Materials i aplicacions d'aliatge de titani biomèdic

Els materials d'aliatge de titani per a aplicacions biomèdiques són una classe de materials estructurals funcionals utilitzats en enginyeria biomèdica, específicament per a la producció i fabricació d'implants quirúrgics i dispositius ortopèdics. La producció i preparació d'aliatges de titani implica metal·lúrgia, processament a pressió, materials compostos i indústria química, i és reconegut com un producte d'alta tecnologia al món. El titani i els aliatges de titani estan entrant gradualment al camp del consumidor civil des de la indústria aeroespacial, de l'aviació i de la defensa. Com ara implants de la indústria sanitària, dispositius mèdics; pals de golf de titani de la indústria esportiva i de l'oci i marcs d'ulleres de titani, rellotges de titani, bicicletes de titani i altres productes, la demanda de materials de processament de titani està augmentant. Amb el vigorós desenvolupament de la biotecnologia i els grans avenços, 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 amb pes lleuger, mòdul d'elasticitat baix, no tòxic, no magnètic, resistència a la corrosió, alta resistència, bona tenacitat i altres excel·lents rendiments integrals, en els últims anys, la demanda de creixement ràpid i constant. Al mateix temps, a mesura que els aliatges de titani comencen a entrar al camp de l'ortopèdia i altres noves demandes potencials del mercat, el futur del mercat dels aliatges de titani semblarà un creixement més ràpid.
1 Progrés de la investigació de l'aliatge de titani mèdic
1.1 Classificació de l'aliatge de titani mèdic
Els aliatges de titani es poden dividir en 3 categories segons el tipus de microestructura del material: aliatges de titani -tipus, + -tipus i -tipus.
1.2 La tendència de desenvolupament de l'aliatge de titani mèdic
La investigació bibliogràfica va trobar que els investigadors i acadèmics nacionals i estrangers coincideixen que el desenvolupament d'aliatges de titani mèdic ha passat per tres etapes emblemàtiques, la primera etapa està representada per titani pur i aliatge Ti-6Al{-4V; la segona etapa està representada pel nou aliatge + amb Ti-5A1-2.5Fe, Ti{-6A{1-7Nb; la tercera etapa és el desenvolupament d'aliatges + amb millor biocompatibilitat i menor mòdul elàstic; la tercera etapa és desenvolupar l'aliatge + amb millor biocompatibilitat i menor mòdul elàstic. i menor mòdul elàstic -aliatges de titani. Els materials ideals d'aliatge de titani biomèdic han de complir les condicions següents: bona biocompatibilitat, baix mòdul d'elasticitat, baixa densitat, bona resistència a la corrosió, no toxicitat, alta resistència a la fluència, llarga vida a la fatiga, gran plasticitat a temperatura ambient, fàcil de formar, fàcil fosa . Els aliatges importants que s'han utilitzat àmpliament en materials d'implant són Ti-6A1-4V i Ti{-6A{1-4VELI. S'ha informat a la literatura que l'element V pot causar reaccions malignes dels teixits, que poden tenir efectes secundaris tòxics sobre el cos humà, i Al pot causar osteoporosi i trastorns mentals i altres trastorns; per resoldre aquest problema, els actuals científics de biomaterials es comprometen a explorar i investigar els nous aliatges biomèdics de titani que no contenen V i Al. Per resoldre aquest problema, els científics actuals en biomaterials es comprometen a explorar i investigar nous biomaterials que no contenen aliatges de titani V, Al per a ús mèdic, i abans cal esbrinar quin tipus d'elements d'aliatge són adequats per afegir no -tòxics i biocompatibles. S'ha trobat que els aliatges de titani que contenen elements no tòxics com el molibdè, el niobi, el tàntal, el zirconi, etc. contenen un contingut més elevat d'elements estabilitzadors i, en comparació amb els aliatges de titani +, tenen un mòdul d'elasticitat inferior (E {{ 19}} ~ 80GPa), així com millors propietats de cisalla i duresa, que és més adequat per a la implantació al cos humà com a implant.

2 Aplicació d'aliatge de titani
2.1 Base mèdica de l'aliatge de titani
Els avantatges d'utilitzar titani i aliatges de titani com a implants humans són principalment: (1) densitat (20 graus)=4,5 g/cm3, lleuger. Implantat al cos humà: per reduir la càrrega del cos humà, com a dispositiu mèdic: per reduir la càrrega operativa del personal mèdic. (2) Baix mòdul d'elasticitat, el titani pur és de 108.500 MPa, implantat al cos: més a prop de l'os natural del cos humà, propici per a l'empelt ossi, per reduir 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 favorable a la seguretat del cos humà després de l'ús. (4) No toxicitat, sense efectes secundaris tòxics sobre el cos humà com a implant. (5) resistència a la corrosió (materials metàl·lics bioinerts), excel·lent resistència a la corrosió en l'entorn d'immersió en sang humana, per garantir una bona compatibilitat amb la sang humana i els teixits cel·lulars, ja que els implants no produeixen contaminació humana, no es produiran reaccions al·lèrgiques, cosa que és la base per a l'aplicació de condicions de titani i aliatges de titani. (6) alta resistència, bona tenacitat, a causa de traumatismes, tumors i altres factors que provoquen danys ossis, articulacions, per tal d'establir un suport ossi sòlid, s'han d'utilitzar amb l'ajuda de plaques corbes, cargols, os artificials i articulacions, etc., aquests implants s'han de deixar al cos durant molt de temps, estaran subjectes a la flexió, torsió, extrusió, contracció muscular i altres funcions del cos humà, els requisits dels implants amb alta resistència i duresa.

2.2 Camps mèdics i ortopèdics dels aliatges de titani
Situació del mercat amb el desenvolupament d'aliatges de titani, varietats de titani i reduccions de preus, les aplicacions de titani a la indústria civil han augmentat de manera exponencial. El CFDA es dividirà en tres classes de dispositius mèdics segons la seva seguretat d'alta a baixa i, respectivament, pels tres nivells de supervisió i gestió governamentals, els implants de material d'aliatge de titani i titani pertanyen a la tercera classe de dispositius mèdics i d'alt valor. classe de consumibles. Quota de mercat del subsegment de més del 5% de la subindústria, incloent diagnòstic in vitro, cardíac, diagnòstic per imatge, ortopèdia, oftalmologia i ortopèdia sis segments principals. 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 aliatges ha passat per tres etapes de referència: l'aplicació inicial de principis dels anys 50, primer al Regne Unit i als Estats Units, el titani comercialment pur es va utilitzar per fabricar plaques òssies, cargols, claus intramedulars i articulacions de maluc. . Swiss Mathys també va utilitzar l'aliatge Ti-6A1-7Nb per fabricar sistemes de clavament intramedul·lar no expandit (inclosos tíbia, húmer, fèmur) i cargols buits per al tractament de fractures del coll femoral. Fabricació de material bioactiu d'aliatge porós de Ni-Ti (PNT) fusió intersomàtica cervical i lumbar (gàbia) Canadà L'empresa BIORTHEX va desenvolupar l'ús de material patentat d'aliatge de Ni-Ti porós ACTIPORE gamma fabricació de fusió intersomàtica cervical i lumbar per al tractament de lesions espinals ortopèdiques. El nou aliatge de titani beta pot tenir en compte l'ortopèdia, l'odontologia i la intervenció vascular i altres usos de materials avançats, la indústria de dispositius mèdics ortopèdics va representar més del 9% de la quota de mercat mundial de dispositius mèdics i encara es troba en un ràpid creixement. El mercat de dispositius mèdics ortopèdics es divideix en quatre segments principals: trauma, articulació, columna i altres. Entre ells, el trauma és l'únic segment que no ha estat ocupat per empreses estrangeres per ocupar una quota de mercat important, principalment perquè els productes d'aquest camp són de baixa tecnologia, fàcils d'imitar, menys difícils d'operar i molts de segon i tercer Es poden dur a terme hospitals de nivell, de manera que les empreses estrangeres no poden estar totalment cobertes. Els productes de trauma es poden dividir en dispositius de fixació interna i de fixació externa, productes de fixació interna de trauma, inclosos claus intramedulars, plaques i cargols, etc. El 2012, el trauma representava el 34% del mercat ortopèdic nacional, el 28% de les articulacions, el 20% dels la columna vertebral, i el 18% de l'altre. Les articulacions grans són dispositius mèdics d'alta gamma amb barreres tècniques elevades. Actualment, els hospitals principals importen principalment materials ortopèdics, i encara hi ha una bretxa entre els productes nacionals i els importats en termes de tecnologia, disseny, investigació i desenvolupament, materials i procés de tractament de superfícies. Les articulacions artificials es classifiquen principalment en articulacions artificials de genoll, maluc, colze, espatlla, dits i dits dels peus, etc., de les quals els reemplaçaments articulars més importants inclouen les articulacions de maluc i genoll, que en conjunt representen més del 95% del mercat mundial de reemplaçament d'articulacions. . Els dispositius d'implants espinals inclouen el sistema de plaques d'ungles de la columna vertebral toracolumbar, el sistema de plaques de les ungles de la columna cervical i el sistema de fusió, etc., dels quals el sistema de fusió intervertebral s'utilitza principalment en el tractament de la substitució del disc intervertebral, que també és el segment més important, que representa aproximadament la meitat. de tot el mercat d'implants espinals.
El rendiment superior dels aliatges de titani ha donat lloc a la seva posició de lideratge en l'àmbit mèdic. El disseny de materials i la tecnologia de preparació dels aliatges de titani s'han desenvolupat ràpidament amb els avenços en biotecnologia i la gran demanda d'aplicacions mèdiques. Els aliatges de titani mèdics produïts actualment són principalment aliatges de titani de tipus +. Des del punt de vista del procés d'elaboració, la producció de TC4 (TC4ELI) ocupa actualment la principal quota de mercat. Els aliatges de titani de tipus s'han convertit en el punt d'investigació dels nous aliatges de titani mèdics a causa dels seus avantatges en biocompatibilitat i compatibilitat mecànica, que és la tecnologia més prometedora en el camp dels implants mèdics. En el futur, la tecnologia de producció d'aliatges de titani s'hauria de desenvolupar en la direcció de baix mòdul, alta resistència, bona biocompatibilitat i compatibilitat mecànica. A partir de la tendència de desenvolupament, l'aliatge de titani tipus es convertirà en la direcció de desenvolupament futura i el corrent principal del mercat d'aliatge de titani mèdic.