Adaptabilité des matériaux en alliage de titane au corps humain et types de matériaux en titane à usage médical

Dans le domaine médical, l’utilisation de matériaux métalliques doit être inoffensive pour le corps humain. Lorsque le métal se corrode, il peut dissoudre les ions métalliques, ce qui affecte les tissus cellulaires des organismes vivants (corps humain), il est donc nécessaire d'utiliser des matériaux métalliques difficiles à corroder et très résistants à la corrosion, le titane est une sorte de matériau hautement résistant à la corrosion. Pour les matériaux métalliques médicaux, des séries en acier inoxydable aux produits à base de cobalt et série d'alliages à base de titane, le rapport titane et alliage de titane augmente. La quantité de titane utilisée dans l’industrie médicale dans le monde est d’environ 1,000 XNUMX tonnes par an.

1. Adaptabilité du titane au corps humain (compatibilité du titane avec les organismes vivants)
Pour observer la réponse des ions métalliques à l'adaptabilité humaine, nous avons mené une méthode d'évaluation de l'adaptabilité cellulaire en laboratoire en utilisant des cellules sensibles aux ions métalliques, telles que les fibroblastes pulmonaires de souris (cellules V79) et les tissus de fibroblastes de souris (cellules I929), qui sont utilisés pour des expériences médicales en Chine et un organisme administratif indépendant (le Comité technique pour la normalisation de l'évaluation biologique des dispositifs médicaux). Nous différencions les réactions des ions monomères élémentaires sur le corps humain (organismes) fournies par la Base technique pour l'évaluation de la biologie des dispositifs médicaux (Comité technique standardisé pour l'évaluation biologique des dispositifs médicaux).
Le vanadium (V), le nickel (Ni), le cuivre (Cu), etc., qui sont hautement toxiques, provoquent la mort cellulaire en peu de temps à un niveau limité de parties par million (×10-6). Dans le cas du vanadium (V) et du nickel (N), par exemple, les résultats de l'expérience sur les cellules V79 sont présentés sur la figure. Les résultats du test d'immersion d'une semaine ont montré que toutes les cellules mouraient lorsque le nickel était d'environ 10 × 10-6 (pm = parties par million), tandis que le vanadium (V) était inférieur à deux chiffres et que toutes les cellules mouraient lorsqu'il était d'environ 0.6 × 10-6. Deuxièmement, lorsque les tissus durs (os) et les tissus mous (tendons) de petits animaux tels que les rats et les lapins étaient intégrés dans des feuilles de métal pour des tests, ces métaux hautement toxiques provoquaient certainement une nécrose des tissus durs (os) et des tissus mous (tendons). ) dans la partie contact.

L'autre groupe pour l'indication de préjudice, dans l'implantation de l'état attaché, dans le tissu fibreux au site de contact, la formation d'une sorte de corps biologique au corps pour évacuer la réaction, le fer, l'aluminium, l'or, l'argent, et ainsi de suite sont ainsi manifestés. Les matériaux métalliques généraux tels que l'acier inoxydable SUS 304L et l'acier inoxydable SUS 36L, ainsi que les alliages cobalt-chrome, appartiennent à cette catégorie. La pièce métallique incrustée dans les tissus durs ne fusionne pas avec les cellules osseuses et lorsque le test d'extraction est effectué quelques semaines plus tard, elle est retirée sans résistance.
Le troisième groupe est le moins réactif avec les organismes vivants et convient à l'implantation et à la fixation du titane, du zirconium, du niobium, du tantale, du platine, etc. Lorsque ces métaux sont implantés ou attachés à des organismes vivants, ils sont étroitement liés aux tissus durs et mous, montrant un phénomène semblable à celui du corps.

En conséquence, le titane est un métal sûr car il est moins susceptible de causer des dommages aux organismes vivants. Lorsque des alliages de titane sont utilisés, en fonction des éléments d'alliage utilisés, la résistance à la corrosion des alliages de titane est inférieure à celle du titane pur et, lorsque la corrosion se produit, les éléments d'alliage peuvent être lessivés. Il est nécessaire de sélectionner des éléments d'alliage résistants à la corrosion et non invasifs. Dans les alliages de titane, l'alliage Ti-6AI-4V est utilisé depuis longtemps dans la construction aéronautique et dans les équipements d'ingénierie résistant à l'eau de mer et compte un grand nombre d'exemples d'utilisation. Dans le domaine médical, les alliages ELI, qui présentent une bonne résistance à la corrosion (faible teneur en fer, en oxygène et en hydrogène), sont utilisés depuis longtemps. Cependant, récemment, dans le cadre de la recherche et du développement d'alliages de titane destinés à l'implantation et au placement, l'alliage Ti-13Nb-13Zr a été standardisé en remplaçant le vanadium (V) par du niobium (Nb), qui est un alliage non nocif, à base de sur le rapport sur la mutagénicité du monomère (ASTM, ISO). Il existe également un alliage qui décharge activement de l'aluminium, qui sera bientôt commercialisé.

2. Matériau en titane à usage médical
La norme américaine ASTM (F-code) à usage médical est équivalente à la norme mondiale, et en Europe, la norme ISO et la norme ASTM sont en train d'être triées et fusionnées dans la norme européenne. Au Japon, nous sommes en train de consolider les normes nationales et avons commencé à formuler des normes basées sur les normes ISO en consolidant les normes correspondant aux normes ASTM et ISO.
Les matériaux en titane spécifiés dans la norme ASTM pour les implants et attaches tels que les articulations artificielles du genou et de la hanche (y compris les têtes fémorales) sont répertoriés en fonction de leurs formes. Depuis longtemps, le titane pur et les alliages Ti-6AI-4V, y compris les matériaux en poudre, sont utilisés pour fabriquer diverses formes de pièces et de composants.

3、Applications médicales du titane
Le titane est utilisé dans un grand nombre de pièces telles que les articulations fémorales artificielles, les articulations artificielles du genou et les attelles osseuses, et est également utilisé en chirurgie orthopédique. En déformant l'inflammation des articulations, les rhumatismes [prononcés « rumatisme », ce qui signifie douleurs articulaires et tendineuses sévères, mais aussi une maladie allergique – NDLR] et d'autres causes de douleurs intenses, entraînant des difficultés à marcher, souffriront de cette maladie. souffrant de cette maladie reçoivent des articulations fémorales artificielles et des arthroplasties du genou artificielles, ce qui peut éliminer la douleur et leur permettre de marcher. Au Japon, 80,000 40,000 arthroplasties fémorales et 2005 XNUMX arthroplasties du genou sont réalisées en une seule année (statistiques de XNUMX). À l’avenir, à mesure que la société vieillit, on s’attend à ce que la demande d’articulations artificielles augmente considérablement.
Le titane ne convient pas à toutes les parties artificielles des articulations. Dans la partie articulaire, où il y a beaucoup de mouvement, le titane ne convient pas car il s'use facilement (les céramiques et les alliages de cobalt sont préférés), et les alliages de titane sont utilisés pour les pièces implantées. La surface des alliages de titane est inégale et recouverte d'apatite et de matériaux sensibles aux os tels que le bioverre pour garantir une intégration précoce avec l'os biologique. De plus, pour la fixation des fractures, des clous intramédullaires en alliage de titane et des plaques en alliage de titane sont utilisés.

Il existe également une tendance croissante dans le domaine de la dentisterie, où les implants et les accessoires sont utilisés. Le titane est utilisé en plus petites quantités, mais il existe des alliages de titane et des alliages de titane pur sous forme de plaques, de filetages, de douilles et de paniers, comme le montre la figure. Ces pièces sont enfoncées directement dans la mâchoire et recouvertes d'apatite, représentative de la composition de l'os, pour être fixées dans la partie gingivale de la dent. Le titane convient aux implants métalliques en dentisterie générale. Il existe deux méthodes, la méthode de moulage de précision et la méthode de formage superplastique. Elle est plus légère et n'a pas mauvais goût pour les aliments acides par rapport aux alliages de cobalt et de chrome précédents, mais comme l'utilisation du titane n'est pas couverte par le Diagnostic et traitement de l'assurance maladie, le prix est plus cher.

En tant qu'accessoire implantable en médecine interne, un stimulateur cardiaque peut être implanté lorsqu'un patient souffre d'une fréquence cardiaque faible. Un fil d'électrode est inséré de la veine sous-clavière jusqu'au cœur, et cette électrode envoie un signal électronique au stimulateur cardiaque, ce qui en fait un stimulateur cardiaque. Récemment, des stimulateurs cardiaques ont été développés avec une masse de 20 g et une épaisseur de 6 mm, suffisamment petite pour être connectée à un fil d'électrode et enfouie sous la peau. La batterie et les circuits de commande sont contenus dans un petit récipient (médaillon) en titane pur, non invasif pour les organismes vivants. La batterie doit durer au moins 6 ans, le conteneur (médaillon) doit donc être stable et sûr pendant une longue période. Actuellement, près de 5,000 XNUMX personnes au Japon en ont bénéficié.

Le titane est également utilisé dans les instruments chirurgicaux. En particulier dans le cas d'opérations cérébrales et neurochirurgicales de plus de 10 heures, les pinces doivent être légères et des produits en titane sont utilisés pour les pinces hémostatiques, etc. Le titane est également utilisé dans de nombreux instruments de traitement dentaire tels que les implants, les instruments chirurgicaux pour les attaches et les vibrateurs pour éliminer le tartre dentaire. En plus de l'implantation et de la fixation, comme les équipements auxiliaires et les fauteuils roulants, le titane est également utilisé. Lorsqu'une partie d'un membre manque à cause d'une maladie ou d'un accident, une prothèse est réalisée pour restaurer la fonction, et comme la partie principale de la prothèse est en métal, elle est appliquée en termes de légèreté, de durabilité (principalement corrosion et résistance à la fatigue) et compatibilité avec les organismes vivants (Ni, Cr…). Dans le cas des fauteuils roulants, l'objectif principal est d'alléger l'ensemble du fauteuil roulant, c'est pourquoi, dans certains cas, le titane est utilisé pour presque toutes les pièces métalliques de la structure, comme le cadre et les roues.