Resumo: Com o vigoroso desenvolvimento e grandes avanços da biotecnologia, a demanda por ligas biomédicas de titânio está crescendo rapidamente. No entanto, devido à patogenicidade de V e Al nas ligas de titânio amplamente utilizadas como TC4 e TC4ELI, a pesquisa e o desenvolvimento de novas ligas de titânio médicas têm grande significado prático e amplas perspectivas de mercado em meu país. Este artigo descreve resumidamente a classificação, propriedades básicas e base de aplicação das ligas biomédicas de titânio; destaca sua tendência de desenvolvimento no campo médico; e resume os métodos básicos de processamento e preparação e métodos de avaliação de desempenho de novas ligas de titânio β.
Palavras-chave: liga médica de titânio; desenvolvimento; progresso da pesquisa; em processamento
Material de liga de titânio biomédico refere-se especificamente a uma classe de materiais estruturais funcionais usados em engenharia biomédica, especificamente refere-se à produção e fabricação de implantes cirúrgicos e dispositivos ortopédicos [1]. A produção e preparação de materiais de processamento de liga de titânio envolvem os campos de metalurgia, processamento de pressão, materiais compostos e produtos químicos, e é reconhecida como um produto de alta tecnologia no mundo. O titânio e as ligas de titânio têm gradualmente entrado no campo do consumo civil das indústrias aeroespacial, aviação, defesa nacional e militar [2]. Produtos como implantes e equipamentos médicos na indústria médica e de saúde; Tacos de golfe de titânio na indústria de esportes e lazer, armações de óculos de titânio, relógios de titânio, bicicletas de titânio e outros produtos são cada vez mais procurados por materiais processados de titânio. Com o vigoroso desenvolvimento e grandes avanços da biotecnologia, a indústria de materiais metálicos biomédicos e seus produtos se desenvolverão como um pilar da economia mundial [3]. Entre eles, o titânio e suas ligas contam com excelentes propriedades abrangentes, como peso leve, baixo módulo de elasticidade, não tóxico, não magnético, resistência à corrosão, alta resistência e boa tenacidade. Nos últimos anos, a demanda por titânio e suas ligas também aumentou de forma rápida e constante [4]. Ao mesmo tempo, à medida que as ligas de titânio começam a entrar na cirurgia plástica e em outros campos, surgem novas demandas de mercado em potencial, e o mercado de ligas de titânio verá um crescimento mais rápido no futuro.
1 Progresso da pesquisa de ligas médicas de titânio
1.1 Classificação de ligas médicas de titânio
As ligas de titânio podem ser divididas em três tipos de acordo com o tipo de microestrutura do material: tipo α, tipo α + tipo β e liga de titânio do tipo β.
1.2 A tendência de desenvolvimento de ligas médicas de titânio
De acordo com levantamento da literatura [8-14], pesquisadores relevantes em casa e no exterior concordam que o desenvolvimento de ligas de titânio médicas passou por três estágios icônicos. O primeiro estágio é representado por titânio puro e liga Ti-6Al-4V; O segundo estágio é um novo tipo de liga α + β representada por Ti-5A1-2.5Fe e Ti-6A1-7Nb; o terceiro estágio é principalmente desenvolver e desenvolver β-titânio com melhor biocompatibilidade e menor módulo de elasticidade. O estágio da liga. O material de liga de titânio biomédico ideal [15] deve atender às seguintes condições: boa biocompatibilidade, baixo módulo de elasticidade, baixa densidade, bom desempenho anticorrosivo, não tóxico, alta resistência ao escoamento, longa vida à fadiga e alta temperatura em temperatura ambiente . Grande plasticidade, fácil formação, fácil fundição, etc. Atualmente, as ligas importantes que têm sido amplamente utilizadas em materiais de implantes são Ti-6A1-4V e Ti-6A1-4VELI. Foi relatado na literatura [16-19] que o elemento V pode causar reações malignas nos tecidos e pode ter efeitos colaterais tóxicos no corpo humano, enquanto o Al pode causar osteoporose e transtornos mentais; a fim de resolver este problema, os cientistas de biomateriais atuais estão empenhados em explorar Antes de pesquisar novos materiais de liga de titânio biomédico que não contenham V e Al, é necessário descobrir quais elementos de liga são adequados para adição que não são tóxicos e estão em conformidade com o princípio da biocompatibilidade. Estudos [20-23] descobriram que ligas de titânio β contendo molibdênio, nióbio, tântalo, zircônio e outros elementos não tóxicos contêm um maior teor de elementos estabilizadores β e têm um módulo de elasticidade inferior em comparação com α + β ligas de titânio (E=55 ~ 80GPa) e melhor desempenho de cisalhamento e tenacidade, mais adequado para implantação no corpo humano como um implante.
2 Aplicação de liga de titânio
2.1 Base médica da liga de titânio
As principais vantagens do uso de titânio e ligas de titânio como implantes humanos são: (1) Densidade (20 ° C)=4,5g / cm3, peso leve. Implantado no corpo humano: reduzir a carga no corpo humano, como dispositivo médico: reduzir a carga operacional do pessoal médico. (2) O módulo de elasticidade é baixo e o titânio puro é 108500MPa. É implantado no corpo humano: está mais próximo do osso natural do corpo humano, o que favorece a ligação óssea e reduz o efeito de proteção do osso sobre o implante. (3) Não magnético, não afetado por campos eletromagnéticos e tempestades, o que é benéfico para a segurança do corpo humano após o uso. (4) Atóxico, por ser um implante, não apresenta efeitos tóxicos e colaterais ao corpo humano. (5) Resistência à corrosão (material metálico biologicamente inerte). Possui excelente resistência à corrosão em ambiente de imersão de sangue humano, garantindo boa compatibilidade com sangue humano e tecido celular, e não causa poluição do corpo humano como implante. Ocorrerão reações alérgicas, que é a condição básica para a aplicação de titânio e ligas de titânio. (6) Alta resistência e boa tenacidade. Danos aos ossos e articulações causados por trauma, tumores e outros fatores. Para estabelecer um arcabouço ósseo estável, é necessário o uso de placas curvas, parafusos, ossos e articulações artificiais, etc., e esses implantes devem ser deixados por muito tempo. O corpo humano está sujeito às forças de flexão, torção, compressão e contração muscular do corpo humano, o que exige que o implante tenha alta resistência e resistência.
2.2 O campo médico e ortopédico da liga de titânio
Situação do mercado Com o desenvolvimento das ligas de titânio, o aumento da variedade de materiais de titânio e a diminuição dos preços, a aplicação de titânio na indústria civil aumentou exponencialmente. O CFDA divide os dispositivos médicos em três níveis de acordo com sua segurança, de alto a baixo, e é supervisionado e gerenciado por três níveis de governo. Os implantes de titânio e ligas de titânio pertencem à terceira categoria de dispositivos médicos e são consumíveis de alto valor. . Os subsetores que respondem por mais de 5% do segmento de mercado incluem diagnósticos in vitro, cardiologia, diagnósticos por imagem, ortopedia, oftalmologia e cirurgia plástica. Entre eles, o diagnóstico in vitro, a ortopedia e a intervenção cardíaca são os consumíveis de alto valor que mais crescem na China. A aplicação de titânio biomédico e seus materiais de liga passou por três estágios icônicos [27]: No início dos anos 1950, primeiro no Reino Unido e nos Estados Unidos, o titânio puro comercial foi usado para fazer placas ósseas, parafusos, hastes intramedulares e quadril juntas. . A empresa suíça Mathys também usa a liga Ti-6A1-7Nb para fabricar sistemas de haste intramedular intertravada não fresada (incluindo tíbia, úmero e fêmur) e parafusos ocos para o tratamento de fraturas do colo do fêmur. Materiais bioativos de liga de Ni-Ti poroso (PNT) para fabricar gaiolas de fusão intervertebral cervical e lombar (Cage) A empresa canadense BIORTHEX desenvolveu o uso de liga de Ni-Ti porosa, material patenteado ACTIPORE para fabricar gaiolas de fusão intervertebral cervical e lombar para o tratamento de coluna ortopédica lesões. A nova liga de β-titânio é um material avançado para ortopedia, odontologia e intervenção vascular, que representa 9% da participação no mercado global de dispositivos médicos e ainda está crescendo rapidamente. O mercado de dispositivos médicos ortopédicos é dividido principalmente em quatro áreas: traumas, articulações, coluna vertebral e outros. Entre eles, o trauma é atualmente o único loteamento que não é ocupado por empresas estrangeiras. O principal motivo é que os produtos dessa área são de baixa tecnologia, fáceis de imitar e menos difíceis de operar. Muitos hospitais secundários e terciários podem fazer isso, e as empresas estrangeiras não podem cobrir totalmente. . Os produtos para trauma podem ser divididos em dispositivos de fixação interna e dispositivos de fixação externos. Os produtos para traumas de fixação interna incluem hastes intramedulares, placas ósseas e parafusos. Em 2012, o mercado doméstico de ortopedia foi responsável por 34% dos traumas, 28% das articulações, 20% da coluna vertebral e outros. 18%. Grandes juntas são dispositivos médicos de última geração com altas barreiras técnicas. Atualmente, os hospitais convencionais estão importando principalmente materiais ortopédicos. Ainda existe uma lacuna entre os produtos nacionais e importados em termos de tecnologia, design, pesquisa e desenvolvimento, materiais e processos de tratamento de superfície. . As articulações artificiais são principalmente divididas em articulações artificiais de joelho, quadril, cotovelo, ombro, dedo, dedo do pé, etc. As substituições de articulações mais importantes incluem as articulações de quadril e joelho, que juntas excedem 95% do mercado global de substituição de articulações. Dispositivos de implante vertebral incluem sistema de placa vertebral toracolombar, sistema de placa vertebral cervical e sistema de gaiola de fusão, entre os quais o sistema de gaiola de fusão intervertebral é usado principalmente para o tratamento de substituição do disco intervertebral, e também é o segmento mais importante, respondendo por cerca de todo mercado de implantes de coluna. Metade disso.
3 Conclusão
O desempenho superior da liga de titânio alcançou sua posição de liderança no campo médico. O design de material e a tecnologia de preparação da liga de titânio foram desenvolvidos rapidamente com o avanço da biotecnologia e a enorme demanda por aplicações médicas. As ligas de titânio medicinal atualmente produzidas são principalmente ligas de titânio do tipo α + β. Do ponto de vista do processo de preparação, a produção de TC4 (TC4ELI) ocupa atualmente uma grande quota de mercado. A liga de titânio do tipo β tem certas vantagens em termos de biocompatibilidade e compatibilidade mecânica, por isso se tornou um ponto importante de pesquisa de novas ligas de titânio médicas e é a tecnologia mais promissora no campo de implantes médicos. No futuro, a tecnologia de produção de ligas de titânio deve se desenvolver na direção de baixo módulo, alta resistência, boa biocompatibilidade e compatibilidade mecânica. Do ponto de vista das tendências de desenvolvimento, as ligas de titânio do tipo β se tornarão a direção do desenvolvimento futuro e o principal mercado de ligas de titânio para uso médico.
