Aanpassingsvermogen van materialen van titaniumlegeringen aan het menselijk lichaam en soorten titaniummaterialen voor medisch gebruik

Op medisch gebied moet het gebruik van metalen materialen onschadelijk zijn voor het menselijk lichaam. Wanneer het metaal corrodeert, kunnen metaalionen oplossen, die de celweefsels van levende organismen (het menselijk lichaam) aantasten. Daarom is het noodzakelijk om metalen materialen te gebruiken die niet gemakkelijk te corroderen zijn en zeer goed bestand zijn tegen corrosie. Titanium is een soort metaal. zeer corrosiebestendig materiaal. Voor medische metalen materialen van roestvrij staal tot kobaltgebaseerde en serie op titaniumbasisDe verhouding tussen titanium en titaniumlegeringen neemt toe. De hoeveelheid titanium die wereldwijd in de medische industrie wordt gebruikt, bedraagt ​​ongeveer 1,000 per jaar.

1. Aanpassingsvermogen van titanium aan het menselijk lichaam (compatibiliteit van titanium met levende organismen)
Om de reactie van metaalionen op het menselijk aanpassingsvermogen te observeren, hebben we in een laboratorium een ​​evaluatiemethode voor het aanpassingsvermogen van cellen uitgevoerd met behulp van cellen die gevoelig zijn voor metaalionen, zoals longfibroblasten van muizen (V79-cellen) en fibroblastweefsels van muizen (I929-cellen), die worden gebruikt voor medische experimenten in China, en een onafhankelijk bestuursorgaan (de Technische Commissie voor de Standaardisatie van Biologische Evaluatie van Medische Hulpmiddelen). We maken onderscheid tussen de reacties van elementaire monomeerionen op het menselijk lichaam (organismen) die worden geleverd door de Technical Base for Evaluation of Medical Device Biology (Standardized Technical Committee for Biological Evaluation of Medical Devices).
Vanadium (V), nikkel (Ni), koper (Cu), enz., die zeer giftig zijn, veroorzaken binnen korte tijd celdood bij een beperkt aantal delen per miljoen (×10-6). In het geval van bijvoorbeeld vanadium (V) en nikkel (N) worden de resultaten van het experiment met V79-cellen weergegeven in de figuur. De resultaten van de onderdompelingstest van een week toonden aan dat alle cellen doodgingen toen de nikkelwaarde ongeveer 10×10-6 was (pm = delen per miljoen), terwijl vanadium (V) twee cijfers minder was en alle cellen stierven toen de waarde ongeveer 0.6× was. 10-6. Ten tweede, toen de harde weefsels (botten) en zachte weefsels (pezen) van kleine dieren zoals ratten en konijnen voor het testen in metalen platen werden ingebed, veroorzaakten deze zeer giftige metalen zeker necrose in de harde weefsels (botten) en zachte weefsels (pezen). ) in het contactgedeelte.

De andere groep voor de indicatie van schadelijkheid, bij de implantatie van de aangehechte toestand, in het vezelige weefsel op de contactplaats, de vorming van een soort biologisch lichaam aan het lichaam om de reactie af te voeren, ijzer, aluminium, goud, zilver, enzovoort worden zo gemanifesteerd. Algemene metalen materialen zoals SUS 304L roestvrij staal en SUS 36L roestvrij staal, evenals kobalt-chroomlegeringen, behoren tot deze categorie. Het metalen stuk dat in het harde weefsel is ingebed, versmelt niet met de botcellen en als de verwijderingstest een paar weken later wordt uitgevoerd, wordt het zonder weerstand verwijderd.
De derde groep is het minst reactief met levende organismen en is geschikt voor implantatie en hechting van titanium, zirkonium, niobium, tantaal, platina, enzovoort. Wanneer deze metalen worden geïmplanteerd in of gehecht aan levende organismen, worden ze nauw verbonden met de harde en zachte weefsels, waardoor een lichaamsachtig fenomeen ontstaat.

Als gevolg hiervan is titanium een ​​veilig metaal omdat het minder waarschijnlijk is dat het levende organismen verwondt. Wanneer titaniumlegeringen worden gebruikt, is de corrosieweerstand van titaniumlegeringen, afhankelijk van de gebruikte legeringselementen, lager dan die van puur titanium, en wanneer corrosie optreedt, kunnen de legeringselementen worden uitgeloogd. Het is noodzakelijk om legeringselementen te selecteren die corrosiebestendig en niet-invasief zijn. In titaniumlegeringen wordt de Ti-6AI-4V-legering al lange tijd gebruikt in de vliegtuigbouw en in zeewaterbestendige technische apparatuur en kent een groot aantal gebruiksvoorbeelden. Op medisch gebied worden ELI-legeringen, die een goede corrosieweerstand hebben (laag gehalte aan ijzer, zuurstof en waterstof), al lang gebruikt. Onlangs is echter, als onderdeel van het onderzoek en de ontwikkeling van titaniumlegeringen voor implantatie en plaatsing, de Ti-13Nb-13Zr-legering gestandaardiseerd door vanadium (V) te vervangen door niobium (Nb), een niet-schadelijke legering, gebaseerd op over het rapport over de mutageniteit van het monomeer (ASTM, ISO). Er is ook een legering die actief aluminium afgeeft, die binnenkort vrijkomt.

2. Titaniummateriaal voor medisch gebruik
De Amerikaanse ASTM-standaard (F-code) voor medisch gebruik is gelijkwaardig aan de wereldstandaard, en in Europa worden de ISO-standaard en de ASTM-standaard uitgezocht en samengevoegd tot de Europese standaard. In Japan zijn we bezig met het consolideren van binnenlandse normen en zijn we begonnen met het formuleren van normen op basis van ISO-normen door de normen te consolideren die overeenkomen met ASTM- en ISO-normen.
De titaniummaterialen gespecificeerd in de ASTM-standaard voor implantaten en hulpstukken zoals kunstmatige kniegewrichten en heupgewrichten (inclusief femurkoppen) worden vermeld op basis van hun vorm. Lange tijd worden zuiver titanium en Ti-6AI-4V-legeringen, inclusief poedervormige materialen, gebruikt om onderdelen en componenten in verschillende vormen te maken.

3. Medische titaniumtoepassingen
Titanium wordt gebruikt in een groot aantal onderdelen, zoals kunstmatige femurgewrichten, kunstmatige kniegewrichten en botspalken, en wordt ook gebruikt bij orthopedische chirurgie. Door het vervormen van gewrichtsontstekingen zullen reuma [uitgesproken als “Rumatisme”, wat ernstige gewrichts- en peespijn betekent, maar ook voor een allergische ziekte – Noot van de vertaler] en andere oorzaken van ernstige pijn, resulterend in loopproblemen, aan deze ziekte lijden. Patiënten die aan deze aandoening lijden, krijgen kunstmatige femurgewrichten en kunstmatige knievervangingen, die de pijn kunnen wegnemen en hen in staat stellen te lopen. In Japan worden in één jaar 80,000 femurgewrichtsvervangingen en 40,000 knievervangingen uitgevoerd (statistieken van 2005). In de toekomst, naarmate de samenleving ouder wordt, wordt verwacht dat de vraag naar kunstgewrichten met een groot percentage zal toenemen.
Titanium is niet geschikt voor alle kunstgewrichtsdelen. In het gewrichtsdeel, waar veel beweging is, is titanium niet geschikt omdat het snel verslijt (de voorkeur gaat uit naar keramiek en kobaltlegeringen) en voor geïmplanteerde onderdelen worden titaniumlegeringen gebruikt. Het oppervlak van titaniumlegeringen is ongelijk en bedekt met apatiet en botgevoelige materialen zoals bioglas om een ​​vroege integratie met biologisch bot te garanderen. Bovendien worden voor fractuurfixatie intramedullaire nagels van titaniumlegering en platen van titaniumlegering gebruikt.

Ook op het gebied van de tandheelkunde is er een toenemende trend waar implantaten en opzetstukken worden gebruikt. Titanium wordt in kleinere hoeveelheden gebruikt, maar er zijn titaniumlegeringen en pure titaniumlegeringen in de vorm van platen, schroefdraden, moffen en manden, zoals weergegeven in de afbeelding. Deze delen worden rechtstreeks in het kaakbot gedreven en bedekt met apatiet, wat representatief is voor de samenstelling van het bot, om in het tandvleesgedeelte van de tand te worden gefixeerd. Titanium is geschikt voor metalen implantaten in de algemene tandheelkunde. Er zijn twee methoden, de precisiegietmethode en de superplastische vormmethode, en deze is lichter van gewicht en smaakt niet slecht bij zure voedingsmiddelen in vergelijking met de vorige kobalt- en chroomlegeringen, maar aangezien het gebruik van titanium niet onder de ziektekostenverzekering diagnose en behandeling, de prijs is duurder.

Als implanteerbaar accessoire voor de interne geneeskunde kan een pacemaker worden geïmplanteerd wanneer een patiënt last heeft van een lage hartslag. Er wordt een elektrodedraad ingebracht vanuit de subclavia-ader naar het hart, en deze elektrode geeft een elektronisch signaal door aan de pacemaker, waardoor deze een pacemaker wordt. Onlangs zijn er pacemakers ontwikkeld met een massa van 20 gram en een dikte van 6 mm, wat klein genoeg is om met een elektrodedraad te worden verbonden en onder de huid te worden begraven. De batterij en de besturingscircuits bevinden zich in een kleine houder (medaillon) gemaakt van puur titanium, dat niet invasief is voor levende organismen. De batterij moet minimaal 6 jaar meegaan, dus de container (medaillon) moet langdurig stabiel en veilig zijn. Momenteel hebben bijna 5,000 mensen in Japan hiervan geprofiteerd.

Titanium wordt ook gebruikt in chirurgische instrumenten. Vooral bij langdurige hersen- en neurochirurgische operaties die meer dan 10 uur duren, moeten pincetten licht van gewicht zijn en worden titaniumproducten gebruikt voor hemostatische pincetten en dergelijke. Titanium wordt ook gebruikt in veel instrumenten voor tandheelkundige behandelingen, zoals implantaten, chirurgische instrumenten voor opzetstukken en vibrators voor het verwijderen van tandsteen. Naast implantatie en bevestiging, zoals hulpapparatuur en rolstoelen, wordt ook titanium gebruikt. Wanneer een deel van een ledemaat ontbreekt als gevolg van ziekte of een ongeval, wordt er een prothese gemaakt om de functie te herstellen, en aangezien het grootste deel van de prothese van metaal is, wordt deze toegepast in termen van lichtheid, duurzaamheid (vooral corrosie en corrosie). weerstand tegen vermoeidheid) en compatibiliteit met levende organismen (Ni, Cr, enz.). Bij rolstoelen is het hoofddoel om de gehele rolstoel lichter te maken, daarom wordt in sommige gevallen titanium gebruikt voor vrijwel alle metalen onderdelen in de constructie, zoals het frame en de wielen.