Status primjene i izgledi legura titana u području biomedicine 1. dio


Titan (Ti) i titanove legure smatraju se korištenima u popravljanju ljudskih tkiva nakon nehrđajućeg čelika i kobaltovih legura hroma zbog svojih odličnih sveobuhvatnih svojstava kao što su visoka specifična čvrstoća, nizak elastični modul, jaka korozijska otpornost i dobra biokompatibilnost. To je idealan hirurški materijal za implantate, koji se široko primjenjuje u biomedicinskim poljima kao što su materijali za implantaciju, hirurški instrumenti, medicinski uređaji i farmaceutska oprema.


I. Vrste i karakteristike biomedicinskih legura titana

1. Vrste legura biomedicinske titanijuma

Kao biomedicinska legura titanijuma i titanijuma uglavnom se dijeli na sljedeće vrste.


(1) Čisti titan

Čisti titanijum je jednofazna (α-fazna) struktura koja se ne može ojačati termičkom obradom. Klasifikuje se prema sadržaju nečistoća kao što su ugljenik, gvožđe i kiseonik. Čisti medicinski titanijum ima odličnu otpornost na koroziju, modul elastičnosti blizu prirodne kosti i odličnu biokompatibilnost. U medicini se koristi od 1930-ih, kao medicinski uređaji poput koštanih ploča, zubnih implantata, umjetnih mreža za lubanje i za izradu komponenata medicinske opreme poput pejsmejkera i uređaja za zračnu terapiju.


(2) Medicinska legura titanijuma

Medicinske legure titana mogu se podijeliti u 3 kategorije, i to α legure titanijuma, α + β legura titanijuma i β legura titana. Primjena i razvoj lekovitih legura titana i titana mogu se podijeliti u 3 generacije. Prvu generaciju predstavljaju čisti titan i Ti-6 aluminijum (Al) -4 vanadijum (V). Budući da ima bolju biokompatibilnost, otpornost na koroziju i mehanička svojstva od nehrđajućeg čelika i legura kobalt-hroma, u ranoj je fazi korišten kao hirurški implantat. U materijalima se široko koriste. Druga generacija su legure titanijuma α + β, predstavljene Ti-5Al-2.5 željezom (Fe) i Ti-6Al-7 niobijem (Nb). Ove legure ne sadrže V, toksičan za tijelo, i imaju ista svojstva kao Ti-6Al. -4V ima slična mehanička svojstva i koristi se u hirurgiji. Japan i Velika Britanija su sukcesivno razvili niz legura titanijuma α + β odlične biokompatibilnosti, kao što su Tital-15Zr-4Nb-4 tantal (Ta) -0,2 paladij (Pd), Ti-15 kalaj (Sn) -4Nb - 2Ta-0,2Pd itd. Ove legure imaju bolju otpornost na habanje, otpornost na zamor i otpornost na koroziju od Ti-6Al-4V. Iako je medicinska legura titana druge generacije postigla veliki napredak u odnosu na prvu generaciju, ona i dalje sadrži elemente poput Al i Fe s potencijalnom citotoksičnošću. Nije biokompatibilan, njegov elastični modul je veći od ljudske kosti i ne može se ukloniti zaštita od stresa. Istovremeno se moraju poboljšati njegova žilavost, otpornost na zamor, otpornost na habanje i korozija.


Β Treća generacija uglavnom je razvila legure beta titanijuma. U usporedbi s legurom titanijuma α + β, legija β titanijuma ima bolju biokompatibilnost i otpornost na koroziju i niži modul elastičnosti. Glavna ideja dobivanja β titanove legure je upotreba cirkonijuma (Zr), Nb, Ta, Pd i Sn kao legirajućih elemenata za smanjenje ili uklanjanje štetnih utjecaja Al i V elemenata. Do sada su ljudi razvili Ti-molibden (Mo), Ti -Nb, Ti-Ta i Ti-Zr i druge nove metastabilne serije β titanovih legura, uključujući Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti -15Mo-3Nb-0.3O, Ti-13Nb-13Zr, Ti-15Mo-2.5Nb-0.2 silicij (Si), Ti-35Nb-5Ta-7Zr, Ti-15Mo, Ti-24Nb-4Zr-8Sn, itd.


(3) Legura memorije

Skoro izoatomska slitina Ti nikla (Ni) u obliku memorije široko se koristi u medicini. Tipične primjene su ortopedska oprema (kompresijski spojevi za jahanje, intramedularni nokti, unutarnji fiksatori), zubni materijali (ortodontska vlakna, kontura korijenskog kanala), interventni materijali (kardio-cerebralni vaskularni stentovi, vodeće žice) itd. Kako bi se dodatno poboljšao oblik memorijski efekt legura, mnogi proizvođači materijala proučavali su legure memorije u obliku Ti ili bogata bogata Ni ili postigli određeni napredak.


Ljudi su takođe pronašli efekte memorije oblika i superelastičnost u nekim t titanovim legurama na bazi Ti-Mo i Ti-Nb. Studije su pokazale da se prilagođavanjem sadržaja stabilnih elemenata β-faze u titanovim legurama može započeti promjena početne i završne temperature transformacije martenzita. Kada je napon martenzitske transformacije manji od naprezanja potrebnog da uzrokuje dislokacijsko klizanje legure, dogodit će se i martenzitska transformacija izazvana stresom, a ta martenzitska faza daje superlestična svojstva legure.


2. Karakteristike biomedicinskih legura titana

Biomedicinska legura titanijuma ima sledeće karakteristike:

①Više specifična čvrstoća. Legura titana ima manju gustinu i umerenu čvrstoću, što može udovoljiti zahtevima čvrstoće medicinskih uređaja poput kostiju, zglobova i hirurških instrumenata. U isto vrijeme, medicinski uređaji od titana su relativno lagani, što značajno smanjuje opterećenje na ljudskom tijelu i ima visoku udobnost korisnika.


② Dobra mehanička kompatibilnost. Modul elastičnosti legura titana i titana mnogo je bliži ljudskim kostima od nehrđajućeg čelika, kobaltovih legura hroma itd. Modul elastičnosti može se smanjiti na 40-100 GPa, što može umanjiti učinak zaštite ljudskog kostiju na implantate i ima dobru kompatibilnost s ljudskim kostima.


③ Dobra otpornost na koroziju. Na površini legure titana nalazi se tanak oksidni film koji ima dobru hemijsku stabilnost i koroziju tečnosti za antitela, a koji je pogodan za upotrebu na svim delovima tela.


④ Dobra biokompatibilnost, netoksična je i nealergenska.


⑤ Dobra obrada, pogodna za izradu ploča, šipki, žica, mreža, cijevi, oblikovanih dijelova itd.


Osim toga, legure titana imaju malu apsorpciju rendgenskih zraka, dobru vidljivost rendgenskih zraka i uglavnom su neosjetljive na magnetska polja. Na njih ne utječu elektromagnetska polja i grmljavinske oluje i neće utjecati na rentgenske i magnetske rezonancije (MRI) pacijenata. ; Titanijum nikal legure takođe ima jedinstvenu memoriju oblika i super elastičnost. Na osnovu gornjih karakteristika, legure titana i titana postale su širok spektar biometalnih materijala.