Biomedizinische Titanlegierungsmaterialien und -anwendungen

Titanlegierungsmaterialien für biomedizinische Anwendungen sind eine Klasse funktioneller Strukturmaterialien, die in der biomedizinischen Technik verwendet werden, insbesondere für die Produktion und Herstellung von chirurgischen Implantaten und orthopädischen Geräten. Die Herstellung und Vorbereitung von Titanlegierungen umfasst Metallurgie, Druckverarbeitung, Verbundwerkstoffe und die chemische Industrie und gilt weltweit als High-Tech-Produkt. Titan und Titanlegierungen dringen nach und nach in den zivilen Verbraucherbereich aus der Luft- und Raumfahrt-, Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie ein. Wie zum Beispiel Implantate für die Gesundheitsbranche, medizinische Geräte; In der Sport- und Freizeitindustrie, Titan-Golfschlägern und Titan-Brillengestellen, Titan-Uhren, Titan-Fahrrädern und anderen Produkten steigt die Nachfrage nach Titan-Verarbeitungsmaterialien. Mit der rasanten Entwicklung der Biotechnologie und großen Durchbrüchen wird sich die Industrie für biomedizinische Metallmaterialien und -produkte zu einer tragenden Säule der Weltwirtschaft entwickeln. Darunter Titan und seine Legierungen mit geringem Gewicht, niedrigem Elastizitätsmodul, ungiftig, nicht magnetisch, Korrosionsbeständigkeit, hoher Festigkeit, guter Zähigkeit und anderen hervorragenden Gesamtleistungen, in den letzten Jahren ist die Nachfrage nach einem schnellen und stetigen Wachstum gestiegen. Gleichzeitig mit dem Einzug von Titanlegierungen in den Bereich der Orthopädie und anderer neuer potenzieller Marktnachfrage wird der Markt für Titanlegierungen in Zukunft ein schnelleres Wachstum aufweisen.
1 Forschungsfortschritt der medizinischen Titanlegierung
1.1 Klassifizierung medizinischer Titanlegierungen
Titanlegierungen können je nach Art der Mikrostruktur des Materials in drei Kategorien eingeteilt werden: Titanlegierungen vom -Typ, vom + --Typ und vom -Typ.
1.2 Der Entwicklungstrend der medizinischen Titanlegierung
Die Literaturrecherche ergab, dass in- und ausländische Forscher und Wissenschaftler darin übereinstimmen, dass die Entwicklung medizinischer Titanlegierungen drei ikonische Phasen durchlaufen hat: Die erste Phase wird durch reines Titan und die Ti-6Al-4V-Legierung repräsentiert; die zweite Stufe wird durch die neue +-Legierung mit Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb repräsentiert; Die dritte Stufe ist die Entwicklung von Legierungen mit besserer Biokompatibilität und niedrigerem Elastizitätsmodul. Die dritte Stufe besteht darin, die +-Legierung mit besserer Biokompatibilität und niedrigerem Elastizitätsmodul zu entwickeln. und Titanlegierungen mit niedrigerem Elastizitätsmodul. Ideale biomedizinische Titanlegierungsmaterialien müssen die folgenden Bedingungen erfüllen: gute Biokompatibilität, niedriger Elastizitätsmodul, niedrige Dichte, gute Korrosionsbeständigkeit, Ungiftigkeit, hohe Streckgrenze, lange Ermüdungslebensdauer, große Plastizität bei Raumtemperatur, leicht zu formen, leicht zu gießen . Die wichtigen Legierungen, die in Implantatmaterialien weit verbreitet sind, sind Ti-6A1-4V und Ti-6A1-4VELI. In der Literatur wurde berichtet, dass das V-Element eine bösartige Gewebereaktion hervorrufen kann, die toxische Nebenwirkungen auf den menschlichen Körper haben kann, und dass Al Osteoporose sowie psychische Störungen und andere Störungen verursachen kann; Um dieses Problem zu lösen, widmen sich die derzeitigen Biomaterialwissenschaftler der Erforschung und Erforschung neuer biomedizinischer Titanlegierungen, die kein V und Al enthalten. Um dieses Problem zu lösen, widmen sich aktuelle Biomaterialwissenschaftler der Erforschung und Erforschung neuer Biomaterialien, die kein V, Al-Titanlegierungen für medizinische Zwecke enthalten. Zuvor muss jedoch herausgefunden werden, welche Art von Legierungselementen für die Zugabe von Nicht-V-Al-Titanlegierungen geeignet sind -giftig und biokompatibel. Es wurde festgestellt, dass Titanlegierungen, die ungiftige Elemente wie Molybdän, Niob, Tantal, Zirkonium usw. enthalten, einen höheren Gehalt an stabilisierenden Elementen enthalten und im Vergleich zu + Titanlegierungen einen niedrigeren Elastizitätsmodul (E {{ 19}} ~ 80GPa) sowie bessere Schereigenschaften und Zähigkeit, was sich besser für die Implantation in den menschlichen Körper als Implantat eignet.

2 Anwendung einer Titanlegierung
2.1 Medizinische Basis der Titanlegierung
Die Vorteile der Verwendung von Titan und Titanlegierungen als menschliche Implantate sind hauptsächlich: (1) Dichte (20 Grad)=4,5 g/cm3, geringes Gewicht. Im menschlichen Körper implantiert: zur Reduzierung der menschlichen Körperbelastung, als medizinisches Gerät: zur Reduzierung der Betriebsbelastung des medizinischen Personals. (2) Niedriger Elastizitätsmodul, reines Titan beträgt 108.500 MPa, im Körper implantiert: näher am natürlichen Knochen des menschlichen Körpers, förderlich für Knochentransplantation, um die Stressschutzwirkung des Knochens auf das Implantat zu reduzieren. (3) Nicht magnetisch, nicht von elektromagnetischen Feldern und Gewittern beeinflusst, was sich positiv auf die Sicherheit des menschlichen Körpers nach dem Gebrauch auswirkt. (4) Ungiftigkeit, keine toxischen Nebenwirkungen auf den menschlichen Körper als Implantat. (5) Korrosionsbeständigkeit (bioinerte Metallmaterialien), ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in der Umgebung des Eintauchens in menschliches Blut, um eine gute Kompatibilität mit menschlichem Blut und Zellgewebe sicherzustellen, da Implantate keine menschliche Kontamination hervorrufen und keine allergischen Reaktionen auftreten ist die Grundlage für die Anwendung von Titan und Titanlegierungen. (6) Hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, aufgrund von Traumata, Tumoren und anderen Faktoren, die zu Knochen- und Gelenkschäden führen, müssen mit Hilfe von gebogenen Platten, Schrauben, künstlichen Knochen und Gelenken verwendet werden, um eine solide Knochenunterstützung zu schaffen. usw., diese Implantate sollten für eine lange Zeit im Körper belassen werden, unterliegen der Biegung, Verdrehung, Extrusion, Muskelkontraktion und anderen Rollen des menschlichen Körpers und stellen die Anforderungen an Implantate mit hoher Festigkeit und Zähigkeit dar.

2.2 Medizinische und orthopädische Bereiche von Titanlegierungen
Die Marktsituation mit der Entwicklung von Titanlegierungen, Titansorten und Preissenkungen hat dazu geführt, dass Titananwendungen in der Zivilindustrie exponentiell zugenommen haben. CFDA wird entsprechend ihrer Sicherheit von hoch bis niedrig in drei Klassen von Medizinprodukten eingeteilt. Implantate aus Titan und Titanlegierungsmaterialien gehören entsprechend den drei Ebenen der staatlichen Aufsicht und Verwaltung zur dritten Klasse von Medizinprodukten und sind von hohem Wert Verbrauchsmaterialklasse. Der Marktanteil des Teilsegments beträgt mehr als 5 % der Teilbranche, einschließlich der sechs Hauptsegmente In-vitro-Diagnostik, Herzdiagnostik, diagnostische Bildgebung, Orthopädie, Augenheilkunde und Orthopädie. Unter ihnen sind In-vitro-Diagnostik, Orthopädie und Herzintervention die am schnellsten wachsenden hochwertigen Verbrauchsgüter in China. Die Anwendung von biomedizinischem Titan und seinen Legierungen hat drei bahnbrechende Phasen durchlaufen: Die frühe Anwendung Anfang der 1950er Jahre, zunächst im Vereinigten Königreich und in den Vereinigten Staaten, wurde kommerziell reines Titan zur Herstellung von Knochenplatten, Schrauben, Marknägeln und Hüftgelenken verwendet . Swiss Mathys verwendete die Ti-6A1-7Nb-Legierung auch zur Herstellung nicht expandierter intramedullärer Nagelsysteme (einschließlich Tibia, Humerus, Femur) und Hohlschrauben zur Behandlung von Schenkelhalsfrakturen. Bioaktives Material aus poröser Ni-Ti-Legierung (PNT) zur Herstellung von Hals- und Lendenwirbelsäulenfusionen (Cage) Das kanadische Unternehmen BIORTHEX hat die Verwendung des patentierten porösen Ni-Ti-Legierungsmaterials ACTIPOREORE Gamma zur Herstellung von Hals- und Lendenwirbelsäulenfusionen zur Behandlung von orthopädischen Wirbelsäulenverletzungen entwickelt. Die neue Beta-Titanlegierung kann in der Orthopädie, Zahnheilkunde und bei Gefäßeingriffen sowie bei anderen Anwendungen fortschrittlicher Materialien berücksichtigt werden. Die Branche der orthopädischen Medizingeräte macht mehr als 9 % des weltweiten Marktanteils für Medizingeräte aus und befindet sich immer noch in einem rasanten Wachstum. Der Markt für orthopädische Medizinprodukte ist in die vier Hauptsegmente Trauma, Gelenke, Wirbelsäule und andere unterteilt. Unter ihnen ist Trauma das einzige Segment, das nicht von ausländischen Unternehmen besetzt wurde und einen großen Marktanteil einnimmt, vor allem weil die Produkte in diesem Bereich Low-Tech, leicht zu imitieren, weniger schwierig zu bedienen und viele Zweit- und Drittprodukte sind -Krankenhäuser können durchgeführt werden, ausländische Unternehmen können daher nicht vollständig abgedeckt werden. Traumaprodukte können in interne Fixierungs- und externe Fixierungsgeräte, interne Fixierungstraumaprodukte einschließlich intramedullärer Nägel, Platten und Schrauben usw. unterteilt werden. Im Jahr 2012 machte Trauma 34 % des heimischen orthopädischen Marktes, 28 % der Gelenke und 20 % aus die Wirbelsäule und 18 % der anderen. Große Gelenke sind High-End-Medizinprodukte mit hohen technischen Hürden. Derzeit importieren Regelkrankenhäuser hauptsächlich orthopädische Materialien, und es besteht immer noch eine Lücke zwischen inländischen und importierten Produkten in Bezug auf Technologie, Design, Forschung und Entwicklung, Materialien und Oberflächenbehandlungsverfahren. Künstliche Gelenke werden hauptsächlich in künstliche Knie-, Hüft-, Ellenbogen-, Schulter-, Finger- und Zehengelenke usw. eingeteilt, wobei die wichtigsten Gelenkersatzarten Hüft- und Kniegelenke sind, die zusammen mehr als 95 % des weltweiten Gelenkersatzmarktes ausmachen . Zu den Wirbelsäulenimplantatgeräten gehören das Nagelplattensystem für die Brust- und Lendenwirbelsäule, das Nagelplattensystem für die Halswirbelsäule und das Fusionssystem usw., wobei das Zwischenwirbelfusionssystem hauptsächlich bei der Behandlung des Bandscheibenersatzes verwendet wird, der mit etwa der Hälfte auch das wichtigste Segment darstellt des gesamten Marktes für Wirbelsäulenimplantate.
Die überlegene Leistung von Titanlegierungen hat zu ihrer führenden Position im medizinischen Bereich geführt. Das Materialdesign und die Herstellungstechnologie von Titanlegierungen haben sich mit den Durchbrüchen in der Biotechnologie und der großen Nachfrage nach medizinischen Anwendungen rasant weiterentwickelt. Bei den derzeit hergestellten medizinischen Titanlegierungen handelt es sich hauptsächlich um Titanlegierungen vom Typ +. Aus Sicht des Herstellungsprozesses nimmt derzeit die Produktion von TC4 (TC4ELI) den Hauptmarktanteil ein. -Typ-Titanlegierungen sind aufgrund ihrer Vorteile in der Biokompatibilität und mechanischen Kompatibilität, der vielversprechendsten Technologie im Bereich medizinischer Implantate, zum Forschungsschwerpunkt für neue medizinische Titanlegierungen geworden. Zukünftig soll die Produktionstechnologie von Titanlegierungen in Richtung niedrigem Modul, hoher Festigkeit, guter Biokompatibilität und mechanischer Kompatibilität weiterentwickelt werden. Aufgrund des Entwicklungstrends werden Titanlegierungen vom Typ -Typ zur zukünftigen Entwicklungsrichtung und zum Mainstream des Marktes für medizinische Titanlegierungen.