Bahan dan aplikasi paduan titanium biomedis
Bahan dan aplikasi paduan titanium biomedis
Bahan paduan titanium biomedis secara khusus mengacu pada jenis bahan struktural fungsional yang digunakan dalam teknik biomedis, khususnya untuk produksi dan pembuatan implan bedah dan produk perangkat ortopedi. Produksi dan penyiapan bahan pengolahan paduan titanium melibatkan bidang metalurgi, pemrosesan tekanan, material komposit, dan industri kimia, dan merupakan produk teknologi tinggi yang diakui di dunia. Titanium dan paduan titanium secara bertahap memasuki konsumsi sipil dari bidang kedirgantaraan, penerbangan, dan pertahanan negara. Produk seperti implan dan alat kesehatan di industri medis dan kesehatan; tongkat golf titanium di industri olah raga dan rekreasi, serta bingkai kacamata titanium, jam tangan titanium, sepeda titanium, dan produk lainnya, permintaan akan bahan olahan titanium terus meningkat. Dengan pesatnya perkembangan dan terobosan bioteknologi, industri bahan dan produk logam biomedis akan berkembang menjadi industri pilar perekonomian dunia. Diantaranya, titanium dan paduannya telah mengalami pertumbuhan permintaan yang cepat dan stabil dalam beberapa tahun terakhir karena sifat komprehensifnya yang sangat baik seperti ringan, modulus elastisitas rendah, tidak beracun dan non-magnetik, tahan korosi, kekuatan tinggi, dan ketangguhan yang baik. Pada saat yang sama, ketika paduan titanium mulai memasuki bidang bedah plastik dan bidang lainnya, permintaan pasar potensial baru muncul, dan pasar paduan titanium akan tumbuh lebih cepat di masa depan.
Kemajuan penelitian paduan titanium medis
1.1 Klasifikasi paduan titanium medis
Paduan titanium dapat dibagi menjadi tiga kategori menurut jenis struktur mikro materialnya: tipe α, tipe α+β, dan paduan titanium tipe β.
1.2 Tren Perkembangan Paduan Titanium Medis
Setelah melakukan penelitian literatur, ditemukan bahwa para peneliti terkait di dalam dan luar negeri sepakat bahwa perkembangan paduan titanium medis telah melalui tiga tahap ikonik. Tahap pertama diwakili oleh titanium murni dan paduan Ti-6Al-4V; tahap kedua diwakili oleh paduan Ti Baru α+β yang diwakili oleh -5A1-2.5Fe dan Ti-6A1-7Nb; tahap ketiga merupakan tahap utama pengembangan dan pengembangan paduan β-titanium dengan biokompatibilitas yang lebih baik dan modulus elastisitas yang lebih rendah. Ideal bahan paduan titanium biomedis harus memenuhi syarat-syarat berikut: biokompatibilitas yang baik, modulus elastisitas rendah, kepadatan rendah, sifat anti korosi yang baik, tidak beracun, kekuatan luluh tinggi, umur lelah yang lama, dan plastisitas besar pada suhu kamar. , mudah dibentuk, mudah dituang, dll. Paduan penting yang telah banyak digunakan dalam bahan implan adalah Ti-6A1-4V dan Ti-6A1-4VELI. Terdapat laporan dalam literatur bahwa unsur V dapat menyebabkan reaksi jaringan yang ganas dan mungkin menimbulkan efek samping toksik pada tubuh manusia, sedangkan Al dapat menyebabkan osteoporosis dan gangguan jiwa. Untuk mengatasi masalah ini, para ilmuwan biomaterial saat ini berkomitmen untuk mengeksplorasi dan meneliti bebas-V, bahan paduan titanium biomedis baru Al, sebelum itu perlu untuk mengetahui jenis elemen paduan apa yang cocok untuk ditambahkan yang tidak beracun dan biokompatibel. . Penelitian telah menemukan bahwa paduan β-titanium yang mengandung unsur tidak beracun seperti molibdenum, niobium, tantalum, dan zirkonium mengandung unsur penstabil β yang lebih tinggi dan memiliki modulus elastisitas yang lebih rendah (E=55~ 80GPa) serta kinerja geser yang lebih baik dan ketangguhannya, lebih cocok untuk ditanamkan ke dalam tubuh manusia sebagai implan.
Aplikasi paduan titanium
2.1 Dasar medis dari paduan titanium
Keuntungan utama menggunakan titanium dan paduan titanium sebagai implan manusia adalah: (1) Kepadatan (20°C) = 4.5g/cm3 dan ringan. Ditanamkan ke dalam tubuh manusia: mengurangi beban pada tubuh manusia; sebagai alat kesehatan: mengurangi beban operasi tenaga medis. (2) Modulus elastisitasnya rendah, dan titanium murni adalah 108500MPa. Ketika ditanamkan ke dalam tubuh manusia: lebih dekat dengan tulang alami tubuh manusia, sehingga kondusif untuk pencangkokan tulang dan mengurangi efek pelindung stres dari tulang pada implan. (3) Non-magnetik, tidak terpengaruh oleh medan elektromagnetik dan badai petir, yang bermanfaat bagi keselamatan manusia setelah digunakan. (4) Tidak beracun dan tidak memiliki efek toksik atau samping pada tubuh manusia sebagai implan. (5) Ketahanan korosi (bahan logam inert secara biologis). Ia memiliki ketahanan korosi yang sangat baik di lingkungan perendaman darah manusia dan memastikan kompatibilitas yang baik dengan darah manusia dan jaringan sel. Sebagai implan, tidak menghasilkan polusi bagi manusia dan tidak berbahaya bagi tubuh manusia. Reaksi alergi akan terjadi, yang merupakan kondisi dasar penerapan titanium dan paduan titanium. (6) Kekuatan tinggi dan ketangguhan yang baik. Kerusakan tulang dan sendi akibat trauma, tumor, dan faktor lainnya. Untuk membuat perancah tulang yang stabil, pelat busur, sekrup, tulang buatan, sambungan, dll. harus digunakan. Implan ini harus dibiarkan dalam waktu lama. tubuh manusia akan mengalami pembengkokan, puntiran, tekanan, kontraksi otot, dan efek lain dari tubuh manusia, sehingga implan harus memiliki kekuatan dan ketangguhan yang tinggi.
2.2 Bidang medis dan ortopedi dari paduan titanium
Situasi Pasar Dengan berkembangnya paduan titanium, peningkatan jenis bahan titanium, dan penurunan harga, penerapan titanium dalam industri sipil meningkat dua kali lipat. CFDA membagi peralatan medis menjadi tiga tingkatan menurut tingkat keamanannya dari tingkat tinggi hingga rendah, dan masing-masing diawasi dan dikelola oleh tiga tingkat pemerintahan. Implan yang terbuat dari bahan titanium dan paduan titanium termasuk dalam kategori perangkat medis ketiga dan merupakan barang habis pakai yang bernilai tinggi. Sub-sektor yang menguasai lebih dari 5% pasar mencakup enam segmen utama: diagnostik in vitro, kardiologi, pencitraan diagnostik, ortopedi, oftalmologi, dan bedah plastik. Diantaranya, diagnostik in vitro, ortopedi, dan intervensi jantung merupakan produk konsumsi bernilai tinggi yang tumbuh paling cepat di Tiongkok. Penerapan titanium biomedis dan bahan paduannya telah melalui tiga tahap penting: Penerapan awal Pada awal tahun 1950-an, pertama kali di Inggris dan Amerika Serikat, titanium murni komersial digunakan untuk memproduksi pelat tulang, sekrup, paku intramedullary, dan pinggul. sendi. Perusahaan Swiss Mathys juga menggunakan paduan Ti-6A1-7Nb untuk memproduksi sistem kuku intramedulla pengunci yang tidak diperluas (termasuk tibia, humerus, dan femur) dan sekrup berongga untuk pengobatan patah tulang leher femoralis. Bahan bioaktif paduan Porous Ni-Ti (PNT) digunakan untuk pembuatan sangkar fusi intervertebralis serviks dan lumbal (Cage). Perusahaan BIORTHEX Kanada telah mengembangkan sangkar fusi intervertebralis serviks dan lumbal yang terbuat dari bahan berpori paduan Ni-Ti yang dipatenkan ACTIPORE G untuk pengobatan cedera tulang belakang ortopedi. Paduan titanium beta baru dapat digunakan sebagai bahan canggih untuk berbagai tujuan seperti ortopedi, kedokteran gigi, dan intervensi vaskular. Industri alat kesehatan ortopedi menguasai 9% pangsa pasar alat kesehatan global dan masih berkembang pesat. Pasar alat kesehatan ortopedi pada dasarnya tersegmentasi menjadi empat bidang: trauma, sendi, tulang belakang, dan lain-lain. Diantaranya, trauma menjadi satu-satunya segmen yang saat ini belum memiliki pangsa pasar besar yang ditempati oleh perusahaan asing. Alasan utamanya adalah produk di bidang ini memiliki kandungan teknis yang rendah, mudah ditiru, dan lebih mudah dioperasikan. Hal ini dapat dilakukan di banyak rumah sakit tingkat kedua dan ketiga, dan perusahaan asing tidak dapat sepenuhnya menanggungnya. Produk trauma dapat dibagi menjadi fiksasi internal dan perangkat fiksasi eksternal. Produk trauma fiksasi internal termasuk paku intramedulla, pelat tulang, sekrup, dll. Pada tahun 2012, trauma menyumbang 34% dari pasar ortopedi dalam negeri, sendi 28%, tulang belakang 20%, dan lain-lain. 18%. Sambungan besar adalah perangkat medis kelas atas dengan hambatan teknis yang tinggi. Saat ini, rumah sakit umum sebagian besar menggunakan bahan ortopedi impor. Masih terdapat kesenjangan antara produk dalam negeri dan impor dalam hal teknologi, desain, penelitian dan pengembangan, material, proses perawatan permukaan, dll. Sendi buatan terutama dibagi menjadi lutut buatan, pinggul, siku, bahu, sendi jari tangan dan kaki, dll. Diantaranya, penggantian sendi yang paling penting adalah sendi pinggul dan sendi lutut, yang mencakup lebih dari 95% pasar penggantian sendi global. Perangkat implan tulang belakang mencakup sistem pelat kuku torakolumbalis, sistem pelat kuku tulang belakang leher, dan sistem sangkar fusi, di antaranya sistem sangkar intervertebralis terutama digunakan untuk perawatan penggantian cakram intervertebralis dan juga merupakan segmen yang paling penting, mencakup sekitar seluruh pasar implan tulang belakang. .
Kesimpulan
Sifat unggul dari paduan titanium telah berkontribusi pada posisi terdepan dalam bidang medis. Desain material dan teknologi persiapan paduan titanium telah berkembang pesat seiring dengan terobosan dalam bioteknologi dan tingginya permintaan untuk aplikasi medis. Itu paduan titanium medis yang saat ini diproduksi sebagian besar adalah paduan titanium tipe α+β. Dari segi teknologi persiapan, produksi TC4 (TC4ELI) saat ini menempati pangsa pasar utama. Paduan titanium tipe β memiliki keunggulan tertentu dalam biokompatibilitas dan kompatibilitas mekanis, sehingga telah menjadi pusat penelitian paduan titanium medis baru dan merupakan teknologi paling potensial di bidang implan medis. Di masa depan, teknologi produksi paduan titanium harus berkembang ke arah modulus rendah, kekuatan tinggi, biokompatibilitas yang baik, dan kompatibilitas mekanis. Dari perspektif tren perkembangan, paduan titanium tipe β akan menjadi arah pengembangan masa depan dan arus utama pasar paduan titanium medis.
