Adattabilità dei materiali in lega di titanio al corpo umano e tipologie di materiali in titanio per uso medico

In campo medico l’utilizzo di materiali metallici deve essere innocuo per il corpo umano. Quando il metallo si corrode, può dissolvere gli ioni metallici, il che influisce sui tessuti cellulari degli organismi viventi (corpo umano), quindi è necessario utilizzare materiali metallici che non siano facili da corrodere e siano altamente resistenti alla corrosione, il titanio è una sorta di materiale altamente resistente alla corrosione. Per materiali metallici medicali, dalle serie in acciaio inossidabile a quelle a base di cobalto e serie di leghe a base di titanio, il rapporto tra titanio e leghe di titanio è in aumento. La quantità di titanio utilizzata nell'industria medica in tutto il mondo è di circa 1,000 tl'anno.

1. Adattabilità del titanio al corpo umano (compatibilità del titanio con gli organismi viventi)
Per osservare la risposta degli ioni metallici all'adattabilità umana, abbiamo condotto un metodo di valutazione dell'adattabilità cellulare in un laboratorio utilizzando cellule sensibili agli ioni metallici, come fibroblasti polmonari di topo (cellule V79) e tessuti di fibroblasti di topo (cellule I929), che vengono utilizzati per esperimenti medici in Cina e un ente amministrativo indipendente (il Comitato tecnico per la standardizzazione della valutazione biologica dei dispositivi medici). Distinguiamo tra le reazioni degli ioni monomerici elementari al corpo umano (organismi) fornite dalla Base tecnica per la valutazione della biologia dei dispositivi medici (Comitato tecnico standardizzato per la valutazione biologica dei dispositivi medici).
Il vanadio (V), il nichel (Ni), il rame (Cu), ecc., che sono altamente tossici, causano la morte cellulare in breve tempo ad un livello limitato di parti per milione (×10-6). Nel caso del vanadio (V) e del nichel (N), ad esempio, i risultati dell'esperimento sulle celle V79 sono mostrati in figura. I risultati del test di immersione di una settimana hanno mostrato che tutte le cellule morivano quando il nichel era intorno a 10×10-6 (pm = parti per milione), mentre il vanadio (V) era di due cifre in meno e tutte le cellule morivano quando era intorno a 0.6× 10-6. In secondo luogo, quando i tessuti duri (ossa) e i tessuti molli (tendini) di piccoli animali come ratti e conigli venivano incorporati in fogli di metallo per i test, questi metalli altamente tossici causavano certamente necrosi nei tessuti duri (ossa) e nei tessuti molli (tendini). ) nella parte di contatto.

L'altro gruppo per l'indicazione di dannoso, nell'impianto dello stato attaccato, nel tessuto fibroso nel sito di contatto, la formazione di una sorta di corpo biologico nel corpo per scaricare la reazione, ferro, alluminio, oro, argento, e così via sono così manifestati. I materiali metallici generali come l'acciaio inossidabile SUS 304L e l'acciaio inossidabile SUS 36L, nonché le leghe di cobalto-cromo, appartengono a questa categoria. Il pezzo metallico incastonato nel tessuto duro non si fonde con le cellule ossee e, quando si effettua il test di rimozione, qualche settimana dopo, viene rimosso senza resistenza.
Il terzo gruppo è il meno reattivo con gli organismi viventi ed è adatto per l'impianto e il fissaggio di titanio, zirconio, niobio, tantalio, platino e così via. Quando questi metalli vengono impiantati o attaccati agli organismi viventi, sono strettamente legati ai tessuti duri e molli, mostrando un fenomeno simile al corpo.

Di conseguenza, il titanio è un metallo sicuro perché ha meno probabilità di causare danni agli organismi viventi. Quando si utilizzano leghe di titanio, a seconda degli elementi di lega utilizzati, la resistenza alla corrosione delle leghe di titanio è inferiore a quella del titanio puro e, quando si verifica la corrosione, gli elementi di lega possono essere disciolti. È necessario selezionare elementi di lega resistenti alla corrosione e non invasivi. Nelle leghe di titanio, la lega Ti-6AI-4V è stata utilizzata per molto tempo nella produzione di aeromobili e in apparecchiature ingegneristiche resistenti all'acqua di mare e ha un gran numero di esempi di utilizzo. In campo medico vengono utilizzate da tempo le leghe ELI, che presentano una buona resistenza alla corrosione (basso contenuto di ferro, ossigeno e idrogeno). Recentemente, però, nell'ambito della ricerca e sviluppo delle leghe di titanio per impianto e posizionamento, la lega Ti-13Nb-13Zr è stata standardizzata sostituendo il vanadio (V) con il niobio (Nb), che è una lega non dannosa, a base sulla relazione sulla mutagenicità del monomero (ASTM, ISO). Esiste anche una lega che scarica attivamente l'alluminio, che verrà rilasciata presto.

2、Materiale in titanio per uso medico
Lo standard americano ASTM (codice F) per uso medico è equivalente allo standard mondiale, mentre in Europa lo standard ISO e lo standard ASTM vengono selezionati e fusi nello standard europeo. In Giappone, stiamo consolidando gli standard nazionali e abbiamo iniziato a formulare standard basati su standard ISO consolidando gli standard corrispondenti agli standard ASTM e ISO.
I materiali in titanio specificati nello standard ASTM per impianti e attacchi come articolazioni artificiali del ginocchio e dell'anca (comprese le teste femorali) sono elencati in base alla loro forma. Per molto tempo, il titanio puro e le leghe Ti-6AI-4V, compresi i materiali in polvere, sono stati utilizzati per realizzare parti e componenti di varie forme.

3, applicazioni mediche del titanio
Il titanio viene utilizzato in un gran numero di parti come le articolazioni femorali artificiali, le articolazioni artificiali del ginocchio e le stecche ossee e viene utilizzato anche nella chirurgia ortopedica. Deformando l'infiammazione delle articolazioni, i pazienti affetti da questa malattia soffrono di reumatismi [pronunciato “rumatismo”, che significa forte dolore alle articolazioni e ai tendini, ma anche per una malattia allergica – nota del traduttore] e altre cause di forte dolore, con conseguenti difficoltà di deambulazione. affetti da questa condizione vengono fornite articolazioni femorali artificiali e protesi artificiali del ginocchio, che possono eliminare il dolore e consentire loro di camminare. In Giappone, in un solo anno vengono eseguite 80,000 sostituzioni dell'articolazione femorale e 40,000 sostituzioni del ginocchio (statistiche del 2005). In futuro, con l’invecchiamento della società, si prevede che la domanda di articolazioni artificiali aumenterà in modo significativo.
Il titanio non è adatto a tutte le parti articolari artificiali. Nella parte articolare, dove c'è molto movimento, il titanio non è adatto perché si consuma facilmente (sono preferite la ceramica e le leghe di cobalto), e per le parti impiantate si utilizzano leghe di titanio. La superficie delle leghe di titanio è irregolare e rivestita con apatite e materiali sensibili all'osso come il biovetro per garantire un'integrazione precoce con l'osso biologico. Inoltre, per la fissazione della frattura, vengono utilizzati chiodi intramidollari in lega di titanio e placche in lega di titanio.

C'è anche una tendenza crescente nel campo dell'odontoiatria, dove vengono utilizzati impianti e attacchi. Il titanio viene utilizzato in quantità minori, ma esistono leghe di titanio e leghe di titanio puro sotto forma di piastre, filettature, prese e cestelli, come mostrato nella figura. Queste parti vengono conficcate direttamente nell'osso mascellare e rivestite con apatite, che è rappresentativa della composizione dell'osso, per essere fissate nella porzione gengivale del dente. Il titanio è adatto per impianti metallici in odontoiatria generale. Esistono due metodi, il metodo di fusione di precisione e il metodo di formatura superplastica, ed è più leggero e non ha un cattivo sapore per i cibi acidi rispetto alle precedenti leghe di cobalto e cromo, ma poiché l'uso del titanio non è coperto dalla diagnosi e trattamento dell'assicurazione sanitaria, il prezzo è più costoso.

Come accessorio impiantabile per la medicina interna, un pacemaker può essere impiantato quando un paziente soffre di una bassa frequenza cardiaca. Un filo di elettrodo viene inserito dalla vena succlavia al cuore e questo elettrodo invia un segnale elettronico al pacemaker, rendendolo un pacemaker. Recentemente sono stati sviluppati pacemaker con una massa di 20 ge uno spessore di 6 mm, sufficientemente piccolo da poter essere collegato con un filo di elettrodo e sepolto sotto la pelle. La batteria e i circuiti di controllo sono contenuti in un piccolo contenitore (medaglione) in titanio puro, non invasivo per gli organismi viventi. La batteria deve durare almeno 6 anni, quindi il contenitore (medaglione) deve essere stabile e sicuro per lungo tempo. Attualmente ne hanno beneficiato quasi 5,000 persone in Giappone.

Il titanio è utilizzato anche negli strumenti chirurgici. Soprattutto nel caso di interventi cerebrali e neurochirurgici lunghi che durano più di 10 ore, le pinze devono essere leggere e i prodotti in titanio vengono utilizzati per pinze emostatiche e simili. Il titanio viene utilizzato anche in molti strumenti per trattamenti dentali come impianti, strumenti chirurgici per attacchi e vibratori per la rimozione del tartaro dentale. Oltre all'impianto e al fissaggio, come apparecchiature ausiliarie e sedie a rotelle, viene utilizzato anche il titanio. Quando manca una parte di un arto a causa di una malattia o di un incidente, viene realizzata una protesi per ripristinarne la funzione e, poiché la parte principale della protesi è in metallo, viene applicata in termini di leggerezza, durata (principalmente corrosione e resistenza alla fatica) e compatibilità con gli organismi viventi (Ni, Cr, ecc.). Nel caso delle sedie a rotelle, l'obiettivo principale è rendere l'intera sedia a rotelle più leggera, quindi in alcuni casi il titanio viene utilizzato per quasi tutte le parti metalliche della struttura, come telaio e ruote.