Materiali e applicazioni biomediche delle leghe di titanio

I materiali in lega di titanio per applicazioni biomediche sono una classe di materiali strutturali funzionali utilizzati nell'ingegneria biomedica, in particolare per la produzione e fabbricazione di impianti chirurgici e dispositivi ortopedici. La produzione e la preparazione delle leghe di titanio coinvolge la metallurgia, la lavorazione a pressione, i materiali compositi e l'industria chimica ed è riconosciuta come un prodotto ad alta tecnologia nel mondo. Il titanio e le leghe di titanio stanno gradualmente entrando nel campo dei consumatori civili provenienti dall'industria aerospaziale, aeronautica e della difesa. Come impianti del settore sanitario, dispositivi medici; mazze da golf in titanio per l'industria dello sport e del tempo libero e montature per occhiali in titanio, orologi in titanio, biciclette in titanio e altri prodotti, la domanda di materiali per la lavorazione del titanio è in aumento. Con il vigoroso sviluppo della biotecnologia e le principali scoperte, l’industria dei materiali e dei prodotti metallici biomedici si trasformerà in un settore pilastro dell’economia mondiale. Tra questi, il titanio e le sue leghe leggere, basso modulo di elasticità, non tossico, non magnetico, resistenza alla corrosione, elevata resistenza, buona tenacità e altre eccellenti prestazioni complete, negli ultimi anni, la domanda di una crescita rapida e costante. Allo stesso tempo, man mano che le leghe di titanio iniziano a entrare nel campo dell’ortopedia e in altre nuove potenziali richieste di mercato, il futuro del mercato delle leghe di titanio apparirà in crescita più rapida.
1 Progressi della ricerca sulla lega di titanio medicale
1.1 Classificazione della lega di titanio medicale
Le leghe di titanio possono essere suddivise in 3 categorie in base al tipo di microstruttura del materiale: leghe di titanio -tipo, + -tipo e -tipo.
1.2 Il trend di sviluppo della lega di titanio medicale
La ricerca in letteratura ha rilevato che ricercatori e studiosi nazionali e stranieri concordano sul fatto che lo sviluppo delle leghe di titanio per uso medico è passato attraverso tre fasi iconiche, la prima fase è rappresentata dal titanio puro e dalla lega Ti-6Al-4V; il secondo stadio è rappresentato dalla nuova lega + con Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb; la terza fase è lo sviluppo di + leghe con migliore biocompatibilità e modulo elastico più basso; la terza fase consiste nello sviluppare la lega + con migliore biocompatibilità e modulo elastico inferiore. e modulo elastico inferiore: leghe di titanio. I materiali ideali in lega di titanio biomedico devono soddisfare le seguenti condizioni: buona biocompatibilità, basso modulo di elasticità, bassa densità, buona resistenza alla corrosione, non tossicità, elevato limite di snervamento, lunga durata a fatica, grande plasticità a temperatura ambiente, facile da formare, facile fusione . Le leghe importanti ampiamente utilizzate nei materiali per impianti sono Ti-6A1-4V e Ti-6A1-4VELI. È stato riportato in letteratura che l'elemento V può causare reazioni tissutali maligne, che possono avere effetti collaterali tossici sul corpo umano, e l'elemento Al può causare osteoporosi, disturbi mentali e altri disturbi; per risolvere questo problema, gli attuali scienziati dei biomateriali sono impegnati nell'esplorazione e nella ricerca di nuove leghe di titanio biomedico che non contengano V e Al. Per risolvere questo problema, gli attuali scienziati dei biomateriali sono impegnati nell’esplorazione e nella ricerca di nuovi biomateriali che non contengano V, leghe Al titanio per uso medico, e prima di ciò è necessario capire che tipo di elementi di lega sono adatti per aggiungere non -tossico e biocompatibile. È stato riscontrato che le leghe di titanio contenenti elementi non tossici come molibdeno, niobio, tantalio, zirconio, ecc. contengono un contenuto maggiore di elementi stabilizzanti e, rispetto alle + leghe di titanio, hanno un modulo di elasticità inferiore (E {{ 19}} ~ 80GPa) nonché migliori proprietà di taglio e tenacità, che è più adatto per l'impianto nel corpo umano come impianto.

2 Applicazione della lega di titanio
2.1 Base medica della lega di titanio
I vantaggi dell'utilizzo del titanio e delle leghe di titanio come impianti umani sono principalmente: (1) densità (20 gradi)=4,5 g/cm3, leggero. Impiantato nel corpo umano: per ridurre il carico del corpo umano, come dispositivo medico: per ridurre il carico operativo del personale medico. (2) Basso modulo di elasticità, il titanio puro è 108.500 MPa, impiantato nel corpo: più vicino all'osso naturale del corpo umano, favorevole all'innesto osseo, per ridurre l'effetto di protezione dallo stress dell'osso sull'impianto. (3) Non magnetico, non influenzato da campi elettromagnetici e temporali, favorevole alla sicurezza del corpo umano dopo l'uso. (4) Non tossicità, nessun effetto collaterale tossico sul corpo umano come impianto. (5) resistenza alla corrosione (materiali metallici bioinerti), eccellente resistenza alla corrosione nell'ambiente di immersione nel sangue umano, per garantire una buona compatibilità con il sangue umano e i tessuti cellulari, poiché gli impianti non producono contaminazione umana, non si verificheranno reazioni allergiche, il che è la base per l'applicazione delle condizioni del titanio e delle leghe di titanio. (6) elevata resistenza, buona tenacità, a causa di traumi, tumori e altri fattori che portano a danni alle ossa e alle articolazioni, al fine di stabilire un solido supporto osseo, devono essere utilizzati con l'aiuto di piastre curve, viti, ossa artificiali e articolazioni, ecc., questi impianti dovrebbero essere lasciati nel corpo per un lungo periodo, saranno soggetti alla flessione, alla torsione, all'estrusione, alla contrazione muscolare e ad altri ruoli del corpo umano, ai requisiti degli impianti con elevata resistenza e tenacità.

2.2 Ambiti medici e ortopedici delle leghe di titanio
La situazione del mercato con lo sviluppo delle leghe di titanio, delle varietà di titanio e della riduzione dei prezzi, le applicazioni del titanio nell'industria civile sono aumentate in modo esponenziale. Il CFDA sarà diviso in tre classi di dispositivi medici in base alla loro sicurezza, da alta a bassa, e rispettivamente dai tre livelli di supervisione e gestione governativa, gli impianti in titanio e materiali in lega di titanio appartengono alla terza classe di dispositivi medici e quelli di alto valore classe dei materiali di consumo. Quota di mercato del sottosegmento superiore al 5% del sottosettore, compresa la diagnostica in vitro, cardiaca, diagnostica per immagini, ortopedia, oftalmologia, ortopedia sei segmenti principali. Tra questi, la diagnostica in vitro, l'ortopedia e l'intervento cardiaco rappresentano i beni di consumo di alto valore in più rapida crescita in Cina. L'applicazione del titanio biomedico e delle sue leghe ha attraversato tre fasi fondamentali: la prima applicazione all'inizio degli anni '50, prima nel Regno Unito e negli Stati Uniti, il titanio commercialmente puro veniva utilizzato per produrre placche ossee, viti, chiodi intramidollari e articolazioni dell'anca . Swiss Mathys ha utilizzato anche la lega Ti-6A1-7Nb per produrre sistemi di chiodi intramidollari non espansi (inclusi tibia, omero, femore) e viti cave per il trattamento delle fratture del collo del femore. Produzione di materiale bioattivo in lega porosa Ni-Ti (PNT) fusione intersomatica cervicale e lombare (Cage) La società canadese BIORTHEX ha sviluppato l'uso del materiale brevettato in lega porosa Ni-Ti ACTIPOREORE gamma per la produzione di fusione intersomatica cervicale e lombare per il trattamento ortopedico delle lesioni spinali. La nuova lega di beta titanio può tenere conto dell'ortopedia, dell'odontoiatria, degli interventi vascolari e di altri usi di materiali avanzati. L'industria dei dispositivi medici ortopedici rappresentava oltre il 9% della quota di mercato globale dei dispositivi medici ed è ancora in rapida crescita. Il mercato dei dispositivi medici ortopedici è suddiviso in quattro segmenti principali: trauma, articolazioni, colonna vertebrale e altri. Tra questi, quello del trauma è l'unico segmento che non è stato occupato da aziende straniere ad occupare una quota di mercato importante, soprattutto perché i prodotti in questo campo sono a bassa tecnologia, facili da imitare, meno difficili da gestire e molti di seconda e terza generazione. È possibile effettuare ospedali di livello inferiore, quindi le società straniere non possono essere completamente coperte. I prodotti traumatologici possono essere suddivisi in fissazione interna e dispositivi di fissazione esterna, prodotti traumatologici per fissazione interna inclusi chiodi intramidollari, placche e viti, ecc. Nel 2012, i traumi rappresentavano il 34% del mercato ortopedico nazionale, il 28% delle articolazioni, il 20% dei la colonna vertebrale e il 18% dell'altro. I giunti di grandi dimensioni sono dispositivi medici di fascia alta con elevate barriere tecniche. Al momento, gli ospedali tradizionali importano principalmente materiali ortopedici e c’è ancora un divario tra i prodotti nazionali e quelli importati in termini di tecnologia, design, ricerca e sviluppo, materiali e processo di trattamento delle superfici. Le articolazioni artificiali sono principalmente classificate in articolazioni artificiali del ginocchio, dell'anca, del gomito, della spalla, delle dita delle mani e dei piedi, ecc., di cui le più importanti sostituzioni articolari includono le articolazioni dell'anca e del ginocchio, che insieme rappresentano oltre il 95% del mercato globale delle protesi articolari. . I dispositivi per impianti spinali includono il sistema di placca ungueale della colonna vertebrale toracolombare, il sistema di placca ungueale della colonna vertebrale cervicale e il sistema di fusione, ecc., Di cui il sistema di fusione intervertebrale viene utilizzato principalmente nel trattamento della sostituzione del disco intervertebrale, che è anche il segmento più importante, che rappresenta circa la metà dell’intero mercato degli impianti spinali.
Le prestazioni superiori delle leghe di titanio hanno portato alla loro posizione di leader nel campo medico. La progettazione dei materiali e la tecnologia di preparazione delle leghe di titanio si sono sviluppate rapidamente con le scoperte della biotecnologia e la grande domanda di applicazioni mediche. Le leghe di titanio medicale attualmente prodotte sono principalmente leghe di titanio di tipo +. Dal punto di vista del processo di preparazione, la produzione di TC4 (TC4ELI) occupa attualmente la principale quota di mercato. Le leghe di titanio di questo tipo sono diventate il punto caldo della ricerca di nuove leghe di titanio medicale grazie ai loro vantaggi in termini di biocompatibilità e compatibilità meccanica, che è la tecnologia più promettente nel campo degli impianti medici. In futuro, la tecnologia di produzione delle leghe di titanio dovrebbe essere sviluppata nella direzione di basso modulo, elevata resistenza, buona biocompatibilità e compatibilità meccanica. Dal trend di sviluppo, la lega di titanio di tipo diventerà la direzione di sviluppo futura e la corrente principale del mercato delle leghe di titanio medicale.