חומרים ויישומי סגסוגת טיטניום ביו -רפואיים

תקציר: עם ההתפתחות הנמרצת ופריצות הדרך הגדולות של הביוטכנולוגיה, הביקוש לסגסוגות טיטניום ביו -רפואי גדל במהירות. עם זאת, בשל הפתוגניות של V ו- Al בסגסוגות הטיטניום הרפואיות בשימוש נרחב כגון TC4 ו- TC4ELI, למחקר ופיתוח של סגסוגות טיטניום רפואיות יש משמעות מעשית רבה וסיכויי שוק רחבים במדינה שלי. מאמר זה מתאר בקצרה את הסיווג, המאפיינים הבסיסיים ואת בסיס היישום של סגסוגות טיטניום ביו -רפואיות; מציין את מגמת הפיתוח שלה בתחום הרפואי; ומסכם את שיטות העיבוד וההכנה הבסיסיות ושיטות הערכת הביצועים של סגסוגות טיטניום β חדשות.

מילות מפתח: סגסוגת טיטניום רפואי; התפתחות; התקדמות המחקר; מעבד

חומר סגסוגת טיטניום ביו -רפואי מתייחס במיוחד למחלקה של חומרים מבניים פונקציונליים המשמשים בהנדסה ביו -רפואית, מתייחסת במיוחד לייצור וייצור שתלים כירורגיים והתקנים אורטופדיים [1]. ייצור והכנת חומרי עיבוד מסגסוגת טיטניום כוללים את תחומי המטלורגיה, עיבוד הלחץ, חומרים מרוכבים וכימיקלים, ומוכר כמוצר הייטק בעולם. סגסוגות טיטניום וטיטניום נכנסו בהדרגה לתחום הצריכה האזרחית מהתעשיות האוויריות, התעופה, הביטחון הלאומי והצבאי [2]. מוצרים כגון שתלים וציוד רפואי בתעשיית הרפואה והבריאות; מועדוני גולף טיטניום בענף הספורט והפנאי, מסגרות למשקפי טיטניום, שעוני טיטניום, אופני טיטניום ומוצרים אחרים מבוקשים יותר ויותר לחומרים מעובדים מטיטניום. עם ההתפתחות הנמרצת ופריצות הדרך הגדולות של הביוטכנולוגיה, תעשיית חומרי המתכת הביו -רפואיים ומוצריהם תתפתח לתעשיית עמודים של הכלכלה העולמית [3]. ביניהם, טיטניום וסגסוגותיו מסתמכים על תכונות מקיפות מצוינות כגון משקל קל, מודול אלסטי נמוך, לא רעיל, לא מגנטי, עמידות בפני קורוזיה, חוזק גבוה וקשיחות טובה. בשנים האחרונות גם הביקוש לטיטניום ולסגסוגותיו גדל במהירות ובהתמדה [4]. יחד עם זאת, כאשר סגסוגות טיטניום מתחילות להיכנס לניתוחים פלסטיים ותחומים אחרים, צצות דרישות פוטנציאליות חדשות לשוק, ושוק סגסוגות הטיטניום יראה צמיחה מהירה יותר בעתיד.

1 התקדמות המחקר של סגסוגות טיטניום רפואיות

1.1 סיווג סגסוגות טיטניום רפואי

ניתן לחלק סגסוגות טיטניום לשלושה סוגים בהתאם לסוג מבנה החומרים: סוג α, α + מסוג β וסגסוגת טיטניום מסוג β.

1.2 מגמת הפיתוח של סגסוגות טיטניום רפואיות

על פי סקר ספרות [8-14], חוקרי מחקר רלוונטיים בבית ומחוצה לה מסכימים כי הפיתוח של סגסוגות טיטניום רפואי עבר שלושה שלבים איקוניים. השלב הראשון מיוצג על ידי טיטניום טהור וסגסוגת Ti-6Al-4V; השלב השני הוא סוג חדש של סגסוגת α + β המיוצגת על ידי Ti-5A1-2.5Fe ו- Ti-6A1-7Nb; השלב השלישי הוא בעיקר לפתח ולפתח β-טיטניום עם תאימות ביולוגית טובה יותר ומודול אלסטי נמוך יותר שלב הסגסוגת. חומר סגסוגת הטיטניום הביו-רפואי [15] חייב לעמוד בתנאים הבאים: תאימות ביולוגית טובה, מודול גמישות נמוך, צפיפות נמוכה, ביצועים טובים נגד קורוזיה, לא רעילים, חוזק תשואה גבוה, חיי עייפות ארוכים וטמפרטורה גבוהה בטמפרטורת החדר. . גמישות רבה, היווצרות קלה, יציקה קלה וכו '. כיום סגסוגות חשובות שהיו בשימוש נרחב בחומרי שתל הן Ti-6A1-4V ו- Ti-6A1-4VELI. בספרות [16-19] דווח כי יסוד V יכול לגרום לתגובות רקמות ממאירות ועשוי להיות בעל תופעות לוואי רעילות על גוף האדם, בעוד אל על יכול לגרום לאוסטיאופורוזיס ולהפרעות נפשיות; על מנת לפתור בעיה זו, מדעני החומרים הביולוגיים הנוכחיים מחויבים לחקור לפני שהם חוקרים חומרי סגסוגת טיטניום ביו-רפואיים שאינם מכילים V ו- Al, יש להבין אילו יסודות סגסוגת מתאימים לתוספת שאינם רעילים ותואמים את עקרון ההתאמה הביולוגית. מחקרים [20-23] מצאו כי סגסוגות β טיטניום המכילות מוליבדן, ניוביום, טנטלום, זירקוניום ואלמנטים אחרים שאינם רעילים מכילות תוכן גבוה יותר של אלמנטים מייצבי β, ויש להם מודול גמישות נמוך יותר בהשוואה ל- α + β סגסוגות טיטניום (E=55 ~ 80GPa) וביצועי גזירה וקשיחות טובים יותר, מתאימים יותר להשתלה בגוף האדם כשתל.

2 יישום סגסוגת טיטניום

2.1 בסיס רפואי של סגסוגת טיטניום

היתרונות העיקריים בשימוש בסגסוגות טיטניום וטיטניום כשתלים אנושיים הם: (1) צפיפות (20 ° C)=4.5g/cm3, משקל קל. מושתלים בגוף האדם: הפחת את העומס על גוף האדם, כמכשיר רפואי: הפחת את העומס התפעולי של הצוות הרפואי. (2) מודול הגמישות נמוך, וטיטניום טהור הוא 108500MPa. הוא מושתל בגוף האדם: הוא קרוב יותר לעצם הטבעית של גוף האדם, התורם לחיבור העצם ומפחית את האפקט המגן על העצם על השתל. (3) לא מגנטי, אינו מושפע משדות אלקטרומגנטיים וסופות רעמים, דבר המועיל לבטיחות גוף האדם לאחר השימוש. (4) לא רעיל, כשתל, אין לו רעילים ותופעות לוואי לגוף האדם. (5) עמידות בפני קורוזיה (חומר מתכת אינרטי ביולוגי). יש לו עמידות בפני קורוזיה מצוינת בסביבת הטבילה של דם אנושי, המבטיח תאימות טובה לדם האדם ורקמת התא, ואינו גורם לזיהום גוף האדם כשתל. תגובות אלרגיות יתרחשו, שהוא התנאי הבסיסי ליישום סגסוגות טיטניום וטיטניום. (6) חוזק גבוה וקשיחות טובה. נזק לעצמות ולמפרקים הנגרמים כתוצאה מטראומה, גידולים וגורמים נוספים. על מנת להקים פיגום עצם יציב, יש להשתמש בלוחות מעוקלים, ברגים, עצמות ומפרקים מלאכותיים וכו ', ויש להשאיר שתלים אלו למשך זמן רב. גוף האדם נתון לכוחות הכיפוף, הפיתול, הסחיטה והתכווצות השרירים של גוף האדם, מה שמחייב את השתל בעל חוזק וקשיחות גבוהים.

2.2 התחום הרפואי והתחום האורתופדי של סגסוגת טיטניום

מצב שוק עם התפתחות סגסוגות טיטניום, הגידול במגוון חומרי הטיטניום והירידה במחירים, יישום הטיטניום בתעשייה האזרחית גדל באופן אקספוננציאלי. CFDA מחלקת מכשירים רפואיים לשלוש רמות בהתאם לבטיחותם מגבוה לנמוך, ומפוקחת ומנוהלת על ידי שלוש רמות ממשלתיות. שתלי חומר טיטניום וסגסוגת טיטניום שייכים לקטגוריה השלישית של מכשירים רפואיים והם חומרים מתכלים בעלי ערך גבוה. . תחומי המשנה המהווים יותר מ -5% מפלח השוק כוללים אבחון חוץ גופי, קרדיולוגיה, אבחון הדמיה, אורטופדיה, עיניים וניתוחים פלסטיים. ביניהם דיאגנוסטיקה חוץ גופית, אורתופדיה והתערבות לבבית הם חומרי התעשייה בעלי הערך הגבוה בצמיחה המהירה ביותר בסין. היישום של טיטניום ביו -רפואי וחומרי הסגסוגת שלו עבר שלושה שלבים איקוניים [27]: בתחילת שנות החמישים, תחילה בבריטניה ובארצות הברית, נעשה שימוש בטיטניום טהור מסחרי לייצור צלחות עצם, ברגים, מסמרים תוך -מוחיים וירך מפרקים. . חברת Mathys השוויצרית משתמשת גם בסגסוגת Ti-6A1-7Nb כדי לייצר מערכות ציפורניים תוך-ראשיות שאינן משולבות (כולל עצם עצם עצם עצם עצם עצם הירך) וברגים חלולים לטיפול בשברים בצוואר הירך. חומרים ביו-אקטיביים מסגסוגת Ni-Ti (PNT) לייצור כלובי מיזוג בין צוואר הרחם והמותניים (כלוב) חברת BIORTHEX הקנדית פיתחה את השימוש בחומר פטנט מסגסוגת Ni-Ti פטור ACTIPORE לייצור כלובי מיזוג בין צוואר הרחם והמותניים לטיפול בעמוד השדרה האורתופדי. פציעות. סגסוגת β-טיטניום החדשה היא חומר מתקדם לאורתופדיה, רפואת שיניים והתערבות כלי דם, המהווה 9% מנתח שוק המכשור הרפואי העולמי, ועדיין צומח במהירות. שוק המכשור הרפואי האורתופדי מחולק בעיקר לארבעה תחומים: טראומה, מפרקים, עמוד שדרה ואחרים. ביניהם, טראומה היא כרגע הנפה היחידה שאינה תופסת חברות זרות. הסיבה העיקרית היא שהמוצרים בתחום זה דלים בטכנולוגיה, קלים לחיקוי ופחות קשים לתפעול. בתי חולים משניים ושלישוניים רבים יכולים לבצע זאת, וחברות זרות אינן יכולות לכסות זאת במלואן. . ניתן לחלק את מוצרי הטראומה להתקנים פנימיים ולקיבוע חיצוני. מוצרי הטראומה של קיבעון פנימי כוללים מסמרים תוך -מוחיים, צלחות עצם וברגים. בשנת 2012, שוק האורתופדיה המקומי היווה 34% מהטראומה, 28% מהמפרקים, 20% מעמוד השדרה ואחרים. 18%. מפרקים גדולים הם מכשירים רפואיים מתקדמים עם חסמים טכניים גבוהים. כיום, בתי החולים המיינסטרים מייבאים בעיקר חומרים אורתופדיים. עדיין קיים פער בין מוצרים מקומיים ומיובאים מבחינת טכנולוגיה, עיצוב, מחקר ופיתוח, חומרים ותהליכי טיפול במשטח. . המפרקים המלאכותיים נחלקים בעיקר לברך, ירך, מרפק, כתף, אצבע, מפרקי אצבעות וכו '. החלפות המפרקים החשובות ביותר כוללות מפרקי ירך וברך, שיחדיו עולים על 95% משוק החלפת המפרקים העולמי. מכשירי השתלת עמוד השדרה כוללים מערכת צלחת עמוד שדרה בית החזה, מערכת צלחות עמוד שדרה צוואר הרחם ומערכת כלובים היתוך, ביניהם מערכת הכלוב ההיתוך הבין חולייתי משמשת בעיקר לטיפול בהחלפת דיסק בין חולייתי, והיא גם הפלח החשוב ביותר, המתייחס לכלל שוק שתלי עמוד השדרה חצי ממנו.

3 מסקנה

הביצועים המעולים של סגסוגת טיטניום השיגה את מעמדה המוביל בתחום הרפואי. טכנולוגיית עיצוב החומרים וההכנה של סגסוגת טיטניום פותחה במהירות עם פריצת הדרך של הביוטכנולוגיה והביקוש המאסיבי ליישומים רפואיים. סגסוגות הטיטניום הרפואיות המיוצרות כיום הן בעיקר סגסוגות טיטניום מסוג α + β. מבחינת תהליך ההכנה, ייצור ה- TC4 (TC4ELI) תופס כיום נתח שוק גדול. לסגסוגת טיטניום מסוג β יש יתרונות מסוימים מבחינת תאימות ביולוגית ותאימות מכנית, ולכן היא הפכה למוקד מחקר של סגסוגות טיטניום רפואיות חדשות והיא הטכנולוגיה המבטיחה ביותר בתחום השתלים הרפואיים. בעתיד, טכנולוגיית הייצור של סגסוגות טיטניום צריכה להתפתח בכיוון של מודולוס נמוך, חוזק גבוה, תאימות ביולוגית טובה ותאימות מכנית. מבחינת מגמות הפיתוח, סגסוגות טיטניום מסוג β יהפכו לכיוון ההתפתחות העתידית ולזרם המרכזי של שוק סגסוגות הטיטניום הרפואי.