مواد آلیاژ تیتانیوم زیست پزشکی و کاربرد آن

مواد آلیاژی تیتانیوم زیست پزشکی به نوعی از مواد ساختاری عملکردی اطلاق می‌شود که در مهندسی پزشکی، به‌ویژه برای تولید و ساخت ایمپلنت‌های جراحی و ابزار ارتوپدی استفاده می‌شود [1]. تولید و آماده سازی مواد پردازش آلیاژ تیتانیوم شامل زمینه های متالورژی، فرآوری تحت فشار، مواد کامپوزیت و صنایع شیمیایی است. به عنوان یک محصول{3}}فناوری پیشرفته در جهان شناخته شده است. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به تدریج از حوزه‌های هوافضا، هوانوردی، دفاع ملی و صنایع نظامی وارد عرصه مصرف غیرنظامی شده‌اند [2]. مانند ایمپلنت و تجهیزات پزشکی در صنعت پزشکی و بهداشتی؛ تقاضا برای مواد پردازش تیتانیوم برای چوب گلف تیتانیوم، قاب عینک تیتانیومی، ساعت‌های تیتانیومی، دوچرخه‌های تیتانیومی و سایر محصولات در صنعت اوقات فراغت ورزشی در حال افزایش است. با توسعه شدید و پیشرفت بزرگ بیوتکنولوژی، صنعت مواد فلزی زیست پزشکی و محصولات آنها به صنعت ستون اقتصاد جهانی تبدیل خواهد شد [3]. در میان آنها، تقاضای تیتانیوم و آلیاژهای آن نیز در سال‌های اخیر به دلیل خواص جامع عالی مانند وزن سبک، مدول الاستیک کم، غیر{10}}سمی و غیر{11}}غناطیسی، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام بالا و چقرمگی خوب به سرعت و پیوسته افزایش یافته است [4]. همزمان با شروع ورود آلیاژ تیتانیوم به جراحی پلاستیک و سایر زمینه ها، تقاضای بالقوه جدید بازار ظاهر می شود و بازار آلیاژ تیتانیوم در آینده با سرعت بیشتری رشد خواهد کرد.

پیشرفت تحقیقات آلیاژ تیتانیوم پزشکی

1.1 طبقه بندی آلیاژهای تیتانیوم پزشکی

آلیاژهای تیتانیوم را می توان به دو دسته تقسیم کرد: نوع، + نوع و آلیاژ تیتانیوم نوع 3.

1.2 روند توسعه آلیاژ تیتانیوم پزشکی

از طریق تحقیقات ادبیات [8{9}}14]، مشخص شد که محققان تحقیقاتی مرتبط در داخل و خارج از کشور توافق دارند که توسعه آلیاژ تیتانیوم پزشکی سه مرحله برجسته را تجربه کرده است. مرحله اول توسط تیتانیوم خالص و آلیاژ Ti{12}}6Al-4V نشان داده شده است. مرحله دوم مرحله جدیدی است که با ti-5a1-2.5fe و ti-6a1-7nb + نوع آلیاژ نمایش داده می شود. مرحله سوم عمدتاً توسعه و توسعه زیست سازگاری بهتر و مدول الاستیک پایین تر - مرحله آلیاژ تیتانیوم است. مواد آلیاژ تیتانیوم بیوپزشکی ایده آل [15] باید شرایط زیر را داشته باشد: زیست سازگاری خوب، مدول الاستیک کم، چگالی کم، عملکرد ضد خوردگی خوب، غیر سمی، استحکام تسلیم بالا، عمر خستگی طولانی، انعطاف پذیری زیاد در دمای اتاق، آسان شکل گیری، ریخته گری آسان، و غیره. ti-6a1-4veli. گزارش شده است که [16-19] عنصر V می تواند باعث واکنش بافت بدخیم شود و ممکن است اثرات سمی و جانبی بر بدن انسان داشته باشد، در حالی که Al می تواند باعث پوکی استخوان، اختلال روانی و سایر بیماری ها شود. به منظور حل این مشکل، بیومتریالیست ها متعهد به کاوش و مطالعه مواد آلیاژی تیتانیوم زیست پزشکی جدید بدون V و al هستند. قبل از آن باید مشخص شود که چه عناصر آلیاژی برای افزودن مناسب هستند که غیر سمی و مطابق با اصل زیست سازگاری هستند. برخی از مطالعات [20-23] نشان دادند که حاوی عناصر غیر سمی مانند مولیبدن، نیوبیم، تانتالیوم و زیرکونیوم است آلیاژ تیتانیوم حاوی محتوای بالایی از عناصر پایدار است و + در مقایسه با آلیاژ تیتانیوم نوع I، مدول الاستیک کمتری دارد (E=55 ~ 80gpa)، خواص برشی بهتر و نشتی مناسب برای بدن انسان دارد.

2 کاربرد آلیاژ تیتانیوم

2.1 اساس پزشکی آلیاژ تیتانیوم

مزایای استفاده از تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم به عنوان ایمپلنت انسانی عبارتند از: (1) چگالی (20 درجه)=4.5 گرم در سانتی متر مکعب، وزن سبک. کاشت در بدن انسان: کاهش بار بدن انسان. به عنوان یک دستگاه پزشکی: کاهش بار عملیاتی پرسنل پزشکی. (2) مدول الاستیک کم است و تیتانیوم خالص 108500mpa است. در بدن انسان کاشته می‌شود: به استخوان طبیعی بدن انسان نزدیک‌تر است که به اتصال استخوان کمک می‌کند و اثر محافظتی استخوان بر روی ایمپلنت را کاهش می‌دهد. (3) غیر مغناطیسی، تحت تأثیر میدان الکترومغناطیسی و آب و هوای رعد و برق نیست، که برای ایمنی انسان پس از استفاده مفید است. (4) غیر سمی به عنوان ایمپلنت هیچ عارضه جانبی بر بدن انسان ندارد. (5) مقاومت در برابر خوردگی (مواد فلزی بی اثر زیستی)، مقاومت در برابر خوردگی عالی در محیط غوطه ور شدن خون انسان، سازگاری خوب با خون و بافت سلولی انسان، عدم آلودگی انسانی و واکنش آلرژیک به عنوان ایمپلنت، که شرط اساسی برای استفاده از تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم است. (6) استحکام بالا و چقرمگی خوبی دارد. آسیب استخوان و مفاصل در اثر تروما، تومور و عوامل دیگر ایجاد می شود. برای ایجاد یک داربست استخوانی پایدار، باید از صفحات قوس، پیچ، استخوان های مصنوعی و مفاصل استفاده شود. این ایمپلنت ها باید برای مدت طولانی در بدن انسان باقی بمانند و تحت تاثیر خم شدن، پیچش، اکستروژن و انقباض عضلانی بدن انسان قرار می گیرند. لازم است ایمپلنت ها دارای استحکام و چقرمگی بالایی باشند.

2.2 زمینه های پزشکی و ارتوپدی آلیاژ تیتانیوم

وضعیت بازار با توسعه آلیاژ تیتانیوم، افزایش انواع تیتانیوم و کاهش قیمت، کاربرد تیتانیوم در صنعت عمران دو برابر شده است. CFDA دستگاه‌های پزشکی را بر اساس ایمنی از بالا به پایین به سه سطح تقسیم می‌کند و دولت‌های سه سطح-به ترتیب بر آنها نظارت و مدیریت می‌کنند. ایمپلنت های ساخته شده از مواد تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم به دسته سوم تجهیزات پزشکی تعلق دارند و مواد مصرفی با ارزشی بالا هستند. صنایع فرعی با بخش های بازار بیش از 5 درصد شامل تشخیص آزمایشگاهی، قلب، تشخیص تصویربرداری، ارتوپدی، چشم پزشکی و جراحی پلاستیک است. در میان آنها، تشخیص آزمایشگاهی، ارتوپدی و مداخله قلبی سریع‌ترین-رشد-مواد مصرفی با ارزش بالا در چین هستند. کاربرد تیتانیوم زیست پزشکی و مواد آلیاژی آن سه مرحله مهم را تجربه کرده است [27]: در اوایل دهه 1950، تیتانیوم خالص تجاری برای اولین بار برای ساخت صفحات استخوانی، پیچ ها، ناخن های داخل مدولاری و مفاصل ران در بریتانیا و ایالات متحده استفاده شد. ماتیس سوئیس همچنین از آلیاژ ti-6a1-7nb برای ساخت سیستم ناخن درون‌مدولاری به هم پیوسته غیرقابل اصلاح (شامل درشت نی، بازو و استخوان ران) و پیچ‌های توخالی برای درمان شکستگی‌های گردن فمور استفاده می‌کند. آلیاژ متخلخل Ni Ti (pnt) تولید کننده قفس فیوژن میان بادی گردنی و کمری (قفس) شرکت biorthex کانادا، یک قفس همجوشی میان بادی گردنی و کمری ساخته شده از مواد ثبت شده با آلیاژ Ni Ti متخلخل Actipore GA برای درمان آسیب ستون فقرات ارتوپدی ساخته است. آلیاژ تیتانیوم نوع جدید یک ماده پیشرفته است که می تواند در ارتوپدی، دندانپزشکی و مداخلات عروقی استفاده شود. صنعت تجهیزات پزشکی ارتوپدی 9 درصد از سهم بازار جهانی تجهیزات پزشکی را به خود اختصاص داده است و هنوز هم به سرعت در حال رشد است. بازار تجهیزات پزشکی ارتوپدی عمدتاً به چهار حوزه تقسیم می شود: تروما، مفصل، ستون فقرات و موارد دیگر. در میان آنها، تروما تنها زمینه تقسیم شده ای است که توسط شرکت های خارجی اشغال نشده است. دلیل اصلی این است که محصولات در این زمینه محتوای فنی پایینی دارند، کپی آن آسان است و کار با سختی کمتری دارد. بسیاری از بیمارستان های ثانویه و ثالث می توانند آن را انجام دهند که نمی توانند به طور کامل توسط شرکت های خارجی پوشش داده شوند. محصولات تروما را می توان به دستگاه های ثابت داخلی و تثبیت خارجی تقسیم کرد. محصولات تروما تثبیت داخلی شامل ناخن‌های داخل مدولری، صفحات استخوانی و پیچ‌ها هستند. در سال 2012، تروما 34 درصد، مفاصل 28 درصد، ستون فقرات 20 درصد و دیگران 18 درصد در بازار داخلی ارتوپدی به خود اختصاص داده است. مفاصل بزرگ تجهیزات پزشکی پیشرفته با موانع فنی بالا هستند. در حال حاضر، بیمارستان های اصلی عمدتا مواد ارتوپدی را وارد می کنند. هنوز بین محصولات داخلی و وارداتی از نظر فناوری، طراحی، تحقیق و توسعه، مواد، فرآیند درمان سطحی و غیره فاصله وجود دارد، مفاصل مصنوعی عمدتاً به مفاصل زانو مصنوعی، مفصل ران، آرنج، شانه، انگشتان دست و پا تقسیم می‌شوند که در این میان مهم‌ترین جایگزینی مفصل شامل مفصل ران و زانو است که بیش از ۹۵ درصد از بازار جهانی تعویض مفصل را به خود اختصاص داده است. دستگاه های ایمپلنت ستون فقرات شامل سیستم صفحه پیچی توراکولومبار، سیستم صفحه پیچ گردنی و سیستم قفس فیوژن می باشد. سیستم قفس فیوژن بین مهره ای عمدتا برای درمان جایگزینی دیسک بین مهره ای استفاده می شود. همچنین مهمترین بخش است که حدود نیمی از کل بازار ایمپلنت ستون فقرات را به خود اختصاص داده است.

3 نتیجه گیری

عملکرد برتر آلیاژ تیتانیوم آن را به یک موقعیت پیشرو در زمینه پزشکی تبدیل می کند. با پیشرفت بیوتکنولوژی و تقاضای زیاد کاربردهای پزشکی، طراحی مواد و فناوری تهیه آلیاژ تیتانیوم به سرعت توسعه یافته است. در حال حاضر عمده آلیاژهای تیتانیوم پزشکی تولید شده آلیاژ تیتانیوم + نوع می باشد. از نظر فرآیند آماده سازی، تولید TC4 (tc4eli) در حال حاضر سهم اصلی بازار را به خود اختصاص داده است. آلیاژ تیتانیوم نوع T به دلیل مزایای خاصی که در زیست سازگاری و سازگاری مکانیکی دارد، به کانون تحقیقاتی آلیاژ تیتانیوم پزشکی جدید و بالقوه ترین فناوری در زمینه ایمپلنت های پزشکی تبدیل شده است. در آینده، فناوری تولید آلیاژ تیتانیوم باید در جهت مدول کم، استحکام بالا، زیست سازگاری خوب و سازگاری مکانیکی توسعه یابد. از روند توسعه، آلیاژ تیتانیوم نوع به جهت توسعه آینده و جریان اصلی بازار آلیاژ تیتانیوم پزشکی تبدیل خواهد شد.