Biomedische materialen en toepassingen van titaniumlegeringen

Materialen van titaniumlegeringen voor biomedische toepassingen zijn een klasse functionele structurele materialen die worden gebruikt in de biomedische technologie, met name voor de productie en vervaardiging van chirurgische implantaten en orthopedische apparaten. De productie en bereiding van titaniumlegeringen omvat metallurgie, drukverwerking, composietmaterialen en de chemische industrie, en wordt wereldwijd erkend als een hightech product. Titanium en titaniumlegeringen betreden geleidelijk het civiele consumentenveld vanuit de lucht- en ruimtevaart-, luchtvaart- en defensie-industrie. Zoals implantaten in de gezondheidszorg, medische hulpmiddelen; sport- en vrijetijdsindustrie titanium golfclubs en titanium brilmonturen, titanium horloges, titanium fietsen en andere producten, de vraag naar titanium verwerkingsmaterialen neemt toe. Met de krachtige ontwikkeling van de biotechnologie en grote doorbraken zal de biomedische metaalmaterialen- en productenindustrie zich ontwikkelen tot een pijlerindustrie van de wereldeconomie. Onder hen, titanium en zijn legeringen met een laag gewicht, lage elasticiteitsmodulus, niet-giftig, niet-magnetisch, corrosieweerstand, hoge sterkte, goede taaiheid en andere uitstekende alomvattende prestaties, de laatste jaren is de vraag naar snelle en gestage groei. Tegelijkertijd, nu titaniumlegeringen het gebied van de orthopedie en andere nieuwe potentiële marktvraag beginnen te betreden, zal de toekomst van de markt voor titaniumlegeringen een snellere groei lijken.
1 Onderzoeksvooruitgang van medische titaniumlegering
1.1 Classificatie van medische titaniumlegering
Titaniumlegeringen kunnen worden onderverdeeld in 3 categorieën, afhankelijk van het type microstructuur van het materiaal: -type, + -type en -type titaniumlegeringen.
1.2 De ontwikkelingstrend van medische titaniumlegeringen
Uit literatuuronderzoek is gebleken dat binnen- en buitenlandse onderzoekers en wetenschappers het erover eens zijn dat de ontwikkeling van medische titaniumlegeringen drie iconische fasen heeft doorlopen: de eerste fase wordt vertegenwoordigd door puur titanium en Ti-6Al-4V-legering; de tweede fase wordt vertegenwoordigd door de nieuwe + legering met Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb; de derde fase is de ontwikkeling van + legeringen met betere biocompatibiliteit en lagere elasticiteitsmodulus; de derde fase is het ontwikkelen van de +-legering met betere biocompatibiliteit en lagere elasticiteitsmodulus. en titaniumlegeringen met lagere elasticiteitsmodulus. Ideale biomedische materialen van titaniumlegeringen moeten aan de volgende voorwaarden voldoen: goede biocompatibiliteit, lage elasticiteitsmodulus, lage dichtheid, goede corrosieweerstand, niet-toxiciteit, hoge vloeigrens, lange levensduur tegen vermoeiing, grote plasticiteit bij kamertemperatuur, gemakkelijk te vormen, gemakkelijk te gieten . De belangrijke legeringen die op grote schaal worden gebruikt in implantaatmaterialen zijn Ti-6A1-4V en Ti-6A1-4VELI. In de literatuur is gerapporteerd dat het V-element een kwaadaardige weefselreactie kan veroorzaken, die toxische bijwerkingen op het menselijk lichaam kan hebben, en dat Al osteoporose en psychische stoornissen en andere stoornissen kan veroorzaken; Om dit probleem op te lossen, zetten de huidige biomateriaalwetenschappers zich in voor het verkennen en onderzoeken van de nieuwe biomedische titaniumlegeringen die geen V en Al bevatten. Om dit probleem op te lossen, zijn de huidige wetenschappers op het gebied van biomaterialen toegewijd aan het verkennen en onderzoeken van nieuwe biomaterialen die geen V-, Al-titaniumlegeringen bevatten voor medisch gebruik, en daarvoor is het noodzakelijk om uit te zoeken welk soort legeringselementen geschikt zijn voor het toevoegen van niet-titaanlegeringen. -giftig en biocompatibel. Er is ontdekt dat titaniumlegeringen die niet-giftige elementen bevatten zoals molybdeen, niobium, tantaal, zirkonium, enz. een hoger gehalte aan stabiliserende elementen bevatten, en vergeleken met + titaniumlegeringen een lagere elasticiteitsmodulus hebben (E {{ 19}} ~ 80 GPa) en betere afschuifeigenschappen en taaiheid, wat beter geschikt is voor implantatie in het menselijk lichaam als implantaat.

2 Toepassing van titaniumlegering
2.1 Medische basis van titaniumlegering
De voordelen van het gebruik van titanium en titaniumlegeringen als menselijke implantaten zijn voornamelijk: (1) dichtheid (20 graden)=4,5 g/cm3, lichtgewicht. Geïmplanteerd in het menselijk lichaam: om de menselijke lichaamsbelasting te verminderen, als medisch hulpmiddel: om de operationele belasting van medisch personeel te verminderen. (2) Lage elasticiteitsmodulus, puur titanium is 108.500 MPa, geïmplanteerd in het lichaam: dichter bij het natuurlijke bot van het menselijk lichaam, bevorderlijk voor bottransplantatie, om het stressafschermende effect van het bot op het implantaat te verminderen. (3) Niet-magnetisch, niet beïnvloed door elektromagnetische velden en onweersbuien, wat gunstig is voor de veiligheid van het menselijk lichaam na gebruik. (4) Niet-toxiciteit, geen toxische bijwerkingen op het menselijk lichaam als implantaat. (5) corrosieweerstand (bio-inerte metalen materialen), uitstekende corrosieweerstand in de omgeving van onderdompeling van menselijk bloed, om een ​​goede compatibiliteit met menselijk bloed en cellulaire weefsels te garanderen, aangezien implantaten geen menselijke besmetting veroorzaken, zullen allergische reacties niet optreden, wat is de basis voor de toepassing van titanium- en titaniumlegeringsomstandigheden. (6) hoge sterkte, goede taaiheid, als gevolg van trauma, tumoren en andere factoren die leiden tot bot- en gewrichtsschade, om een ​​solide botondersteuning tot stand te brengen, moet worden gebruikt met behulp van gebogen platen, schroeven, kunstbot en gewrichten, enz., deze implantaten moeten lange tijd in het lichaam blijven, zullen onderworpen zijn aan het buigen, draaien, extruderen, spiercontractie en andere rollen van het menselijk lichaam, de vereisten van implantaten met hoge sterkte en taaiheid.

2.2 Medische en orthopedische gebieden van titaniumlegeringen
Marktsituatie met de ontwikkeling van titaniumlegeringen, titaniumvariëteiten en prijsverlagingen, titaniumtoepassingen in de civiele industrie zijn exponentieel toegenomen. CFDA zal worden onderverdeeld in drie klassen van medische hulpmiddelen op basis van hun veiligheid, van hoog naar laag, en respectievelijk door de drie niveaus van overheidstoezicht en -beheer, implantaten van titanium en titaniumlegeringen behoren tot de derde klasse van medische hulpmiddelen, en hoogwaardige verbruiksartikelen klasse. Sub-segment marktaandeel van meer dan 5% van de sub-industrie, inclusief in vitro diagnostiek, hart-, diagnostische beeldvorming, orthopedie, oogheelkunde, orthopedie zes grote segmenten. Onder hen zijn in-vitrodiagnostiek, orthopedie en hartinterventie de snelst groeiende hoogwaardige verbruiksartikelen in China. De toepassing van biomedisch titanium en zijn legeringen heeft drie belangrijke fasen doorlopen: de vroege toepassing in het begin van de jaren vijftig, eerst in het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten, waarbij commercieel zuiver titanium werd gebruikt om botplaten, schroeven, intramedullaire nagels en heupgewrichten te vervaardigen. . Het Zwitserse Mathys gebruikte ook een Ti-6A1-7Nb-legering om niet-geëxpandeerde intramedullaire spijkersystemen (waaronder scheenbeen, opperarmbeen, dijbeen) en holle schroeven te vervaardigen voor de behandeling van femurhalsfracturen. Poreuze Ni-Ti (PNT) legering bioactief materiaal productie cervicale, lumbale interbody fusie (Cage) Canada BIORTHEX bedrijf ontwikkelde het gebruik van poreus Ni-Ti legering gepatenteerd materiaal ACTIPOREORE gamma productie cervicale, lumbale interbody fusie voor orthopedische behandeling van wervelkolomletsel. De nieuwe beta-titaniumlegering kan rekening houden met orthopedie, tandheelkunde en vasculaire interventies en ander gebruik van geavanceerde materialen. De orthopedische industrie voor medische hulpmiddelen was goed voor meer dan 9% van het wereldwijde marktaandeel van medische hulpmiddelen en groeit nog steeds snel. De markt voor orthopedische medische hulpmiddelen is verdeeld in vier hoofdsegmenten: trauma, gewrichten, wervelkolom en andere. Onder hen is trauma het enige segment dat niet door buitenlandse bedrijven wordt bezet en dat een groot marktaandeel inneemt, vooral omdat de producten op dit gebied low-tech zijn, gemakkelijk te imiteren, minder moeilijk te bedienen en veel tweede- en derdelijnsproducten. Ziekenhuizen op niveau kunnen worden uitgevoerd, waardoor buitenlandse bedrijven niet volledig gedekt kunnen worden. Traumaproducten kunnen worden onderverdeeld in hulpmiddelen voor interne fixatie en externe fixatie, traumaproducten voor interne fixatie, waaronder intramedullaire spijkers, platen en schroeven, enz. In 2012 vertegenwoordigde trauma 34% van de binnenlandse orthopedische markt, 28% van de gewrichten, 20% van de de wervelkolom, en 18% van de andere. Grote gewrichten zijn hoogwaardige medische hulpmiddelen met hoge technische barrières. Momenteel importeren reguliere ziekenhuizen voornamelijk orthopedische materialen, en er is nog steeds een kloof tussen binnenlandse en geïmporteerde producten op het gebied van technologie, ontwerp, onderzoek en ontwikkeling, materialen en oppervlaktebehandelingsproces. Kunstgewrichten worden voornamelijk onderverdeeld in kunstmatige knie-, heup-, elleboog-, schouder-, vinger- en teengewrichten, enz., waarvan de belangrijkste gewrichtsvervangingen heup- en kniegewrichten omvatten, die samen meer dan 95% van de wereldwijde markt voor gewrichtsvervanging vertegenwoordigen. . Apparaten voor wervelkolomimplantaten omvatten nagelplaatsysteem voor de thoracolumbale wervelkolom, nagelplaatsysteem voor de cervicale wervelkolom en fusiesysteem, enz., Waarvan het tussenwervelfusiesysteem voornamelijk wordt gebruikt bij de behandeling van vervanging van tussenwervelschijven, wat ook het belangrijkste segment is, goed voor ongeveer de helft van de gehele markt voor wervelkolomimplantaten.
De superieure prestaties van titaniumlegeringen hebben geresulteerd in hun leidende positie op medisch gebied. Het materiaalontwerp en de voorbereidingstechnologie van titaniumlegeringen hebben zich snel ontwikkeld door de doorbraken in de biotechnologie en de grote vraag naar medische toepassingen. De momenteel geproduceerde medische titaniumlegeringen zijn voornamelijk titaniumlegeringen van het +-type. Vanuit het oogpunt van het bereidingsproces heeft de productie van TC4 (TC4ELI) momenteel het grootste marktaandeel. -type titaniumlegeringen zijn de onderzoekshotspot van nieuwe medische titaniumlegeringen geworden vanwege hun voordelen op het gebied van biocompatibiliteit en mechanische compatibiliteit, wat de meest veelbelovende technologie is op het gebied van medische implantaten. In de toekomst moet de productietechnologie van titaniumlegeringen worden ontwikkeld in de richting van lage modulus, hoge sterkte, goede biocompatibiliteit en mechanische compatibiliteit. Vanuit de ontwikkelingstrend zal de titaniumlegering van het type de toekomstige ontwikkelingsrichting en de mainstream van de markt voor medische titaniumlegeringen worden.