Biolääketieteen titaaniseosmateriaalit ja sovellukset
Biolääketieteelliset titaaniseosmateriaalit viittaavat erityisesti funktionaalisiin rakennemateriaaleihin, joita käytetään biolääketieteen tekniikassa, erityisesti kirurgisten implanttien ja ortopedisten laitetuotteiden tuotantoon ja valmistukseen. Titaaniseoksen prosessointimateriaalien tuotanto ja valmistus kattaa metallurgian, painekäsittelyn, komposiittimateriaalien ja kemianteollisuuden alat, ja se on maailmanlaajuisesti tunnustettu korkean teknologian tuote. Titaani ja titaaniseokset ovat vähitellen tulleet siviilikäyttöön ilmailun, ilmailun ja maanpuolustuksen aloilta. Tuotteet, kuten implantit ja lääkinnälliset laitteet lääketieteen ja terveydenhuollon alalla; titaaniset golfmailat urheilu- ja vapaa-ajan teollisuudessa sekä titaanilasikehykset, titaanikellot, titaanipolkupyörät ja muut tuotteet, titaanikäsiteltyjen materiaalien kysyntä kasvaa jatkuvasti. Biotekniikan voimakkaan kehityksen ja läpimurtojen myötä biolääketieteen metallimateriaali- ja -tuoteteollisuus kehittyy maailmantalouden pilaritoimialaksi. Niistä titaanin ja sen seoksien kysyntä on viime vuosina kasvanut nopeasti ja tasaisesti niiden erinomaisten kokonaisvaltaisten ominaisuuksien, kuten keveyden, alhaisen kimmomoduulin, myrkyttömän ja ei-magneettisen, korroosionkestävyyden, suuren lujuuden ja hyvän sitkeyden ansiosta. Samaan aikaan kun titaaniseokset alkavat tulla plastiikkakirurgiaan ja muille aloille, ilmaantuu uusia potentiaalisia markkinavaatimuksia, ja titaaniseosmarkkinat kasvavat tulevaisuudessa nopeammin.
Lääketieteellisten titaaniseosten tutkimuksen edistyminen
1.1 Lääketieteellisten titaaniseosten luokitus
Titaaniseokset voidaan jakaa kolmeen luokkaan materiaalin mikrorakenteen tyypin mukaan: α-tyyppi, α+β-tyyppi ja β-tyyppinen titaaniseos.
1.2 Lääketieteellisten titaaniseosten kehitystrendi
Kirjallisuuden tutkimuksen jälkeen todettiin, että asiaankuuluvat tutkijat kotimaassa ja ulkomailla uskovat yksimielisesti, että kehitystä lääketieteelliset titaaniseokset on käynyt läpi kolme ikonista vaihetta. Ensimmäistä vaihetta edustaa puhdas titaani ja Ti-6Al-4V-seos; toista vaihetta edustavat Ti Uudet α+β-lejeeringit, joita edustavat -5A1-2.5Fe ja Ti-6A1-7Nb; kolmas vaihe on päävaihe kehittää ja kehittää β-titaaniseoksia, joilla on parempi biologinen yhteensopivuus ja pienempi kimmokerroin. Ihanteellinen biolääketieteelliset titaaniseosmateriaalit sen on täytettävä seuraavat ehdot: hyvä bioyhteensopivuus, alhainen kimmokerroin, pieni tiheys, hyvät korroosionesto-ominaisuudet, myrkytön, korkea myötöraja, pitkä väsymisikä ja suuri plastisuus huoneenlämpötilassa. , helppo muotoilla, helppo valaa jne. Tärkeitä seoksia, joita on käytetty laajalti implanttimateriaaleissa, ovat Ti-6A1-4V ja Ti-6A1-4VELI. Kirjallisuudessa on raportoitu, että V-elementti voi aiheuttaa pahanlaatuisia kudosreaktioita ja sillä voi olla toksisia sivuvaikutuksia ihmiskehoon, kun taas Al voi aiheuttaa osteoporoosia ja mielenterveyshäiriöitä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi biomateriaalitutkijat ovat tällä hetkellä sitoutuneet tutkimaan ja tutkimaan V-vapaita, Al:n uusia biolääketieteellisiä titaaniseosmateriaaleja, ennen kuin on tarpeen selvittää, millaisia seosalkuaineita soveltuu lisättäväksi, jotka ovat sekä myrkyttömät että bioyhteensopivia. . Tutkimukset ovat osoittaneet, että β-titaaniseokset, jotka sisältävät myrkyttömiä alkuaineita, kuten molybdeeniä, niobiumia, tantaalia ja zirkoniumia, sisältävät enemmän β-stabilisoivia alkuaineita ja niillä on pienempi kimmokerroin (E=55~80GPa) ja parempi leikkauskyky ja sitkeys, se sopii paremmin istutettavaksi ihmiskehoon implanttina.
Titaaniseosten sovellukset
2.1 Titaaniseosten lääketieteellinen perusta
Titaanin ja titaaniseosten käytön ihmisimplantina tärkeimmät edut ovat: (1) Tiheys (20 °C) = 4.5 g/cm3 ja kevyt. Istutettu ihmiskehoon: vähentää ihmiskehon kuormitusta; lääketieteellisenä laitteena: vähennä lääkintähenkilöstön käyttökuormitusta. (2) Kimmomoduuli on alhainen ja puhdas titaani on 108500 MPa. Ihmiskehoon istutettuna: se on lähempänä ihmiskehon luonnollista luuta, mikä edistää luunsiirtoa ja vähentää luun stressiä suojaavaa vaikutusta implanttiin. (3) Ei-magneettinen, sähkömagneettiset kentät ja ukkosmyrskyt eivät vaikuta siihen, mikä on hyödyllistä ihmisten turvallisuudelle käytön jälkeen. (4) Se on myrkytön, eikä sillä ole myrkyllisiä tai sivuvaikutuksia ihmiskehoon implanttina. (5) Korroosionkestävyys (biologisesti inertti metallimateriaali). Sillä on erinomainen korroosionkestävyys ihmisen veren upotusympäristössä ja se varmistaa hyvän yhteensopivuuden ihmisen veren ja solukudosten kanssa. Implanttina se ei aiheuta saasteita ihmisille eikä ole haitallinen ihmiskeholle. Allergisia reaktioita esiintyy, mikä on perusedellytys titaanin ja titaaniseosten levittämiselle. (6) Suuri lujuus ja hyvä sitkeys. Luu- ja nivelvauriot, jotka johtuvat traumasta, kasvaimista ja muista tekijöistä. Vakaan luutelineen muodostamiseksi on käytettävä kaarilevyjä, ruuveja, tekoluita, niveliä jne. Nämä implantit on jätettävä paikalleen pitkään. ihmiskeho altistuu taipumiselle, vääntymiselle, puristamiselle, lihasten supistumiselle ja muille ihmiskehon vaikutuksille, mikä edellyttää implanttien suurta lujuutta ja sitkeyttä.
2.2 Titaaniseosten lääketieteen ja ortopedian alat
Markkinatilanne Titaaniseosten kehityksen, titaanimateriaalien lisääntymisen ja hintojen laskun myötä titaanin käyttö siviiliteollisuudessa on kaksinkertaistunut. CFDA jakaa lääketieteelliset laitteet kolmeen tasoon niiden turvallisuuden mukaan korkeasta matalaan, ja niitä valvovat ja hallinnoivat vastaavasti kolme hallintotasoa. Titaanista ja titaaniseoksesta valmistetut implantit kuuluvat kolmanteen lääketieteellisten laitteiden luokkaan ja ovat arvokkaita kulutusosia. Yli 5 % markkinoista muodostavat alasektorit sisältävät kuusi pääsegmenttiä: in vitro -diagnostiikka, kardiologia, diagnostinen kuvantaminen, ortopedia, oftalmologia ja plastiikkakirurgia. Niistä in vitro -diagnostiikka, ortopedia ja sydämen interventio ovat nopeimmin kasvavia arvokkaita kulutushyödykkeitä Kiinassa. Biolääketieteellisen titaanin ja sen seosmateriaalien käyttö on käynyt läpi kolme ikonista vaihetta: Alkukäyttö 1950-luvun alussa, ensin Isossa-Britanniassa ja Yhdysvalloissa, kaupallisesti puhdasta titaania käytettiin luulevyjen, ruuvien, intramedullaaristen naulojen ja lonkan valmistukseen. Liitokset. Sveitsiläinen yritys Mathys käyttää myös Ti-6A1-7Nb-seosta ei-laajentumattomien lukitsevien intramedullaaristen kynsien (mukaan lukien sääriluun, olkaluun ja reisiluun) ja onttojen ruuvien valmistukseen reisiluun kaulan luunmurtumien hoitoon. Huokoisesta Ni-Ti (PNT) -seoksesta valmistettua bioaktiivista materiaalia käytetään kohdunkaulan ja lannerangan intervertebral fuusiohäkkien (Cage) valmistukseen. Kanadalainen BIORTHEX-yritys on kehittänyt kaula- ja lannerangan nikamien välisen fuusiohäkin, joka on valmistettu huokoisesta Ni-Ti-seoksesta patentoidusta materiaalista ACTIPORE G ortopedisten selkärangan vammojen hoitoon. Uutta beeta-titaaniseosta voidaan käyttää edistyksellisenä materiaalina useisiin tarkoituksiin, kuten ortopediaan, hammaslääketieteeseen ja verisuonihoitoon. Ortopedisten lääkinnällisten laitteiden teollisuuden osuus maailmanlaajuisista lääkinnällisten laitteiden markkinoista on 9 %, ja se kasvaa edelleen nopeasti. Ortopedisten lääkinnällisten laitteiden markkinat on jaettu ensisijaisesti neljään alueeseen: traumat, nivelet, selkäranka ja muut. Niistä trauma on ainoa segmentti, jolla ei tällä hetkellä ole suurta ulkomaisten yritysten markkinaosuutta. Pääsyynä on se, että tämän alan tuotteilla on alhainen tekninen sisältö, niitä on helppo jäljitellä ja niitä on vähemmän vaikea käyttää. Ne voidaan tehdä monissa toisen ja kolmannen tason sairaaloissa, eivätkä ulkomaiset yritykset pysty kattamaan niitä täysin. Traumatuotteet voidaan jakaa sisäisiin ja ulkoisiin kiinnityslaitteisiin. Sisäisen kiinnityksen traumatuotteita ovat intramedullaariset naulat, luulevyt, ruuvit jne. Vuonna 2012 trauman osuus kotimaan ortopediamarkkinoista oli 34 %, nivelten 28 %, selkärangan 20 % ja muut. 18%. Suuret liitokset ovat korkealuokkaisia lääketieteellisiä laitteita, joilla on korkeat tekniset esteet. Tällä hetkellä yleissairaalat käyttävät pääasiassa maahantuotuja ortopedisia materiaaleja. Kotimaisten ja tuontituotteiden välillä on edelleen kuilu teknologian, suunnittelun, tutkimuksen ja kehityksen, materiaalien, pintakäsittelyprosessien jne. Tekonivelet jaetaan pääasiassa keinotekoisiin polviin, lonkkiin, kyynärpäihin, olkapäihin, sormi- ja varvasniveliin jne. Näistä tärkeimmät nivelleikkaukset ovat lonkka- ja polvinivelet, jotka yhdessä muodostavat yli 95 % globaaleista nivelleikkausmarkkinoista. Selkärangan implanttilaitteita ovat thoracolumbar-kynsilevyjärjestelmät, kohdunkaulan selkärangan kynsilevyjärjestelmät ja fuusiohäkkijärjestelmät, joista nikamien välistä häkkijärjestelmää käytetään pääasiassa nikamavälilevyjen korvaushoidossa ja se on myös tärkein segmentti, joka kattaa suunnilleen koko selkärangan implanttimarkkinoiden .
Yhteenveto
Titaaniseosten erinomaiset ominaisuudet ovat edistäneet sen johtavaa asemaa lääketieteen alalla. Titaaniseosten materiaalisuunnittelu- ja valmistustekniikka on kehittynyt nopeasti biotekniikan läpimurtojen ja lääketieteellisten sovellusten suuren kysynnän myötä. The lääketieteelliset titaaniseokset Tällä hetkellä tuotetaan pääasiassa α+β-tyyppisiä titaaniseoksia. Valmistustekniikan näkökulmasta päämarkkinaosuus on tällä hetkellä TC4:n (TC4ELI) tuotannossa. β-tyypin titaaniseoksella on tiettyjä etuja bioyhteensopivuuden ja mekaanisen yhteensopivuuden suhteen, joten siitä on tullut uusien lääketieteellisten titaaniseosten tutkimuskohde ja se on potentiaalisin teknologia lääketieteellisten implanttien alalla. Tulevaisuudessa titaaniseosten tuotantoteknologian tulisi kehittyä matalan moduulin, suuren lujuuden, hyvän bioyhteensopivuuden ja mekaanisen yhteensopivuuden suuntaan. Kehityssuuntausten näkökulmasta β-tyyppisistä titaaniseoksista tulee tulevaisuuden kehityssuunta ja lääketieteellisten titaaniseosmarkkinoiden valtavirta.
