve titanyum alaşımı pazarı gelecekte daha hızlı bir büyüme görecek.
1 Tıbbi titanyum alaşımlarının araştırma ilerlemesi
1.1 Tıbbi titanyum alaşımlarının sınıflandırılması
Titanyum alaşımları, malzeme mikroyapısının tipine göre üç tipe ayrılabilir: α-tipi, α+β-tipi ve β-tipi titanyum alaşımı.
1.2 Tıbbi titanyum alaşımlarının gelişim trendi
Literatür araştırmasına göre [8-14], yurtiçi ve yurtdışındaki ilgili araştırma uzmanları, tıbbi titanyum alaşımlarının gelişiminin üç ikonik aşamadan geçtiği konusunda hemfikirdir. İlk aşama saf titanyum ve Ti-6Al-4V alaşımı ile temsil edilir; İkinci aşama, Ti-5A1-2.5Fe ve Ti-6A1-7Nb ile temsil edilen yeni bir α+β alaşımı türüdür; üçüncü aşama, esas olarak, daha iyi biyouyumluluk ve daha düşük elastik modül ile β-titanyumu geliştirmek ve geliştirmektir. Alaşım aşaması. İdeal biyomedikal titanyum alaşımlı malzeme[15] aşağıdaki koşulları karşılamalıdır: iyi biyouyumluluk, düşük elastiklik modülü, düşük yoğunluk, iyi korozyon önleyici performans, toksik olmayan, yüksek akma dayanımı, uzun yorulma ömrü ve oda sıcaklığında yüksek sıcaklık . Büyük plastisite, kolay şekillendirme, kolay döküm vb. Şu anda implant malzemelerinde yaygın olarak kullanılan önemli alaşımlar Ti-6A1-4V ve Ti-6A1-4VELI'dir. Literatürde [16-19] V elementinin malign doku reaksiyonlarına neden olabileceği ve insan vücudu üzerinde toksik yan etkileri olabileceği, Al'in ise osteoporoz ve mental bozukluklara yol açabileceği; Bu sorunu çözmek için, mevcut biyomalzeme bilim adamları keşfetmeye kararlıdır V ve Al içermeyen yeni biyomedikal titanyum alaşımlı malzemeleri araştırmadan önce, toksik olmayan ve hangi alaşım elementlerinin eklenmesi için uygun olduğunu bulmak gerekir. biyouyumluluk ilkesi. Çalışmalar [20-23], molibden, niyobyum, tantal, zirkonyum ve diğer toksik olmayan elementleri içeren β titanyum alaşımlarının, α+β ile karşılaştırıldığında daha yüksek β stabilize edici element içeriği içerdiğini ve daha düşük bir esneklik modülüne sahip olduğunu bulmuştur. titanyum alaşımları (E=55~80GPa) ve daha iyi kesme performansı ve tokluğu, bir implant olarak insan vücuduna implantasyon için daha uygundur.
2 Titanyum Alaşımının Uygulanması
2.1 Titanyum alaşımının tıbbi temeli
Titanyum ve titanyum alaşımlarını insan implantları olarak kullanmanın başlıca avantajları şunlardır: (1) Yoğunluk (20°C)=4.5g/cm3, hafiflik. İnsan vücuduna implante edilmiş: tıbbi bir cihaz olarak insan vücudundaki yükü azaltın: tıbbi personelin operasyonel yükünü azaltın. (2) Elastikiyet modülü düşüktür ve saf titanyum 108500MPa'dır. İnsan vücuduna implante edilir: insan vücudunun doğal kemiğine daha yakındır, bu da kemik bağlantısına elverişlidir ve kemiğin implant üzerindeki stres koruyucu etkisini azaltır. (3) Manyetik olmayan, kullanımdan sonra insan vücudunun güvenliğine faydalı olan elektromanyetik alanlardan ve gök gürültülü fırtınalardan etkilenmez. (4) Toksik değildir, implant olarak insan vücuduna toksik ve yan etkisi yoktur. (5) Korozyon direnci (biyolojik olarak inert metal malzeme). İnsan kanının daldırma ortamında mükemmel korozyon direncine sahiptir, insan kanı ve hücre dokusu ile iyi uyum sağlar ve implant olarak insan vücudunda kirlenmeye neden olmaz. Titanyum ve titanyum alaşımlarının uygulanması için temel koşul olan alerjik reaksiyonlar meydana gelecektir. (6) Yüksek mukavemet ve iyi tokluk. Travma, tümörler ve diğer faktörlerin neden olduğu kemik ve eklemlerde hasar. Stabil bir kemik iskelesi kurmak için kavisli plakalar, vidalar, yapay kemikler ve eklemler vb. kullanmak gerekir ve bu implantlar uzun süre bırakılmalıdır. İnsan vücudu, implantın yüksek mukavemet ve tokluğa sahip olmasını gerektiren, insan vücudunun eğilme, burulma, sıkıştırma ve kas kasılma kuvvetlerine maruz kalır.
2.2 Titanyum alaşımının tıbbi alanı ve ortopedi alanı
Piyasa durumu Titanyum alaşımlarının gelişmesi, titanyum malzeme çeşitliliğinin artması ve fiyatların düşmesi ile titanyumun sivil sanayide kullanımı katlanarak artmıştır. CFDA, tıbbi cihazları güvenliklerine göre yüksekten düşüğe üç seviyeye ayırır ve üç seviye devlet tarafından denetlenir ve yönetilir. Titanyum ve titanyum alaşımlı malzeme implantları, tıbbi cihazların üçüncü kategorisine aittir ve yüksek değerli sarf malzemeleridir. . Pazar segmentinin %5'inden fazlasını oluşturan alt sektörler, in vitro teşhis, kardiyoloji, görüntüleme teşhisi, ortopedi, oftalmoloji ve plastik cerrahiyi içerir. Bunlar arasında, in vitro teşhis, ortopedi ve kalp müdahalesi, Çin'de en hızlı büyüyen yüksek değerli sarf malzemeleridir. Biyomedikal titanyum ve alaşım malzemelerinin uygulanması üç ikonik aşamadan geçti [27]: 1950'lerin başında, ilk olarak Birleşik Krallık ve Amerika Birleşik Devletleri'nde, kemik plakaları, vidalar, intramedüller çiviler ve kalça yapmak için ticari saf titanyum kullanıldı. eklemler. . İsviçreli Mathys şirketi ayrıca, femur boyun kırıklarının tedavisi için raybalanmamış birbirine kenetlenen intramedüller çivi sistemleri (tibia, humerus ve femur dahil) ve içi boş vidalar üretmek için Ti-6A1-7Nb alaşımı kullanıyor. Servikal ve lomber intervertebral füzyon kafesleri (Cage) üretmek için gözenekli Ni-Ti (PNT) alaşımlı biyoaktif malzemeler Kanadalı BIORTHEX şirketi, ortopedik omurga tedavisi için servikal ve lomber intervertebral füzyon kafesleri üretmek için gözenekli Ni-Ti alaşımı patentli malzeme ACTIPORE kullanımını geliştirdi. yaralanmalar. Yeni β-titanyum alaşımı, küresel tıbbi cihaz pazar payının %9'unu oluşturan ve hala hızla büyümeye devam eden ortopedi, diş hekimliği ve damar müdahalesi için gelişmiş bir malzemedir. Ortopedik tıbbi cihaz pazarı temel olarak dört alana bölünmüştür: travma, eklemler, omurga ve diğerleri. Bunlar arasında travma, şu anda yabancı şirketler tarafından işgal edilmeyen tek alt bölümdür. Bunun temel nedeni, bu alandaki ürünlerin teknoloji açısından düşük, taklit edilmesi kolay ve çalıştırılması daha az zor olmasıdır. Birçok ikincil ve üçüncü basamak hastane bunu yapabilir ve yabancı şirketler bunu tam olarak karşılayamaz. . Travma ürünleri iç fiksasyon ve dış fiksasyon cihazları olarak ikiye ayrılabilir. İç fiksasyon travma ürünleri arasında intramedüller çiviler, kemik plakaları ve vidalar bulunur. 2012 yılında, yerli ortopedi pazarı travmaların %34'ünü, eklemlerin %28'ini, omurganın %20'sini ve diğerlerini oluşturdu. %18. Büyük eklemler, yüksek teknik engellere sahip üst düzey tıbbi cihazlardır. Şu anda, ana hastaneler ağırlıklı olarak ortopedik malzeme ithal ediyor. Teknoloji, tasarım, araştırma ve geliştirme, malzeme ve yüzey işleme süreçleri açısından yerli ve ithal ürünler arasında hala bir boşluk var. . Yapay eklemler esas olarak yapay diz, kalça, dirsek, omuz, parmak, ayak parmağı eklemleri vb. olarak ayrılır. En önemli eklem değiştirmeleri, birlikte küresel eklem değiştirme pazarının %95'ini aşan kalça ve diz eklemlerini içerir. Spinal implant cihazları arasında torakolomber omurga plakası sistemi, servikal omurga plakası sistemi ve füzyon kafesi sistemi bulunur; bunlar arasında intervertebral füzyon kafesi sistemi esas olarak intervertebral disk replasmanının tedavisi için kullanılır ve aynı zamanda yaklaşık olarak tamamını oluşturan en önemli segmenttir. Omurga implantı pazarının yarısı.
3 Sonuç
Titanyum alaşımının üstün performansı, tıp alanında lider konumuna ulaşmıştır. Titanyum alaşımının malzeme tasarımı ve hazırlama teknolojisi, biyoteknolojideki atılım ve tıbbi uygulamalara yönelik büyük talep ile hızla geliştirilmiştir. Halihazırda üretilen tıbbi titanyum alaşımları, esas olarak α+β tipi titanyum alaşımlarıdır. Hazırlık süreci açısından bakıldığında, TC4 (TC4ELI) üretimi şu anda büyük bir pazar payına sahiptir. β-tipi titanyum alaşımı, biyouyumluluk ve mekanik uyumluluk açısından belirli avantajlara sahiptir, bu nedenle yeni tıbbi titanyum alaşımlarının araştırma noktası haline gelmiştir ve tıbbi implantlar alanında en umut verici teknolojidir. Gelecekte titanyum alaşımlarının üretim teknolojisinin düşük modül, yüksek mukavemet, iyi biyouyumluluk ve mekanik uyumluluk yönünde gelişmesi gerekmektedir. Geliştirme eğilimleri açısından bakıldığında, β-tipi titanyum alaşımları, gelecekteki gelişimin yönü ve tıbbi titanyum alaşımı pazarının ana akımı haline gelecektir.
