مواد و کاربردهای آلیاژ تیتانیوم زیست پزشکی
مواد آلیاژی تیتانیوم زیست پزشکی به طور خاص به نوعی از مواد ساختاری کاربردی اشاره دارد که در مهندسی پزشکی، به طور خاص برای تولید و ساخت ایمپلنت های جراحی و محصولات دستگاه های ارتوپدی استفاده می شود. تولید و آماده سازی مواد پردازش آلیاژ تیتانیوم شامل زمینه های متالورژی، فرآوری تحت فشار، مواد کامپوزیت و صنایع شیمیایی است و یک محصول با تکنولوژی بالا در جهان شناخته شده است. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به تدریج از حوزه های هوافضا، هوانوردی و دفاع ملی وارد عرصه مصرف غیرنظامی شده اند. محصولاتی مانند ایمپلنت و تجهیزات پزشکی در صنعت پزشکی و بهداشتی؛ باشگاه های گلف تیتانیوم در صنعت ورزش و اوقات فراغت، و همچنین قاب عینک تیتانیومی، ساعت های تیتانیومی، دوچرخه های تیتانیومی و سایر محصولات، تقاضا برای مواد فرآوری شده تیتانیوم به طور مداوم در حال افزایش است. با توسعه شدید و پیشرفت های بیوتکنولوژی، صنعت مواد و محصولات فلزی زیست پزشکی به صنعت ستون اقتصاد جهانی تبدیل خواهد شد. در میان آنها، تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل خواص جامع عالی مانند سبک وزن، مدول الاستیک کم، غیر سمی و غیر مغناطیسی، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام بالا و چقرمگی خوب، رشد سریع و ثابتی در تقاضا را در سالهای اخیر تجربه کردهاند. همزمان با ورود آلیاژهای تیتانیوم به جراحی پلاستیک و سایر زمینه ها، تقاضاهای بالقوه جدید بازار ظاهر می شود و بازار آلیاژ تیتانیوم در آینده سریعتر رشد خواهد کرد.
پیشرفت تحقیقات آلیاژهای تیتانیوم پزشکی
1.1 طبقه بندی آلیاژهای تیتانیوم پزشکی
آلیاژهای تیتانیوم را می توان از نظر نوع ریزساختار مواد به سه دسته تقسیم کرد: نوع α، نوع α+β و آلیاژ تیتانیوم نوع β.
1.2 روند توسعه آلیاژهای تیتانیوم پزشکی
پس از تحقیقات ادبیات، مشخص شد که محققان مربوطه در داخل و خارج از کشور به اتفاق آرا معتقدند که توسعه آلیاژهای تیتانیوم پزشکی سه مرحله نمادین را پشت سر گذاشته است. مرحله اول توسط تیتانیوم خالص و آلیاژ Ti-6Al-4V نشان داده شده است. مرحله دوم توسط آلیاژهای Ti New α+β با -5A1-2.5Fe و Ti-6A1-7Nb نشان داده شده است. مرحله سوم مرحله اصلی توسعه و توسعه آلیاژهای β-تیتانیوم با زیست سازگاری بهتر و مدول الاستیک کمتر است. ایده آل مواد آلیاژ تیتانیوم زیست پزشکی باید شرایط زیر را داشته باشد: زیست سازگاری خوب، مدول الاستیک کم، چگالی کم، خواص ضد خوردگی خوب، غیر سمی، استحکام تسلیم بالا، عمر خستگی طولانی، و انعطاف پذیری زیاد در دمای اتاق. ، فرم دهی آسان، ریخته گری آسان و ... آلیاژهای مهمی که در مواد کاشت به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند Ti-6A1-4V و Ti-6A1-4VELI هستند. گزارش هایی در ادبیات وجود دارد که عنصر V می تواند باعث واکنش های بدخیم بافتی شود و ممکن است عوارض جانبی سمی بر بدن انسان داشته باشد، در حالی که Al می تواند باعث پوکی استخوان و اختلالات روانی شود. برای حل این مشکل، دانشمندان زیست مواد در حال حاضر متعهد به کاوش و تحقیق در مورد مواد آلیاژ تیتانیوم زیست پزشکی جدید Al بدون V هستند، قبل از آن لازم است بفهمیم چه نوع عناصر آلیاژی برای اضافه کردن مناسب هستند که هم غیرسمی و هم زیست سازگار هستند. . مطالعات نشان داده است که آلیاژهای β-تیتانیوم حاوی عناصر غیر سمی مانند مولیبدن، نیوبیم، تانتالیم و زیرکونیوم حاوی مقادیر بالاتری از عناصر پایدارکننده β هستند و مدول الاستیک کمتری دارند (E=55~80GPa) و عملکرد برشی بهتری دارند. چقرمگی، برای کاشت در بدن انسان به عنوان ایمپلنت مناسب تر است.
کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم
2.1 اساس پزشکی آلیاژهای تیتانیوم
مزایای اصلی استفاده از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به عنوان ایمپلنت انسانی عبارتند از: (1) چگالی (20 درجه سانتیگراد) = 4.5 گرم بر سانتی متر مکعب و سبک وزن. کاشته شده در بدن انسان: کاهش بار روی بدن انسان. به عنوان یک دستگاه پزشکی: کاهش بار عملیاتی بر روی پرسنل پزشکی. (3) مدول الاستیک کم است و تیتانیوم خالص 2MPa است. هنگامی که در بدن انسان کاشته می شود: به استخوان طبیعی بدن انسان نزدیک تر است که منجر به پیوند استخوان می شود و اثر محافظتی استخوان بر روی ایمپلنت را کاهش می دهد. (108500) غیر مغناطیسی، تحت تاثیر میدان های الکترومغناطیسی و رعد و برق نیست، که برای ایمنی انسان پس از استفاده مفید است. (3) غیر سمی است و هیچ گونه سمی یا عوارض جانبی روی بدن انسان به عنوان ایمپلنت ندارد. (4) مقاومت در برابر خوردگی (مواد فلزی بیولوژیکی بی اثر). مقاومت در برابر خوردگی عالی در محیط غوطه ور شدن خون انسان دارد و سازگاری خوبی با خون و بافت های سلولی انسان را تضمین می کند. به عنوان ایمپلنت، آلودگی انسانی تولید نمی کند و برای بدن انسان مضر نیست. واکنش های آلرژیک رخ خواهد داد که شرط اساسی برای استفاده از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم است. (5) استحکام بالا و چقرمگی خوب. آسیب استخوان و مفاصل در اثر تروما، تومورها و عوامل دیگر. برای ایجاد یک داربست استخوانی پایدار باید از صفحات قوس، پیچ، استخوان های مصنوعی، مفاصل و غیره استفاده شود. این ایمپلنت ها باید برای مدت طولانی در جای خود باقی بمانند. بدن انسان در معرض خم شدن، پیچش، فشردن، انقباض عضلانی و سایر اثرات بدن انسان قرار میگیرد که نیاز به ایمپلنتها برای داشتن استحکام و استحکام بالایی دارد.
2.2 زمینه های پزشکی و ارتوپدی آلیاژهای تیتانیوم
وضعیت بازار با توسعه آلیاژهای تیتانیوم، افزایش انواع مواد تیتانیوم و کاهش قیمت ها، کاربرد تیتانیوم در صنعت عمران دو برابر شده است. CFDA تجهیزات پزشکی را با توجه به ایمنی آنها از بالا به پایین به سه سطح تقسیم می کند و به ترتیب توسط سه سطح دولتی نظارت و مدیریت می شوند. ایمپلنت های ساخته شده از مواد تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم جزو دسته سوم وسایل پزشکی بوده و از مواد مصرفی با ارزش بالایی هستند. زیربخش هایی که بیش از 5 درصد از بازار را به خود اختصاص داده اند شامل شش بخش اصلی هستند: تشخیص آزمایشگاهی، قلب و عروق، تصویربرداری تشخیصی، ارتوپدی، چشم پزشکی و جراحی پلاستیک. در میان آنها، تشخیص آزمایشگاهی، ارتوپدی و مداخله قلبی سریعترین مواد مصرفی با ارزش بالا در چین هستند. کاربرد تیتانیوم زیست پزشکی و مواد آلیاژی آن از سه مرحله نمادین عبور کرده است: کاربرد اولیه در اوایل دهه 1950، ابتدا در انگلستان و ایالات متحده، تیتانیوم خالص تجاری برای ساخت صفحات استخوانی، پیچ ها، میخ های داخل مدولاری و لگن استفاده شد. مفاصل شرکت سوئیسی Mathys همچنین از آلیاژ Ti-6A1-7Nb برای تولید سیستمهای ناخن قفلکننده غیر منبسط شده (شامل درشت نی، بازو و استخوان ران) و پیچهای توخالی برای درمان شکستگیهای استخوان گردن فمور استفاده میکند. مواد زیست فعال آلیاژی متخلخل Ni-Ti (PNT) برای ساخت قفس های همجوشی بین مهره ای گردنی و کمری (Cage) استفاده می شود. شرکت کانادایی BIORTHEX یک قفس فیوژن بین مهره ای گردنی و کمری ساخته شده از مواد متخلخل آلیاژ Ni-Ti با ثبت اختراع ACTIPORE G برای درمان آسیب های ارتوپدی ستون فقرات ساخته است. آلیاژ جدید بتا تیتانیوم می تواند به عنوان یک ماده پیشرفته برای اهداف متعدد مانند ارتوپدی، دندانپزشکی و مداخلات عروقی استفاده شود. صنعت تجهیزات پزشکی ارتوپدی 9 درصد از سهم بازار جهانی تجهیزات پزشکی را به خود اختصاص داده است و هنوز هم به سرعت در حال رشد است. بازار تجهیزات پزشکی ارتوپدی در درجه اول به چهار بخش تقسیم می شود: تروما، مفاصل، ستون فقرات و موارد دیگر. در میان آنها، تروما تنها بخشی است که در حال حاضر سهم بازار عمده ای را که توسط شرکت های خارجی اشغال شده است ندارد. دلیل اصلی این است که محصولات در این زمینه محتوای فنی پایینی دارند، به راحتی قابل تقلید هستند و کار کردن با آنها دشوار است. آنها را می توان در بسیاری از بیمارستان های سطح دو و سه انجام داد و شرکت های خارجی نمی توانند آنها را به طور کامل پوشش دهند. محصولات تروما را می توان به دستگاه های ثابت داخلی و تثبیت خارجی تقسیم کرد. محصولات تروما تثبیت داخلی شامل ناخن های داخل مدولری، صفحات استخوانی، پیچ ها و غیره است. در سال 2012، تروما 34 درصد از بازار داخلی ارتوپدی، مفاصل 28 درصد، ستون فقرات 20 درصد و دیگران را به خود اختصاص داده است. 18٪. مفاصل بزرگ تجهیزات پزشکی پیشرفته با موانع فنی بالا هستند. در حال حاضر بیمارستان های رایج عمدتا از مواد ارتوپدی وارداتی استفاده می کنند. هنوز بین محصولات داخلی و وارداتی از نظر فناوری، طراحی، تحقیق و توسعه، مواد، فرآیندهای تصفیه سطح و غیره فاصله وجود دارد. مفاصل مصنوعی به طور عمده به زانوهای مصنوعی، باسن، آرنج، شانه، مفاصل انگشتان دست و پا و غیره تقسیم می شوند. در این میان، مهمترین تعویض مفصل شامل مفاصل ران و مفاصل زانو است که در مجموع بیش از 95 درصد از بازار جهانی تعویض مفصل را به خود اختصاص داده اند. دستگاههای کاشت ستون فقرات شامل سیستمهای صفحه ناخن سینهای، سیستمهای صفحه ناخن ستون فقرات گردنی و سیستمهای قفس فیوژن است که در میان آنها سیستم قفس بین مهرهای عمدتاً برای درمان جایگزینی دیسک بین مهرهای استفاده میشود و همچنین مهمترین بخش است که تقریباً کل بازار کاشت ستون فقرات را به خود اختصاص میدهد. .
نتیجه
خواص برتر آلیاژهای تیتانیوم به موقعیت پیشرو آن در زمینه پزشکی کمک کرده است. تکنولوژی طراحی و آماده سازی مواد آلیاژهای تیتانیوم با پیشرفت در بیوتکنولوژی و تقاضای زیاد برای کاربردهای پزشکی به سرعت توسعه یافته است. این آلیاژهای تیتانیوم پزشکی در حال حاضر عمدتاً آلیاژهای تیتانیوم نوع α+β تولید می شوند. از منظر فناوری آماده سازی، تولید TC4 (TC4ELI) در حال حاضر سهم اصلی بازار را به خود اختصاص داده است. آلیاژ تیتانیوم نوع β دارای مزایای خاصی در سازگاری زیستی و سازگاری مکانیکی است، بنابراین به یک کانون تحقیقاتی برای آلیاژهای تیتانیوم پزشکی جدید تبدیل شده است و بالقوه ترین فناوری در زمینه ایمپلنت های پزشکی است. در آینده، فناوری تولید آلیاژهای تیتانیوم باید در جهت مدول کم، استحکام بالا، زیست سازگاری خوب و سازگاری مکانیکی توسعه یابد. از منظر روند توسعه، آلیاژهای تیتانیوم نوع β به مسیر توسعه آینده و جریان اصلی بازار آلیاژ تیتانیوم پزشکی تبدیل خواهند شد.