Bahan dan Aplikasi Paduan Titanium Biomedis

Bahan paduan titanium untuk aplikasi biomedis adalah kelas bahan struktural fungsional yang digunakan dalam teknik biomedis, khususnya untuk produksi dan pembuatan implan bedah dan perangkat ortopedi. Produksi dan persiapan paduan titanium melibatkan metalurgi, pemrosesan tekanan, material komposit dan industri kimia, dan diakui sebagai produk teknologi tinggi di dunia. Titanium dan paduan titanium secara bertahap memasuki bidang konsumen sipil dari industri kedirgantaraan, penerbangan, dan pertahanan. Seperti implan industri kesehatan, alat kesehatan; industri olah raga dan rekreasi klub golf titanium dan bingkai kacamata titanium, jam tangan titanium, sepeda titanium dan produk lainnya, permintaan akan bahan pengolahan titanium semakin meningkat. Dengan pesatnya perkembangan bioteknologi dan terobosan besar, industri bahan dan produk logam biomedis akan berkembang menjadi industri pilar perekonomian dunia. Diantaranya, titanium dan paduannya dengan bobot ringan, modulus elastisitas rendah, tidak beracun, non-magnetik, tahan korosi, kekuatan tinggi, ketangguhan yang baik dan kinerja komprehensif luar biasa lainnya, dalam beberapa tahun terakhir, permintaan akan pertumbuhan yang cepat dan stabil. Pada saat yang sama, ketika paduan titanium mulai memasuki bidang ortopedi dan permintaan pasar potensial baru lainnya, masa depan pasar paduan titanium akan mengalami pertumbuhan yang lebih pesat.
1 Kemajuan penelitian paduan titanium medis
1.1 Klasifikasi paduan titanium medis
Paduan titanium dapat dibagi menjadi 3 kategori menurut jenis struktur mikro bahannya: paduan titanium tipe -, tipe + -, dan tipe -.
1.2 Tren perkembangan paduan titanium medis
Penelitian literatur menemukan bahwa para peneliti dan cendekiawan dalam dan luar negeri sepakat bahwa pengembangan paduan titanium medis telah melalui tiga tahap ikonik, tahap pertama diwakili oleh titanium murni dan paduan Ti-6Al{-4V; tahap kedua diwakili oleh paduan + baru dengan Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb; tahap ketiga adalah pengembangan paduan + dengan biokompatibilitas yang lebih baik dan modulus elastisitas yang lebih rendah; tahap ketiga adalah mengembangkan paduan + dengan biokompatibilitas yang lebih baik dan modulus elastisitas yang lebih rendah. dan modulus elastis yang lebih rendah - paduan titanium. Bahan paduan titanium biomedis yang ideal harus memenuhi kondisi berikut: biokompatibilitas yang baik, modulus elastisitas rendah, kepadatan rendah, ketahanan korosi yang baik, tidak beracun, kekuatan hasil tinggi, umur lelah yang panjang, plastisitas besar pada suhu kamar, mudah dibentuk, pengecoran mudah . Paduan penting yang telah banyak digunakan dalam bahan implan adalah Ti-6A1-4V dan Ti-6A1-4VELI. Literatur telah melaporkan bahwa unsur V dapat menyebabkan reaksi jaringan ganas yang mungkin menimbulkan efek samping toksik pada tubuh manusia, dan Al dapat menyebabkan osteoporosis dan gangguan jiwa serta gangguan lainnya; untuk mengatasi masalah ini, para ilmuwan biomaterial saat ini berkomitmen untuk mengeksplorasi dan meneliti paduan titanium biomedis baru yang tidak mengandung V dan Al. Untuk mengatasi masalah ini, para ilmuwan biomaterial saat ini berkomitmen untuk mengeksplorasi dan meneliti biomaterial baru yang tidak mengandung paduan titanium V, Al untuk keperluan medis, dan sebelum itu perlu dicari tahu jenis unsur paduan apa yang cocok untuk ditambahkan non- -beracun dan biokompatibel. Telah ditemukan bahwa paduan titanium yang mengandung unsur tidak beracun seperti molibdenum, niobium, tantalum, zirkonium, dll. mengandung unsur penstabil yang lebih tinggi, dan dibandingkan dengan paduan titanium +, paduan tersebut memiliki modulus elastisitas yang lebih rendah (E {{ 19}} ~ 80GPa) serta sifat geser dan ketangguhan yang lebih baik, sehingga lebih cocok untuk ditanamkan ke dalam tubuh manusia sebagai implan.

2 Penerapan paduan titanium
2.1 Dasar medis dari paduan titanium
Keuntungan menggunakan titanium dan paduan titanium sebagai implan manusia terutama: (1) kepadatan (20 derajat )=4.5g/cm3, ringan. Ditanamkan ke dalam tubuh manusia: untuk mengurangi beban tubuh manusia, sebagai alat kesehatan: untuk mengurangi beban operasional tenaga medis. (2) Modulus elastisitas rendah, titanium murni adalah 108.500MPa, ditanamkan di dalam tubuh: lebih dekat dengan tulang alami tubuh manusia, kondusif untuk pencangkokan tulang, untuk mengurangi efek pelindung stres tulang pada implan. (3) Non-magnetik, tidak terpengaruh oleh medan elektromagnetik dan badai petir, yang bermanfaat bagi keselamatan tubuh manusia setelah digunakan. (4) Non-toksisitas, tidak ada efek samping toksik pada tubuh manusia sebagai implan. (5) ketahanan korosi (bahan logam bio-inert), ketahanan korosi yang sangat baik di lingkungan perendaman darah manusia, untuk memastikan kompatibilitas yang baik dengan darah manusia dan jaringan sel, karena implan tidak menghasilkan kontaminasi manusia, reaksi alergi tidak akan terjadi, yang mana adalah dasar untuk penerapan kondisi titanium dan paduan titanium. (6) kekuatan tinggi, ketangguhan yang baik, karena trauma, tumor dan faktor lain yang menyebabkan tulang, kerusakan sendi, untuk membentuk penyangga tulang yang kokoh, harus digunakan dengan bantuan pelat melengkung, sekrup, tulang dan sendi buatan, dll., implan ini harus dibiarkan di dalam tubuh untuk waktu yang lama, akan tunduk pada pembengkokan, puntiran, ekstrusi, kontraksi otot dan peran tubuh lainnya, persyaratan implan dengan kekuatan dan ketangguhan tinggi.

2.2 Bidang medis dan ortopedi dari paduan titanium
Situasi pasar dengan pengembangan paduan titanium, varietas titanium dan penurunan harga, aplikasi titanium di industri sipil telah meningkat secara eksponensial. CFDA akan dibagi menjadi tiga kelas perangkat medis menurut keamanannya dari tinggi ke rendah, dan masing-masing berdasarkan tiga tingkat pengawasan dan manajemen pemerintah, implan bahan titanium dan paduan titanium termasuk dalam perangkat medis kelas tiga, dan bernilai tinggi. kelas bahan habis pakai. Pangsa pasar sub-segmen lebih dari 5% sub-industri, termasuk diagnostik in vitro, jantung, pencitraan diagnostik, ortopedi, oftalmologi, ortopedi enam segmen utama. Diantaranya, diagnostik in vitro, ortopedi, dan intervensi jantung merupakan produk konsumsi bernilai tinggi yang paling cepat berkembang di Tiongkok. Penerapan titanium biomedis dan paduannya telah melalui tiga tahap penting: penerapan awal pada awal tahun 1950-an, pertama di Inggris dan Amerika Serikat, titanium murni komersial digunakan untuk memproduksi pelat tulang, sekrup, paku intramedullary, dan sendi pinggul. . Swiss Mathys juga menggunakan paduan Ti-6A1-7Nb untuk memproduksi sistem paku intramedulla yang tidak diperluas (termasuk tibia, humerus, femur) dan sekrup berongga untuk pengobatan patah tulang leher femoralis. Pembuatan bahan bioaktif paduan Ni-Ti berpori (PNT) pada fusi interbody serviks dan lumbal (Cage) Perusahaan BIORTHEX Kanada mengembangkan penggunaan bahan paten paduan Ni-Ti berpori ACTIPOREORE yang memproduksi fusi interbody serviks dan lumbal gamma untuk perawatan cedera tulang belakang ortopedi. Paduan titanium beta baru dapat memperhitungkan intervensi ortopedi, kedokteran gigi dan vaskular serta penggunaan bahan canggih lainnya. Industri perangkat medis ortopedi menyumbang lebih dari 9% pangsa pasar perangkat medis global, dan masih dalam pertumbuhan pesat. Pasar alat kesehatan ortopedi terbagi menjadi empat segmen utama trauma, sendi, tulang belakang dan lain-lain. Diantaranya, trauma merupakan satu-satunya segmen yang belum digarap oleh perusahaan asing untuk menduduki pangsa pasar yang besar, terutama karena produk-produk di bidang ini berteknologi rendah, mudah ditiru, tidak sulit dioperasikan, dan banyak lagi yang kedua dan ketiga. rumah sakit setingkat bisa dilaksanakan, sehingga perusahaan asing tidak bisa ditanggung sepenuhnya. Produk trauma dapat dibagi menjadi fiksasi internal dan perangkat fiksasi eksternal, produk trauma fiksasi internal termasuk paku intramedullary, pelat dan sekrup, dll. Pada tahun 2012, trauma menyumbang 34% dari pasar ortopedi dalam negeri, 28% sendi, 20% dari tulang belakang, dan 18% lainnya. Sambungan besar adalah perangkat medis kelas atas dengan hambatan teknis yang tinggi. Saat ini, rumah sakit umum sebagian besar mengimpor bahan ortopedi, dan masih terdapat kesenjangan antara produk dalam negeri dan impor dalam hal teknologi, desain, penelitian dan pengembangan, bahan, dan proses perawatan permukaan. Sendi buatan terutama dikategorikan ke dalam sendi lutut buatan, pinggul, siku, bahu, jari tangan dan kaki, dll., di mana penggantian sendi yang paling penting mencakup sendi pinggul dan lutut, yang bersama-sama mencakup lebih dari 95% pasar penggantian sendi global. . Perangkat implan tulang belakang meliputi sistem lempeng kuku tulang belakang torakolumbal, sistem lempeng kuku tulang belakang leher dan sistem fusi, dll., yang mana sistem fusi intervertebralis terutama digunakan dalam pengobatan penggantian cakram intervertebralis, yang juga merupakan segmen terpenting, terhitung sekitar setengahnya. dari seluruh pasar implan tulang belakang.
Kinerja paduan titanium yang unggul telah menghasilkan posisi terdepan di bidang medis. Desain material dan teknologi persiapan paduan titanium telah berkembang pesat seiring dengan terobosan dalam bioteknologi dan tingginya permintaan untuk aplikasi medis. Paduan titanium medis yang diproduksi saat ini sebagian besar adalah paduan titanium tipe +. Dilihat dari proses persiapannya, produksi TC4 (TC4ELI) saat ini menempati pangsa pasar utama. Paduan titanium tipe-telah menjadi pusat penelitian paduan titanium medis baru karena keunggulannya dalam biokompatibilitas dan kompatibilitas mekanis, yang merupakan teknologi paling menjanjikan di bidang implan medis. Di masa depan, teknologi produksi paduan titanium harus dikembangkan ke arah modulus rendah, kekuatan tinggi, biokompatibilitas yang baik, dan kompatibilitas mekanis. Dari tren perkembangan, paduan titanium tipe-akan menjadi arah pengembangan masa depan dan arus utama pasar paduan titanium medis.