חומרים ויישומים של סגסוגת טיטניום ביו-רפואית

חומרים ויישומים של סגסוגת טיטניום ביו-רפואית

חומרי סגסוגת טיטניום ביו-רפואי מתייחסים ספציפית לסוג של חומרים מבניים פונקציונליים המשמשים בהנדסה ביו-רפואית, במיוחד לייצור וייצור של שתלים כירורגיים ומוצרי מכשירים אורטופדיים. ייצור והכנת חומרים לעיבוד סגסוגת טיטניום כרוכים בתחומי המטלורגיה, עיבוד הלחץ, חומרים מרוכבים ותעשייה כימית, והינו מוצר היי-טק מוכר בעולם. טיטניום וסגסוגות טיטניום נכנסו בהדרגה לתחום הצריכה האזרחית מתחומי התעופה והחלל, התעופה וההגנה הלאומית. מוצרים כגון שתלים ומכשור רפואי בתעשיית הרפואה והבריאות; מועדוני גולף טיטניום בתעשיית הספורט והפנאי, כמו גם מסגרות למשקפי טיטניום, שעוני טיטניום, אופני טיטניום ומוצרים נוספים, הביקוש לחומרים מעובדים טיטניום עולה כל הזמן. עם הפיתוח הנמרץ ופריצות הדרך של הביוטכנולוגיה, תעשיית חומרי המתכת והמוצרים הביו-רפואיים תתפתח לתעשיית עמוד התווך של הכלכלה העולמית. ביניהם, טיטניום וסגסוגותיו חוו בשנים האחרונות גידול מהיר ויציב בביקוש הודות לתכונות המקיפות המצוינות שלהם כגון קל משקל, מודול אלסטי נמוך, לא רעיל ולא מגנטי, עמידות בפני קורוזיה, חוזק גבוה וקשיחות טובה. במקביל, כאשר סגסוגות טיטניום מתחילות להיכנס לכירורגיה פלסטית ולתחומים אחרים, צצות דרישות שוק פוטנציאליות חדשות, ושוק סגסוגות הטיטניום יצמח מהר יותר בעתיד.

התקדמות המחקר של סגסוגות טיטניום רפואיות

1.1 סיווג סגסוגות טיטניום רפואיות

ניתן לחלק סגסוגות טיטניום לשלוש קטגוריות בהתאם לסוג המיקרו-מבנה של החומר: סוג α, סוג α+β וסגסוגת טיטניום מסוג β.

1.2 מגמת פיתוח של סגסוגות טיטניום רפואיות

לאחר מחקר ספרות, נמצא כי חוקרים רלוונטיים בארץ ובחו"ל מאמינים פה אחד כי הפיתוח של סגסוגות טיטניום רפואיות עבר שלושה שלבים איקוניים. השלב הראשון מיוצג על ידי טיטניום טהור וסגסוגת Ti-6Al-4V; השלב השני מיוצג על ידי סגסוגות Ti New α+β המיוצגות על ידי -5A1-2.5Fe ו-Ti-6A1-7Nb; השלב השלישי הוא השלב העיקרי של פיתוח ופיתוח סגסוגות β-טיטניום עם תאימות ביולוגית טובה יותר ומודול אלסטי נמוך יותר. אִידֵאָלִי חומרים ביו רפואיים מסגסוגת טיטניום חייב לעמוד בתנאים הבאים: תאימות ביולוגית טובה, מודול אלסטי נמוך, צפיפות נמוכה, תכונות אנטי קורוזיה טובות, לא רעיל, חוזק תפוקה גבוה, חיי עייפות ארוכים וגמישות רבה בטמפרטורת החדר. , קל ליצירה, קל ליציקה וכו'. הסגסוגות החשובות שהיו בשימוש נרחב בחומרי שתלים הן Ti-6A1-4V ו-Ti-6A1-4VELI. ישנם דיווחים בספרות שאלמנט V יכול לגרום לתגובות רקמות ממאירות ועלולות להיות תופעות לוואי רעילות על גוף האדם, בעוד ש-Al יכול לגרום לאוסטאופורוזיס והפרעות נפשיות. כדי לפתור בעיה זו, מדענים ביו-חומרים מחויבים כיום לחקור ולחקור את חומרי סגסוגת הטיטניום הביו-רפואיים החדשים של אל V-free, לפני כן יש צורך להבין איזה סוג של יסודות סגסוגת מתאים להוסיף שהם גם לא רעילים וגם תואמים ביו. . מחקרים מצאו כי סגסוגות β-טיטניום המכילות יסודות לא רעילים כגון מוליבדן, ניוביום, טנטלום וזירקוניום מכילות תכולה גבוהה יותר של אלמנטים מייצבי β ובעלות מודול אלסטי נמוך יותר (E=55~ 80GPa) וביצועי גזירה טובים יותר. קשיחות, היא מתאימה יותר להשתלה בגוף האדם כשתל.

יישומים של סגסוגות טיטניום

2.1 בסיס רפואי של סגסוגות טיטניום

היתרונות העיקריים של שימוש בטיטניום וסגסוגות טיטניום כשתלים אנושיים הם: (1) צפיפות (20°C) = 4.5g/cm3 וקל משקל. מושתל בגוף האדם: להפחית את העומס על גוף האדם; כמכשיר רפואי: להפחית את עומס ההפעלה על הצוות הרפואי. (2) מודול האלסטי נמוך, וטיטניום טהור הוא 108500MPa. כאשר הוא מושתל בגוף האדם: הוא קרוב יותר לעצם הטבעית של גוף האדם, דבר המסייע להשתלת עצם ומפחית את השפעת מיגון המתח של העצם על השתל. (3) לא מגנטי, לא מושפע משדות אלקטרומגנטיים וסופות רעמים, דבר המועיל לבטיחות האדם לאחר השימוש. (4) הוא אינו רעיל ואין לו תופעות לוואי רעילות או תופעות לוואי על גוף האדם כשתל. (5) עמידות בפני קורוזיה (חומר מתכת אינרטי מבחינה ביולוגית). יש לו עמידות מצוינת בפני קורוזיה בסביבת הטבילה של דם אנושי ומבטיח תאימות טובה לרקמות דם ותאים אנושיים. בתור שתל, הוא אינו מייצר זיהום אנושי ואינו מזיק לגוף האדם. יתרחשו תגובות אלרגיות, שהן תנאי בסיסי ליישום טיטניום וסגסוגות טיטניום. (6) חוזק גבוה וקשיחות טובה. נזק לעצמות ולמפרקים עקב טראומה, גידולים וגורמים נוספים. להקמת פיגום עצם יציב יש להשתמש בלוחות קשת, ברגים, עצמות מלאכותיות, מפרקים וכו'. יש להשאיר שתלים אלו במקומם למשך זמן רב. גוף האדם יהיה נתון לכיפוף, פיתול, מעיכה, התכווצות שרירים והשפעות אחרות של גוף האדם, המחייבות שתלים יהיו בעלי חוזק וקשיחות גבוהים.

2.2 תחומים רפואיים ואורתופדיים של סגסוגות טיטניום

מצב השוק עם התפתחות סגסוגות טיטניום, הגידול בסוגי חומרי טיטניום והפחתת המחירים, הוכפל היישום של טיטניום בתעשייה האזרחית. ה-CFDA מחלק את המכשירים הרפואיים לשלוש רמות בהתאם לבטיחותם מגבוה לנמוכה, והם מפוקחים ומנוהלים על ידי שלוש רמות הממשל בהתאמה. שתלים העשויים מחומרי טיטניום וסגסוגת טיטניום שייכים לקטגוריה השלישית של מכשור רפואי והם חומרים מתכלים בעלי ערך גבוה. תת-המגזרים המהווים יותר מ-5% מהשוק כוללים שישה מגזרים עיקריים: אבחון מבחנה, קרדיולוגיה, הדמיה אבחנתית, אורטופדיה, רפואת עיניים וכירורגיה פלסטית. ביניהם, אבחון מבחנה, אורטופדיה והתערבות לבבית הם החומרים המתכלים בעלי הערך הגבוה הגדלים ביותר בסין. היישום של טיטניום ביו-רפואי וחומרי הסגסוגת שלו עבר שלושה שלבים איקוניים: יישום ראשוני בתחילת שנות ה-1950, לראשונה בבריטניה ובארצות הברית, נעשה שימוש בטיטניום טהור מסחרית לייצור לוחות עצם, ברגים, מסמרים תוך-מדולריים וירכיים. מפרקים. חברת Mathys השוויצרית משתמשת גם בסגסוגת Ti-6A1-7Nb לייצור מערכות ציפורניים תוך-מדולריות ננעלות לא מורחבות (כולל השוקה, הומרוס ועצם הירך) וברגים חלולים לטיפול בשברים בעצם צוואר הירך. חומר ביואקטיבי של סגסוגת Ni-Ti נקבובי (PNT) משמש לייצור כלובי איחוי בין חולייתי צוואר הרחם והמותני (Cage). חברת BIORTHEX הקנדית פיתחה כלוב איחוי בין חולייתי צווארי ומותני העשוי מחומר פטנט מסגסוגת Ni-Ti נקבובי ACTIPORE G לטיפול בפגיעות אורטופדיות בעמוד השדרה. סגסוגת הבטא טיטניום החדשה יכולה לשמש כחומר מתקדם למטרות מרובות כגון אורטופדיה, רפואת שיניים והתערבות כלי דם. תעשיית המכשור הרפואי האורטופדי מהווה 9% מנתח השוק העולמי של המכשור הרפואי ועדיין צומחת במהירות. שוק המכשור הרפואי האורטופדי מפולח בעיקר לארבעה תחומים: טראומה, מפרקים, עמוד שדרה ואחרים. ביניהם, טראומה היא הפלח היחיד שכרגע אין לו נתח שוק גדול שנכבש על ידי חברות זרות. הסיבה העיקרית היא שהמוצרים בתחום זה בעלי תכולה טכנית נמוכה, קלים לחיקוי ופחות קשים לתפעול. הם יכולים להתבצע בבתי חולים רבים מהדרג השני והשלישי, וחברות זרות לא יכולות לכסות אותם במלואם. ניתן לחלק את מוצרי הטראומה לקיבוע פנימי ומכשירי קיבוע חיצוניים. מוצרי טראומה לקיבוע פנימי כוללים מסמרים תוך-מדולריים, לוחות עצם, ברגים וכו'. בשנת 2012, טראומה היוותה 34% משוק האורטופדיה המקומי, מפרקים 28%, עמוד שדרה 20% ואחרים. 18%. מפרקים גדולים הם מכשירים רפואיים מתקדמים עם מחסומים טכניים גבוהים. כיום, בתי החולים המיינסטרים משתמשים בעיקר בחומרים אורטופדיים מיובאים. עדיין קיים פער בין מוצרים מקומיים ליובאים מבחינת טכנולוגיה, עיצוב, מחקר ופיתוח, חומרים, תהליכי טיפול פני השטח וכו'. מפרקים מלאכותיים מחולקים בעיקר לברכיים מלאכותיות, ירכיים, מרפקים, כתפיים, מפרקי אצבעות ואצבעות וכו'. ביניהם, החלפות המפרק החשובות ביותר כוללות מפרקי ירך ומפרקי ברכיים, המהווים יחד יותר מ-95% משוק החלפות המפרקים העולמי. מכשירי השתלת עמוד השדרה כוללים מערכות לוחיות ציפורניים תורקולומבריות, מערכות לוחיות עמוד שדרה צוואריות ומערכות כלוב פיוז'ן, ביניהן מערכת הכלוב הבין חולייתי משמשת בעיקר לטיפול בהחלפת דיסק בין חולייתי והיא גם הסגמנט החשוב ביותר, המהווה בערך את כל שוק השתלות עמוד השדרה . חצי מ-.

סיכום

התכונות המעולות של סגסוגות טיטניום תרמו למעמדה המוביל בתחום הרפואי. טכנולוגיית עיצוב החומר וההכנה של סגסוגות טיטניום התפתחה במהירות עם פריצות הדרך בביוטכנולוגיה והביקוש הגדול ליישומים רפואיים. ה סגסוגות טיטניום רפואיות כיום מיוצרים בעיקר סגסוגות טיטניום מסוג α+β. מנקודת המבט של טכנולוגיית ההכנה, ייצור TC4 (TC4ELI) תופס כיום את נתח השוק העיקרי. לסגסוגת טיטניום מסוג β יש יתרונות מסוימים בהתאמה ביולוגית ובהתאמה מכנית, ולכן היא הפכה למוקד מחקר עבור סגסוגות טיטניום רפואיות חדשות ומהווה את הטכנולוגיה הפוטנציאלית ביותר בתחום השתלים הרפואיים. בעתיד, טכנולוגיית הייצור של סגסוגות טיטניום אמורה להתפתח בכיוון של מודולוס נמוך, חוזק גבוה, תאימות ביולוגית טובה ותאימות מכנית. מנקודת המבט של מגמות הפיתוח, סגסוגות טיטניום מסוג β יהפכו לכיוון הפיתוח העתידי ולזרם המרכזי של שוק סגסוגות הטיטניום הרפואיות.