Absztrakt: A biotechnológia erőteljes fejlődésével és jelentős áttöréseivel a biomedikai titánötvözetek iránti kereslet gyorsan növekszik. Azonban a V és Al patogenitása miatt a széles körben használt orvosi titánötvözetekben, mint például a TC4 és a TC4ELI, az új orvosi titánötvözetek kutatásának és fejlesztésének nagy gyakorlati jelentősége és széles piaci kilátásai vannak hazámban. Ez a cikk röviden ismerteti az orvosbiológiai titánötvözetek osztályozását, alapvető tulajdonságait és alkalmazási alapjait; rámutat fejlődési tendenciájára az orvosi területen; és összefoglalja az új β titánötvözetek alapvető feldolgozási és előkészítési módszereit és teljesítményértékelési módszereit.
Kulcsszavak: orvosi titánötvözet; fejlődés; a kutatás előrehaladása; feldolgozás
A biomedikai titánötvözet anyag kifejezetten a biomedikai mérnöki munka során használt funkcionális szerkezeti anyagok osztályára utal, különösen a sebészeti implantátumok és ortopédiai eszközök gyártására és gyártására vonatkozik [1]. A titánötvözet-feldolgozó anyagok gyártása és előkészítése a kohászat, a nyomásfeldolgozás, a kompozit anyagok és a vegyi anyagok területét foglalja magában, és világszerte csúcstechnológiai terméknek számít. A titán és titánötvözetek fokozatosan léptek be a polgári fogyasztás területére a repülőgépipar, a repülés, a honvédelem és a katonai ipar területén [2]. Termékek, például implantátumok és orvosi berendezések az orvosi és egészségügyi iparban; a titán golfütők a sport- és szabadidőiparban, a titán szemüvegkeretek, a titán órák, a titán kerékpárok és más termékek egyre nagyobb igényt mutatnak a titánból feldolgozott anyagok iránt. A biotechnológia erőteljes fejlődésével és jelentős áttöréseivel az orvosbiológiai fémanyagok és termékeik iparága a világgazdaság alappillére lesz [3]. Ezek közül a titán és ötvözetei olyan kiváló átfogó tulajdonságokra támaszkodnak, mint a könnyű súly, az alacsony rugalmassági modulus, a nem mérgező, a nem mágneses, a korrózióállóság, a nagy szilárdság és a jó szívósság. Az elmúlt években a titán és ötvözetei iránti kereslet is gyorsan és folyamatosan nőtt [4]. Ugyanakkor, ahogy a titánötvözetek belépnek a plasztikai sebészetbe és más területekre, új potenciális piaci igények jelennek meg, és a titánötvözetek piaca a jövőben gyorsabban fog növekedni.
1 Az orvosi titánötvözetek kutatási előrehaladása
1.1 Az orvosi titánötvözetek osztályozása
A titánötvözetek az anyag mikrostruktúrája szerint három típusra oszthatók: α-típusú, α + β-típusú és β-típusú titánötvözet.
1.2 Az orvosi titánötvözetek fejlődési tendenciája
Az irodalmi felmérés [8-14] szerint a releváns kutatók itthon és külföldön egyetértenek abban, hogy az orvosi titánötvözetek fejlesztése három ikonikus szakaszon ment keresztül. Az első lépést tiszta titán és Ti-6Al-4V ötvözet képviseli; A második szakasz egy új típusú α + β ötvözet, amelyet Ti-5A1-2.5Fe és Ti-6A1-7Nb képvisel; a harmadik szakasz elsősorban β-titán fejlesztése és fejlesztése, jobb biokompatibilitással és alacsonyabb rugalmassági modulussal Az ötvözet stádiuma. Az ideális orvosbiológiai titánötvözet-anyagnak [15] meg kell felelnie a következő feltételeknek: jó biokompatibilitás, alacsony rugalmassági modulus, alacsony sűrűség, jó korróziógátló teljesítmény, nem mérgező, nagy folyáshatár, hosszú fáradási élettartam és magas hőmérséklet szobahőmérsékleten . Nagy képlékenység, könnyű formázás, könnyű öntés stb. Jelenleg az implantátumokban széles körben használt fontos ötvözetek a Ti-6A1-4V és a Ti-6A1-4VELI. A szakirodalomban [16-19] beszámoltak arról, hogy a V elem rosszindulatú szöveti reakciókat okozhat, és toxikus mellékhatásokat okozhat az emberi szervezetben, míg az Al csontritkulást és mentális rendellenességeket okozhat; ennek a problémának a megoldása érdekében a jelenlegi bioanyag-tudósok elkötelezettek a feltárás előtt, mielőtt új biológiai orvosi titánötvözet-anyagokat kutatnának, amelyek nem tartalmaznak V-t és Al-t, ki kell deríteni, hogy milyen ötvözetelemek alkalmasak hozzáadásra, amelyek nem mérgezőek és megfelelnek a biokompatibilitás elve. Tanulmányok [20-23] azt találták, hogy a molibdént, niobiumot, tantált, cirkóniumot és más nem mérgező elemeket tartalmazó β-titánötvözetek magasabb β-stabilizáló elemeket tartalmaznak, és alacsonyabb rugalmassági modulusuk van, mint az α + β titánötvözetek (E=55 ~ 80GPa) és jobb nyírási teljesítmény és szívósság, alkalmasabbak az emberi testbe történő beültetésre implantátumként.
2 Titánötvözet alkalmazása
2.1 A titánötvözet orvosi alapja
A titán és titánötvözetek emberi implantátumként történő felhasználásának fő előnyei a következők: (1) Sűrűség (20 ° C)=4,5 g/cm3, könnyű. Beültetve az emberi testbe: csökkentse az emberi testre nehezedő terhelést, orvosi eszközként: csökkentse az egészségügyi személyzet működési terhelését. (2) A rugalmassági modulus alacsony, és a tiszta titán 108500MPa. Be van ültetve az emberi testbe: közelebb van az emberi test természetes csontjához, ami elősegíti a csont kapcsolódását és csökkenti a csont stresszvédő hatását az implantátumra. (3) Nem mágneses, elektromágneses mezők és zivatarok nem befolyásolják, ami előnyös az emberi test biztonsága használat után. (4) Nem mérgező, implantátumként nincs mérgező és mellékhatása az emberi testre. (5) Korrózióállóság (biológiailag inert fém anyag). Kiváló korrózióállósággal rendelkezik az emberi vér merülő környezetében, biztosítva a jó kompatibilitást az emberi vérrel és a sejtszövetekkel, és nem okoz emberi test szennyeződést implantátumként. Allergiás reakciók lépnek fel, ami a titán és titánötvözetek alkalmazásának alapfeltétele. (6) Nagy szilárdság és jó szívósság. Traumák, daganatok és egyéb tényezők által okozott csontok és ízületek károsodása. A stabil csontállvány kialakítása érdekében ívelt lemezeket, csavarokat, műcsontokat és ízületeket stb. Kell használni, és ezeket az implantátumokat sokáig el kell hagyni. Az emberi testet az emberi test hajlító, csavaró, összenyomó és izomösszehúzó erői érik, ami megköveteli az implantátum nagy szilárdságát és szívósságát.
2.2 A titánötvözet orvosi és ortopédiai területe
Piaci helyzet A titánötvözetek fejlesztésével, a titán anyagok sokféleségének növekedésével és az árak csökkenésével a titán alkalmazása a civil iparban exponenciálisan megnőtt. A CFDA három szintre osztja az orvostechnikai eszközöket biztonságuk szerint a magasról az alacsonyra, és három kormányzati szint felügyeli és kezeli. A titán és titánötvözetből készült implantátumok az orvosi eszközök harmadik kategóriájába tartoznak, és nagy értékű fogyóeszközök. . A piaci szegmens több mint 5% -át kitevő alágazatok közé tartozik az in vitro diagnosztika, a kardiológia, a képalkotó diagnosztika, az ortopédia, a szemészet és a plasztikai sebészet. Közülük az in vitro diagnosztika, az ortopédia és a szívbeavatkozás a leggyorsabban növekvő nagy értékű fogyóeszközök Kínában. Az orvosbiológiai titán és ötvözetanyagainak alkalmazása három ikonikus szakaszon ment keresztül [27]: Az 1950 -es évek elején, először az Egyesült Királyságban és az Egyesült Államokban, kereskedelmi tiszta titánt használtak csontlemezek, csavarok, intramedulláris körmök és csípő gyártásához ízületek. . A svájci Mathys cég Ti-6A1-7Nb ötvözetet is használ nem dörzsölt, egymásba fonódó intramedulláris körömrendszerek (beleértve a sípcsontot, a humerust és a combcsontot) és üreges csavarok gyártásához a combnyaktörések kezelésére. Porózus Ni-Ti (PNT) ötvözet bioaktív anyagok nyaki és ágyéki intervertebrális fúziós ketrecek (Cage) gyártásához sérülések. Az új β-titán ötvözet az ortopédia, a fogászat és az érrendszeri beavatkozások fejlett anyaga, amely a globális orvosi eszközök piaci részesedésének 9% -át teszi ki, és továbbra is gyorsan növekszik. Az ortopédiai orvostechnikai eszközök piaca elsősorban négy területre oszlik: trauma, ízületek, gerinc és mások. Közülük a trauma jelenleg az egyetlen alosztály, amelyet nem külföldi cégek foglalnak el. A fő ok az, hogy ezen a területen a termékek alacsony technológiájúak, könnyen utánozhatók és kevésbé nehezen kezelhetők. Sok másodlagos és harmadlagos kórház képes elvégezni, és külföldi vállalatok nem tudják teljes mértékben fedezni. . A trauma termékek belső rögzítő és külső rögzítő eszközökre oszthatók. A belső rögzítő trauma termékek közé tartoznak az intramedulláris körmök, csontlemezek és csavarok. 2012 -ben a hazai ortopédiai piac a traumák 34% -át, az ízületek 28% -át, a gerinc 20% -át és másokat tett ki. 18%. A nagy ízületek csúcsminőségű orvosi eszközök, magas műszaki korlátokkal. Jelenleg a mainstream kórházak elsősorban ortopédiai anyagokat importálnak. Továbbra is szakadék van a hazai és az importált termékek között a technológia, a tervezés, a kutatás és fejlesztés, az anyagok és a felületkezelési folyamatok tekintetében. . A mesterséges ízületeket főként mesterséges térd-, csípő-, könyök-, váll-, ujj-, lábujjízületekre, stb. Osztják fel. A legfontosabb ízületi pótlások közé tartoznak a csípő- és térdízületek, amelyek együttesen meghaladják a globális ízületpótló piac 95% -át. A gerincimplantációs eszközök közé tartozik a thoracolumbalis gerinclemez -rendszer, a nyaki gerinclemez -rendszer és a fúziós ketrecrendszer, amelyek közül az intervertebrális fúziós ketrecrendszert főleg a csigolyaközi porckorong cseréjének kezelésére használják, és ez a legfontosabb szegmens, amely az egész gerincimplantátum piac Felét.
3 Következtetés
A titánötvözet kiváló teljesítménye elérte vezető pozícióját az orvosi területen. A titánötvözet anyagtervezési és előkészítési technológiáját gyorsan fejlesztették a biotechnológia áttörésével és az orvosi alkalmazások iránti óriási kereslettel. A jelenleg gyártott orvosi titánötvözetek főleg α + β típusú titánötvözetek. Az előkészítési folyamat szempontjából a TC4 (TC4ELI) gyártása jelenleg jelentős piaci részesedéssel rendelkezik. A β-típusú titánötvözetnek bizonyos előnyei vannak a biokompatibilitás és a mechanikai kompatibilitás szempontjából, ezért az új orvosi titánötvözetek kutatási hotspotjává vált, és az orvosi implantátumok területén a legígéretesebb technológia. A jövőben a titánötvözetek gyártási technológiájának az alacsony modulus, a nagy szilárdság, a jó biokompatibilitás és a mechanikai kompatibilitás irányába kell fejlődnie. A fejlesztési tendenciák szempontjából a β-típusú titánötvözetek a jövőbeni fejlődés irányává és az orvosi titánötvözet-piac főáramává válnak.
