Riassunto: Con il vigoroso sviluppo e le principali scoperte della biotecnologia, la domanda di leghe di titanio biomediche sta crescendo rapidamente. Tuttavia, a causa della patogenicità di V e Al nelle leghe di titanio medicale ampiamente utilizzate come TC4 e TC4ELI, la ricerca e lo sviluppo di nuove leghe di titanio medicale ha un grande significato pratico e ampie prospettive di mercato nel mio paese. Questo articolo descrive brevemente la classificazione, le proprietà di base e le basi applicative delle leghe biomedicali di titanio; segnala il suo trend di sviluppo in campo medico; e riassume i metodi di lavorazione e preparazione di base e i metodi di valutazione delle prestazioni delle nuove leghe di titanio β.
Parole chiave: lega di titanio medicale; sviluppo; progresso della ricerca; in lavorazione
Il materiale in lega di titanio biomedico si riferisce specificamente a una classe di materiali strutturali funzionali utilizzati nell'ingegneria biomedica, in particolare si riferisce alla produzione e fabbricazione di impianti chirurgici e dispositivi ortopedici [1]. La produzione e la preparazione di materiali per la lavorazione delle leghe di titanio coinvolge i settori della metallurgia, della lavorazione a pressione, dei materiali compositi e dei prodotti chimici ed è riconosciuta come un prodotto high-tech nel mondo. Il titanio e le leghe di titanio sono entrate gradualmente nel campo del consumo civile dall'industria aerospaziale, aeronautica, della difesa nazionale e militare [2]. Prodotti come impianti e apparecchiature mediche nel settore medico e sanitario; mazze da golf in titanio nel settore dello sport e del tempo libero, montature per occhiali in titanio, orologi in titanio, biciclette in titanio e altri prodotti sono sempre più richiesti per i materiali lavorati in titanio. Con il vigoroso sviluppo e le principali scoperte della biotecnologia, l'industria dei materiali metallici biomedici e dei loro prodotti si trasformerà in un'industria pilastro dell'economia mondiale [3]. Tra questi, il titanio e le sue leghe si basano su eccellenti proprietà complete come leggerezza, basso modulo elastico, non tossico, non magnetico, resistenza alla corrosione, elevata resistenza e buona tenacità. Negli ultimi anni, anche la domanda di titanio e sue leghe è aumentata rapidamente e costantemente [4 ]. Allo stesso tempo, quando le leghe di titanio iniziano ad entrare nella chirurgia plastica e in altri campi, emergono nuove potenziali richieste di mercato e il mercato delle leghe di titanio vedrà una crescita più rapida in futuro.
1 Progresso della ricerca sulle leghe di titanio medicale
1.1 Classificazione delle leghe di titanio medicale
Le leghe di titanio possono essere suddivise in tre tipi in base al tipo di microstruttura del materiale: lega di titanio di tipo α, α+β e di tipo .
1.2 Il trend di sviluppo delle leghe di titanio medicale
Secondo un'indagine sulla letteratura [8-14], studiosi di ricerca rilevanti in patria e all'estero concordano sul fatto che lo sviluppo delle leghe di titanio medicale ha attraversato tre fasi iconiche. Il primo stadio è rappresentato da titanio puro e lega Ti-6Al-4V; Il secondo stadio è un nuovo tipo di lega α+β rappresentata da Ti-5A1-2.5Fe e Ti-6A1-7Nb; il terzo stadio è principalmente quello di sviluppare e sviluppare β-titanio con una migliore biocompatibilità e un modulo elastico inferiore Lo stadio della lega. Il materiale in lega di titanio biomedicale ideale[15] deve soddisfare le seguenti condizioni: buona biocompatibilità, basso modulo di elasticità, bassa densità, buone prestazioni anticorrosione, atossico, alto limite di snervamento, lunga durata a fatica e alta temperatura a temperatura ambiente . Grande plasticità, facile formatura, facile fusione, ecc. Attualmente, le leghe importanti che sono state ampiamente utilizzate nei materiali per impianti sono Ti-6A1-4V e Ti-6A1-4VELI. È stato riportato in letteratura [16-19] che l'elemento V può causare reazioni tissutali maligne e può avere effetti collaterali tossici sul corpo umano, mentre Al può causare osteoporosi e disturbi mentali; per risolvere questo problema, gli attuali scienziati dei biomateriali sono impegnati ad esplorare Prima di ricercare nuovi materiali in lega di titanio biomedico che non contengano V e Al, è necessario capire quali elementi di lega sono adatti per l'aggiunta che non siano tossici e conformi a il principio di biocompatibilità. Gli studi [20-23] hanno scoperto che le leghe di titanio contenenti molibdeno, niobio, tantalio, zirconio e altri elementi non tossici contengono un contenuto maggiore di elementi stabilizzanti e hanno un modulo di elasticità inferiore rispetto a α+β leghe di titanio (E=55~80GPa) e migliori prestazioni di taglio e tenacità, più adatte per l'impianto nel corpo umano come impianto.
2 Applicazione della lega di titanio
2.1 Base medica della lega di titanio
I principali vantaggi dell'utilizzo di titanio e leghe di titanio come impianti umani sono: (1) Densità (20°C)=4,5 g/cm3, peso ridotto. Impiantato nel corpo umano: ridurre il carico sul corpo umano, come dispositivo medico: ridurre il carico operativo del personale medico. (2) Il modulo di elasticità è basso e il titanio puro è 108500MPa. È impiantato nel corpo umano: è più vicino all'osso naturale del corpo umano, il che favorisce la connessione ossea e riduce l'effetto di schermatura dello stress dell'osso sull'impianto. (3) Non magnetico, non influenzato da campi elettromagnetici e temporali, che è vantaggioso per la sicurezza del corpo umano dopo l'uso. (4) Non tossico, come impianto, non ha effetti tossici e collaterali per il corpo umano. (5) Resistenza alla corrosione (materiale metallico biologicamente inerte). Ha un'eccellente resistenza alla corrosione nell'ambiente di immersione del sangue umano, garantendo una buona compatibilità con il sangue umano e il tessuto cellulare e non causa inquinamento del corpo umano come impianto. Si verificheranno reazioni allergiche, che è la condizione di base per l'applicazione del titanio e delle leghe di titanio. (6) ad alta resistenza e buona tenacità. Danni alle ossa e alle articolazioni causati da traumi, tumori e altri fattori. Per stabilire un'impalcatura ossea stabile, è necessario utilizzare piastre curve, viti, ossa e articolazioni artificiali, ecc. E questi impianti dovrebbero essere lasciati a lungo. Il corpo umano è soggetto alle forze di flessione, torsione, compressione e contrazione muscolare del corpo umano, il che richiede che l'impianto abbia un'elevata resistenza e tenacità.
2.2 Il campo medico e il campo ortopedico della lega di titanio
Situazione di mercato Con lo sviluppo delle leghe di titanio, l'aumento della varietà dei materiali di titanio e la diminuzione dei prezzi, l'applicazione del titanio nell'industria civile è aumentata in modo esponenziale. Il CFDA divide i dispositivi medici in tre livelli in base alla loro sicurezza, dall'alto al basso, ed è supervisionato e gestito da tre livelli di governo. Gli impianti in materiale di titanio e lega di titanio appartengono alla terza categoria di dispositivi medici e sono materiali di consumo di alto valore. . I sottosettori che rappresentano oltre il 5% del segmento di mercato includono diagnostica in vitro, cardiologia, diagnostica per immagini, ortopedia, oftalmologia e chirurgia plastica. Tra questi, la diagnostica in vitro, l'ortopedia e l'intervento cardiaco sono i materiali di consumo di alto valore in più rapida crescita in Cina. L'applicazione del titanio biomedicale e dei suoi materiali in lega ha attraversato tre fasi iconiche [27]: nei primi anni '50, prima nel Regno Unito e negli Stati Uniti, il titanio puro commerciale è stato utilizzato per realizzare placche ossee, viti, chiodi endomidollari e giunti. . L'azienda svizzera Mathys utilizza anche la lega Ti-6A1-7Nb per produrre sistemi di chiodi intramidollari ad incastro senza alesaggio (inclusi tibia, omero e femore) e viti cave per il trattamento delle fratture del collo femorale. Materiali bioattivi in lega di Ni-Ti poroso (PNT) per la produzione di gabbie di fusione intervertebrale cervicale e lombare (Cage) La società canadese BIORTHEX ha sviluppato l'uso di materiale brevettato in lega di Ni-Ti porosa ACTIPORE per produrre gabbie di fusione intervertebrale cervicale e lombare per il trattamento della colonna vertebrale ortopedica lesioni. La nuova lega β-titanio è un materiale avanzato per l'ortopedia, l'odontoiatria e l'intervento vascolare, che rappresenta il 9% della quota di mercato globale dei dispositivi medici ed è ancora in rapida crescita. Il mercato dei dispositivi medici ortopedici è principalmente suddiviso in quattro aree: trauma, articolazioni, colonna vertebrale e altre. Tra questi, il trauma è attualmente l'unica suddivisione non occupata da società straniere. Il motivo principale è che i prodotti in questo campo sono a bassa tecnologia, facili da imitare e meno difficili da utilizzare. Molti ospedali secondari e terziari possono eseguirlo e le società straniere non possono coprirlo completamente. . I prodotti traumatici possono essere suddivisi in dispositivi di fissazione interna e dispositivi di fissazione esterna. I prodotti per trauma da fissazione interna includono chiodi endomidollari, placche ossee e viti. Nel 2012, il mercato ortopedico nazionale ha rappresentato il 34% dei traumi, il 28% delle articolazioni, il 20% della colonna vertebrale e altri. 18%. I giunti di grandi dimensioni sono dispositivi medici di fascia alta con elevate barriere tecniche. Al momento, gli ospedali tradizionali importano principalmente materiali ortopedici. C'è ancora un divario tra prodotti nazionali e importati in termini di tecnologia, design, ricerca e sviluppo, materiali e processi di trattamento delle superfici. . Le articolazioni artificiali sono principalmente suddivise in articolazioni artificiali del ginocchio, dell'anca, del gomito, della spalla, delle dita, dei piedi, ecc. Le protesi articolari più importanti includono le articolazioni dell'anca e del ginocchio, che insieme superano il 95% del mercato globale delle protesi articolari. I dispositivi per l'impianto spinale comprendono il sistema di placche per la colonna vertebrale toracolombare, il sistema di placche per la colonna vertebrale cervicale e il sistema di gabbia di fusione, tra cui il sistema di gabbia di fusione intervertebrale è utilizzato principalmente per il trattamento della sostituzione del disco intervertebrale, ed è anche il segmento più importante, che rappresenta circa l'intero mercato degli impianti spinali La metà.
3 Conclusione
Le prestazioni superiori della lega di titanio hanno raggiunto la sua posizione di leader nel campo medico. La progettazione del materiale e la tecnologia di preparazione della lega di titanio sono state sviluppate rapidamente con l'innovazione della biotecnologia e la massiccia domanda di applicazioni mediche. Le leghe di titanio medicale attualmente prodotte sono principalmente leghe di titanio di tipo α+β. Dal punto di vista del processo di preparazione, la produzione di TC4 (TC4ELI) occupa attualmente una quota di mercato importante. La lega di titanio di tipo presenta alcuni vantaggi in termini di biocompatibilità e compatibilità meccanica, quindi è diventata un punto di riferimento per la ricerca di nuove leghe di titanio medicale ed è la tecnologia più promettente nel campo degli impianti medici. In futuro, la tecnologia di produzione delle leghe di titanio dovrebbe svilupparsi nella direzione di basso modulo, alta resistenza, buona biocompatibilità e compatibilità meccanica. Dal punto di vista delle tendenze di sviluppo, le leghe di titanio di tipo diventeranno la direzione dello sviluppo futuro e il mainstream del mercato delle leghe di titanio medico.
