Resumen: Con el vigoroso desarrollo y los importantes avances de la biotecnología, la demanda de aleaciones de titanio biomédicas está creciendo rápidamente. Sin embargo, debido a la patogenicidad de V y Al en las aleaciones de titanio médico ampliamente utilizadas, como TC4 y TC4ELI, la investigación y el desarrollo de nuevas aleaciones de titanio médico tiene una gran importancia práctica y amplias perspectivas de mercado en mi país. Este artículo describe brevemente la clasificación, las propiedades básicas y la base de aplicación de las aleaciones de titanio biomédicas; señala su tendencia de desarrollo en el campo médico; y resume los métodos básicos de procesamiento y preparación y los métodos de evaluación del desempeño de las nuevas aleaciones de titanio β.
Keywords: aleación de titanio médico; desarrollo; progreso de la investigación; Procesando
El material de aleación de titanio biomédico se refiere específicamente a una clase de materiales estructurales funcionales utilizados en ingeniería biomédica, se refiere específicamente a la producción y fabricación de implantes quirúrgicos y dispositivos ortopédicos [1]. La producción y preparación de materiales de procesamiento de aleaciones de titanio involucra los campos de la metalurgia, procesamiento a presión, materiales compuestos y químicos, y es reconocido como un producto de alta tecnología en el mundo. El titanio y las aleaciones de titanio han entrado gradualmente en el campo del consumo civil de las industrias aeroespacial, de aviación, de defensa nacional y militar [2]. Productos como implantes y equipos médicos en la industria médica y de la salud; Los palos de golf de titanio en la industria del deporte y el ocio, las monturas de gafas de titanio, los relojes de titanio, las bicicletas de titanio y otros productos tienen una demanda cada vez mayor de materiales procesados con titanio. Con el vigoroso desarrollo y los importantes avances de la biotecnología, la industria de materiales metálicos biomédicos y sus productos se convertirán en una industria pilar de la economía mundial [3]. Entre ellos, el titanio y sus aleaciones se basan en excelentes propiedades integrales como peso ligero, bajo módulo elástico, no tóxico, no magnético, resistencia a la corrosión, alta resistencia y buena tenacidad. En los últimos años, la demanda de titanio y sus aleaciones también ha aumentado de forma rápida y constante [4]. Al mismo tiempo, a medida que las aleaciones de titanio comienzan a ingresar a la cirugía plástica y otros campos, surgen nuevas demandas potenciales del mercado, y el mercado de las aleaciones de titanio experimentará un crecimiento más rápido en el futuro.
1 Progreso de la investigación de las aleaciones de titanio médico
1.1 Clasificación de las aleaciones de titanio médico
Las aleaciones de titanio se pueden dividir en tres tipos según el tipo de microestructura del material: aleación de titanio tipo α, tipo α + y tipo β.
1.2 La tendencia de desarrollo de las aleaciones de titanio médico
Según un estudio de la literatura [8-14], los académicos de investigación relevantes en el país y en el extranjero coinciden en que el desarrollo de las aleaciones de titanio médico ha pasado por tres etapas icónicas. La primera etapa está representada por titanio puro y aleación Ti-6Al-4V; La segunda etapa es un nuevo tipo de aleación α + β representada por Ti-5A1-2.5Fe y Ti-6A1-7Nb; la tercera etapa es principalmente para desarrollar y desarrollar β-titanio con mejor biocompatibilidad y menor módulo de elasticidad La etapa de la aleación. El material de aleación de titanio biomédico ideal [15] debe cumplir las siguientes condiciones: buena biocompatibilidad, bajo módulo de elasticidad, baja densidad, buen rendimiento anticorrosión, no tóxico, alto límite elástico, larga vida útil a la fatiga y alta temperatura a temperatura ambiente . Gran plasticidad, fácil formación, fácil colado, etc. En la actualidad, las aleaciones importantes que se han utilizado ampliamente en materiales de implantes son Ti-6A1-4V y Ti-6A1-4VELI. Se ha informado en la literatura [16-19] que el elemento V puede causar reacciones tisulares malignas y puede tener efectos secundarios tóxicos en el cuerpo humano, mientras que el Al puede causar osteoporosis y trastornos mentales; Para resolver este problema, los científicos de biomateriales actuales están comprometidos a explorar. el principio de biocompatibilidad. Los estudios [20-23] encontraron que las aleaciones de titanio β que contienen molibdeno, niobio, tantalio, circonio y otros elementos no tóxicos contienen un mayor contenido de elementos estabilizadores β y tienen un módulo de elasticidad más bajo en comparación con α + β aleaciones de titanio (E=55 ~ 80GPa) y mejor rendimiento de cizallamiento y tenacidad, más adecuado para la implantación en el cuerpo humano como un implante.
2 Aplicación de aleación de titanio
2.1 Base médica de la aleación de titanio
Las principales ventajas de utilizar titanio y aleaciones de titanio como implantes humanos son: (1) Densidad (20 ° C)=4,5 g / cm3, peso ligero. Implantado en el cuerpo humano: reduce la carga sobre el cuerpo humano, como dispositivo médico: reduce la carga operativa del personal médico. (2) El módulo de elasticidad es bajo y el titanio puro es 108500MPa. Se implanta en el cuerpo humano: está más cerca del hueso natural del cuerpo humano, lo que favorece la conexión ósea y reduce el efecto de protección contra la tensión del hueso sobre el implante. (3) No magnético, no se ve afectado por campos electromagnéticos y tormentas eléctricas, lo que es beneficioso para la seguridad del cuerpo humano después de su uso. (4) No tóxico, como implante, no tiene efectos secundarios ni tóxicos para el cuerpo humano. (5) Resistencia a la corrosión (material metálico biológicamente inerte). Tiene una excelente resistencia a la corrosión en el entorno de inmersión de la sangre humana, lo que garantiza una buena compatibilidad con la sangre y el tejido celular humanos y no contamina el cuerpo humano como un implante. Se producirán reacciones alérgicas, que es la condición básica para la aplicación de titanio y aleaciones de titanio. (6) Alta resistencia y buena tenacidad. Daño a huesos y articulaciones causado por traumatismos, tumores y otros factores. Para establecer un andamio óseo estable, es necesario utilizar placas curvas, tornillos, huesos y articulaciones artificiales, etc., y estos implantes deben dejarse durante mucho tiempo. El cuerpo humano está sujeto a las fuerzas de flexión, torsión, compresión y contracción muscular del cuerpo humano, lo que requiere que el implante tenga una gran resistencia y dureza.
2.2 El campo médico y el campo de la ortopedia de la aleación de titanio
Situación del mercado Con el desarrollo de las aleaciones de titanio, el aumento de la variedad de materiales de titanio y la disminución de los precios, la aplicación del titanio en la industria civil se ha incrementado exponencialmente. CFDA divide los dispositivos médicos en tres niveles según su seguridad, de mayor a menor, y es supervisado y administrado por tres niveles de gobierno. Los implantes de titanio y material de aleación de titanio pertenecen a la tercera categoría de dispositivos médicos y son consumibles de alto valor. . Los subsectores que representan más del 5% del segmento de mercado incluyen diagnóstico in vitro, cardiología, diagnóstico por imágenes, ortopedia, oftalmología y cirugía plástica. Entre ellos, el diagnóstico in vitro, la ortopedia y la intervención cardíaca son los consumibles de alto valor de más rápido crecimiento en China. La aplicación de titanio biomédico y sus materiales de aleación ha pasado por tres etapas icónicas [27]: a principios de la década de 1950, primero en el Reino Unido y los Estados Unidos, se utilizó titanio puro comercial para fabricar placas óseas, tornillos, clavos intramedulares y cadera articulaciones. . La empresa suiza Mathys también utiliza la aleación Ti-6A1-7Nb para fabricar sistemas de clavos intramedulares entrelazados no escariados (incluidos tibia, húmero y fémur) y tornillos huecos para el tratamiento de fracturas del cuello femoral. Materiales bioactivos de aleación de Ni-Ti poroso (PNT) para fabricar jaulas de fusión intervertebral lumbar y cervical (Cage) La empresa canadiense BIORTHEX desarrolló el uso del material patentado de aleación de Ni-Ti poroso ACTIPORE para fabricar jaulas de fusión intervertebral cervical y lumbar para el tratamiento de la columna ortopédica lesiones. La nueva aleación de β-titanio es un material avanzado para ortopedia, odontología e intervención vascular, que representa el 9% de la cuota de mercado mundial de dispositivos médicos y sigue creciendo rápidamente. El mercado de dispositivos médicos ortopédicos se divide principalmente en cuatro áreas: trauma, articulaciones, columna y otros. Entre ellos, el trauma es actualmente la única subdivisión que no está ocupada por empresas extranjeras. La razón principal es que los productos en este campo son de baja tecnología, fáciles de imitar y menos difíciles de operar. Muchos hospitales secundarios y terciarios pueden realizarlo y las empresas extranjeras no pueden cubrirlo por completo. . Los productos para traumatismos se pueden dividir en dispositivos de fijación interna y de fijación externa. Los productos para traumatismos de fijación interna incluyen clavos intramedulares, placas óseas y tornillos. En 2012, el mercado de la ortopedia nacional representó el 34% de los traumatismos, el 28% de las articulaciones, el 20% de la columna y otros. 18%. Las articulaciones grandes son dispositivos médicos de alta gama con altas barreras técnicas. En la actualidad, los principales hospitales importan principalmente material ortopédico. Todavía existe una brecha entre los productos nacionales e importados en términos de tecnología, diseño, investigación y desarrollo, materiales y procesos de tratamiento de superficies. . Las articulaciones artificiales se dividen principalmente en articulaciones artificiales de rodilla, cadera, codo, hombro, dedos de manos, pies, etc. Los reemplazos de articulaciones más importantes incluyen las articulaciones de cadera y rodilla, que juntas superan el 95% del mercado mundial de reemplazo de articulaciones. Los dispositivos de implante espinal incluyen el sistema de placa de la columna toracolumbar, el sistema de placa de la columna cervical y el sistema de caja de fusión, entre los cuales el sistema de caja de fusión intervertebral se utiliza principalmente para el tratamiento del reemplazo del disco intervertebral, y también es el segmento más importante, representando aproximadamente la totalidad mercado de implantes de columna La mitad.
3 Conclusión
El rendimiento superior de la aleación de titanio ha alcanzado su posición de liderazgo en el campo médico. La tecnología de preparación y diseño de materiales de la aleación de titanio se ha desarrollado rápidamente con el avance de la biotecnología y la demanda masiva de aplicaciones médicas. Las aleaciones de titanio médico que se producen actualmente son principalmente aleaciones de titanio de tipo α + β. Desde la perspectiva del proceso de preparación, la producción de TC4 (TC4ELI) ocupa actualmente una cuota de mercado importante. La aleación de titanio de tipo β tiene ciertas ventajas en términos de biocompatibilidad y compatibilidad mecánica, por lo que se ha convertido en un foco de investigación de nuevas aleaciones de titanio médico y es la tecnología más prometedora en el campo de los implantes médicos. En el futuro, la tecnología de producción de aleaciones de titanio debería desarrollarse en la dirección de bajo módulo, alta resistencia, buena biocompatibilidad y compatibilidad mecánica. Desde la perspectiva de las tendencias de desarrollo, las aleaciones de titanio de tipo β se convertirán en la dirección del desarrollo futuro y la corriente principal del mercado de aleaciones de titanio médico.
