Biomeditsiinilised titaanisulami materjalid ja rakendused

Biomeditsiiniliste rakenduste titaanisulamist materjalid on funktsionaalsete konstruktsioonimaterjalide klass, mida kasutatakse biomeditsiinitehnikas, eriti kirurgiliste implantaatide ja ortopeediliste seadmete tootmiseks ja tootmiseks. Titaanisulamite tootmine ja valmistamine hõlmab metallurgiat, survetöötlust, komposiitmaterjale ja keemiatööstust ning on maailmas tunnustatud kõrgtehnoloogilise tootena. Titaan ja titaanisulamid jõuavad kosmose-, lennundus- ja kaitsetööstusest järk-järgult tsiviiltarbijate valdkonda. Näiteks tervishoiutööstuse implantaadid, meditsiiniseadmed; spordi- ja vabaajatööstuse titaanist golfikepid ja titaanist prilliraamid, titaanist käekellad, titaanist jalgrattad ja muud tooted, nõudlus titaani töötlemismaterjalide järele kasvab. Biotehnoloogia jõulise arengu ja suurte läbimurretega areneb biomeditsiiniliste metallimaterjalide ja -toodete tööstus maailmamajanduse tugisambaks. Nende hulgas on titaan ja selle sulamid, millel on kerge kaal, madal elastsusmoodul, mittetoksiline, mittemagnetiline, korrosioonikindlus, kõrge tugevus, hea sitkus ja muu suurepärane igakülgne jõudlus, viimastel aastatel nõudlus kiire ja püsiva kasvu järele. Samal ajal, kui titaanisulamid hakkavad sisenema ortopeedia ja muu uue potentsiaalse turunõudluse valdkonda, näib titaanisulamite turu tulevik kiiremat kasvu.
1 Meditsiinilise titaanisulami uurimistöö areng
1.1 Meditsiinilise titaanisulami klassifikatsioon
Titaanisulamid võib materjali mikrostruktuuri tüübi järgi jagada kolme kategooriasse: -tüüpi, + -tüüpi ja -tüüpi titaanisulamid.
1.2 Meditsiinilise titaanisulami arengusuund
Kirjandusuuringud leidsid, et kodu- ja välismaised teadlased ja õpetlased nõustuvad, et meditsiiniliste titaanisulamite väljatöötamine on läbinud kolm ikoonilist etappi, millest esimest etappi esindavad puhas titaan ja Ti{0}}Al-4V sulam; teist etappi esindab uus + sulam Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb-ga; kolmas etapp on parema biosobivuse ja madalama elastsusmooduliga + sulamite väljatöötamine; kolmas etapp on parema biosobivuse ja madalama elastsusmooduliga + sulami väljatöötamine. ja madalama elastsusmooduliga -titaanisulamid. Ideaalsed biomeditsiinilised titaanisulamist materjalid peavad vastama järgmistele tingimustele: hea biosobivus, madal elastsusmoodul, madal tihedus, hea korrosioonikindlus, mittetoksilisus, kõrge voolavuspiir, pikk väsimusiga, suur plastilisus toatemperatuuril, lihtne vormida, lihtne valamine . Olulised sulamid, mida on implantaatides laialdaselt kasutatud, on Ti-6A1-4V ja Ti-6A1-4VELI. Kirjanduses on teatatud, et V element võib põhjustada pahaloomulist koereaktsiooni, millel võivad olla toksilised kõrvalmõjud inimkehale, ja Al võib põhjustada osteoporoosi ja psüühikahäireid ning muid häireid; Selle probleemi lahendamiseks on praegused biomaterjalide teadlased pühendunud uute biomeditsiiniliste titaanisulamite uurimisele ja uurimisele, mis ei sisalda V ja Al. Selle probleemi lahendamiseks on praegused biomaterjaliteadlased pühendunud uute, meditsiiniliseks kasutamiseks mõeldud biomaterjalide uurimisele, mis ei sisalda V, Al titaanisulameid ning enne seda tuleb välja selgitada, millised legeerivad elemendid sobivad mittevastavate ainete lisamiseks. -toksiline ja biosobiv. On leitud, et titaanisulamid, mis sisaldavad mittetoksilisi elemente nagu molübdeen, nioobium, tantaal, tsirkoonium jne sisaldavad rohkem stabiliseerivaid elemente ja võrreldes + titaanisulamitega on neil madalam elastsusmoodul (E {{ 19}} ~ 80GPa) ning paremad nihkeomadused ja sitkus, mis sobib rohkem implantaadina inimkehasse implanteerimiseks.

2 Titaanisulami pealekandmine
2.1 Titaanisulami meditsiiniline alus
Inimese implantaatidena titaani ja titaanisulamite kasutamise eelised on peamiselt järgmised: (1) tihedus (20 kraadi)=4,5 g/cm3, kerge. Inimorganismi siirdatud: inimkeha koormuse vähendamiseks, meditsiiniseadmena: meditsiinipersonali töökoormuse vähendamiseks. (2) Madala elastsusmooduliga puhas titaan on 108 500 MPa, implanteeritud kehasse: lähemal inimkeha loomulikule luule, soodustab luu siirdamist, et vähendada luu stressivarjestavat mõju implantaadile. (3) Mittemagnetiline, mida ei mõjuta elektromagnetväljad ja äikesetormid, mis on pärast kasutamist kasulik inimkeha ohutusele. (4) Mittetoksilisus, implantaadina inimkehale toksilisi kõrvalmõjusid ei esine. (5) korrosioonikindlus (bioinertsed metallmaterjalid), suurepärane korrosioonikindlus inimese verre sukeldumise keskkonnas, et tagada hea ühilduvus inimese vere ja rakukudedega, kuna implantaadid ei põhjusta inimese saastumist, ei esine allergilisi reaktsioone, mis on titaani ja titaanisulami tingimuste rakendamise aluseks. (6) tugev tugevus, hea sitkus, mis on tingitud traumast, kasvajatest ja muudest luu-, liigesekahjustusi põhjustavatest teguritest, tuleb tugeva luutoe loomiseks kasutada kõverate plaatide, kruvide, tehisluu ja liigeste abil, jne, need implantaadid tuleks jätta kehasse pikaks ajaks, need alluvad inimkeha paindumisele, väänamisele, väljapressimisele, lihaste kokkutõmbumisele ja muudele rollidele, kõrge tugevusega implantaatide ja sitkus.

2.2 Titaanisulamite meditsiinilised ja ortopeedilised valdkonnad
Turusituatsioon titaanisulamite, titaani sortide ja hinnaalanduste ning titaanirakenduste arendamisega tsiviiltööstuses on hüppeliselt kasvanud. CFDA jagatakse kolme meditsiiniseadmete klassi vastavalt nende ohutusele kõrgest madalani ning vastavalt kolmele valitsuse järelevalve- ja juhtimistasandile, titaanist ja titaanisulamist materjalidest implantaadid kuuluvad kolmandasse meditsiiniseadmete klassi ja kõrge väärtusega. tarbekaupade klass. Alamsegmendi turuosa rohkem kui 5% alltööstusest, sealhulgas in vitro diagnostika, südame-, diagnostiline pildistamine, ortopeedia, oftalmoloogia, ortopeedia kuus peamist segmenti. Nende hulgas on in vitro diagnostika, ortopeedia ja südame sekkumine Hiinas kõige kiiremini kasvavad väärtuslikud tarbekaubad. Biomeditsiinilise titaani ja selle sulamite kasutamine on läbinud kolm olulist etappi: 1950. aastate alguses, esmalt Ühendkuningriigis ja Ameerika Ühendriikides, kasutati kaubanduslikult puhast titaani luuplaatide, kruvide, intramedullaarsete naelte ja puusaliigeste valmistamiseks. . Swiss Mathys kasutas Ti-6A1-7Nb sulamit ka laiendamata intramedullaarsete naelutamissüsteemide (sh sääreluu, õlavarreluu, reieluu) ja õõneskruvide tootmiseks reieluukaela murdude raviks. Poorsest Ni-Ti (PNT) sulamist bioaktiivse materjali tootmine emakakaela, nimmepiirkonna kehadevahelise liitmise (puur) Kanada ettevõte BIORTHEX töötas välja poorse Ni-Ti sulami patenteeritud materjali ACTIPORE gamma tootmise emakakaela, nimmepiirkonna kehadevahelise liitmise ortopeediliste lülisambavigastuste raviks. Uus beeta-titaani sulam võib võtta arvesse ortopeediat, hambaravi ja veresoonte sekkumist ning muid täiustatud materjalide kasutusviise Ortopeediliste meditsiiniseadmete tööstus moodustas üle 9% ülemaailmsest meditsiiniseadmete turuosast ja on endiselt kiires kasvus. Ortopeediliste meditsiiniseadmete turg on jagatud nelja põhisegmendiks traumad, liigesed, selgroog ja muud. Nende hulgas on traumad ainuke segment, mida välismaised ettevõtted ei ole hõivanud, et hõivata suurt turuosa, peamiselt seetõttu, et selle valdkonna tooted on madaltehnoloogilised, neid on lihtne jäljendada, neid on vähem raske kasutada ning paljud teised ja kolmandad. -taseme haiglaid saab läbi viia, nii et välisettevõtteid ei saa täielikult katta. Traumatooted võib jagada sisefiksatsiooniks ja välisfiksatsiooniks, sisefiksatsiooniga traumatoodeteks sh intramedullaarsed naelad, plaadid ja kruvid jne. 2012. aastal moodustasid traumad 34% kodumaisest ortopeedia turust, 28% liigestest, 20% selg ja 18% muust. Suured liigendid on kõrgetasemelised meditsiiniseadmed, millel on kõrged tehnilised tõkked. Praegu impordivad tavahaiglad peamiselt ortopeedilisi materjale ning tehnoloogia, disaini, uurimis- ja arendustegevuse, materjalide ja pinnatöötlusprotsesside osas on endiselt lõhe kodumaiste ja imporditud toodete vahel. Kunstlikud liigesed jagunevad peamiselt kunstlikeks põlve-, puusa-, küünarnuki-, õla-, sõrme- ja varbaliigeseks jne, millest olulisemate liigeste proteeside hulka kuuluvad puusa- ja põlveliigesed, mis kokku moodustavad üle 95% ülemaailmsest liigeste asendamise turust . Lülisambaimplantaadi seadmete hulka kuuluvad lülisamba rindkere küüneplaadi süsteem, emakakaela lülisamba küüneplaadi süsteem ja fusioonsüsteem jne, millest lülidevahelise fusioonisüsteemi kasutatakse peamiselt lülivaheketaste asendamise ravis, mis on ühtlasi kõige olulisem segment, moodustades ligikaudu poole kogu seljaajuimplantaatide turust.
Titaanisulamite suurepärane jõudlus on toonud kaasa nende juhtiva positsiooni meditsiinivaldkonnas. Titaanisulamite materjalikujundus ja valmistamise tehnoloogia on kiiresti arenenud koos biotehnoloogia läbimurretega ja suure nõudlusega meditsiiniliste rakenduste järele. Praegu toodetavad meditsiinilised titaanisulamid on peamiselt + tüüpi titaanisulamid. Ettevalmistusprotsessi seisukohalt moodustab praegu põhilise turuosa TC4 (TC4ELI) tootmine. -tüüpi titaanisulamid on muutunud uute meditsiiniliste titaanisulamite uurimispunktiks tänu nende eelistele biosobivuses ja mehaanilises ühilduvuses, mis on meditsiiniliste implantaatide valdkonnas kõige lootustandvam tehnoloogia. Tulevikus tuleks titaanisulamite tootmistehnoloogiat arendada madala mooduli, suure tugevuse, hea biosobivuse ja mehaanilise ühilduvuse suunas. Arengutrendist lähtuvalt saab -tüüpi titaanisulamist meditsiinilise titaanisulamite turu tulevane arengusuund ja peavool.