Przystosowalność materiałów stopów tytanu do ciała człowieka i rodzaje materiałów tytanowych do zastosowań medycznych

W medycynie zastosowanie materiałów metalowych musi być nieszkodliwe dla organizmu ludzkiego. Kiedy metal koroduje, może rozpuszczać jony metali, co wpływa na tkanki komórkowe organizmów żywych (ciało ludzkie), dlatego konieczne jest stosowanie materiałów metalowych, które nie są łatwe do korozji i są bardzo odporne na korozję, tytan jest rodzajem materiał wysoce odporny na korozję. Do medycznych materiałów metalowych od stali nierdzewnej po kobalt i seria stopów na bazie tytanu, stosunek tytanu i stopu tytanu wzrasta. Ilość tytanu wykorzystywanego w przemyśle medycznym na całym świecie wynosi około 1,000 ton rocznie.

1. Przystosowanie tytanu do organizmu człowieka (zgodność tytanu z organizmami żywymi)
Aby obserwować reakcję jonów metali na zdolność adaptacji człowieka, przeprowadziliśmy w laboratorium metodę oceny zdolności adaptacji komórek, wykorzystując komórki wrażliwe na jony metali, takie jak fibroblasty płuc myszy (komórki V79) i tkanki fibroblastów myszy (komórki I929), które są wykorzystywane do eksperymentów medycznych w Chinach oraz niezależny organ administracyjny (Komitet Techniczny ds. Standaryzacji Biologicznej Oceny Wyrobów Medycznych). Rozróżniamy reakcje elementarnych jonów monomerowych na organizm człowieka (organizmy) podane przez Bazę Techniczną Oceny Biologii Wyrobów Medycznych (Standardowy Komitet Techniczny ds. Biologicznej Oceny Wyrobów Medycznych).
Wanad (V), nikiel (Ni), miedź (Cu) itp., które są silnie toksyczne, powodują śmierć komórek w krótkim czasie przy ograniczonym poziomie części na milion (×10-6). Przykładowo w przypadku wanadu (V) i niklu (N) na rysunku przedstawiono wyniki eksperymentu na ogniwach V79. Wyniki tygodniowego testu zanurzeniowego wykazały, że wszystkie ogniwa obumierały, gdy nikiel wynosił około 10×10-6 (pm = części na milion), podczas gdy wanad (V) był o dwie cyfry mniejszy, a wszystkie ogniwa umierały, gdy wynosił około 0.6× 10-6. Po drugie, kiedy twarde tkanki (kości) i tkanki miękkie (ścięgna) małych zwierząt, takich jak szczury i króliki, osadzano w metalowych arkuszach w celu przeprowadzenia badań, te wysoce toksyczne metale z pewnością powodowały martwicę tkanek twardych (kości) i tkanek miękkich (ścięgien). ) w części kontaktowej.

Druga grupa, wskazująca na uszkodzenie, podczas implantacji stanu przyczepionego, w tkance włóknistej w miejscu kontaktu, tworzenie się pewnego rodzaju ciała biologicznego w organizmie w celu wyładowania reakcji, żelazo, aluminium, złoto, srebro, i tak dalej, są tak widoczne. Do tej kategorii należą ogólne materiały metalowe, takie jak stal nierdzewna SUS 304L i stal nierdzewna SUS 36L, a także stopy kobaltowo-chromowe. Kawałek metalu osadzony w twardej tkance nie łączy się z komórkami kostnymi, a gdy po kilku tygodniach przeprowadza się próbę usunięcia, zostaje usunięty bez oporu.
Trzecia grupa jest najmniej reaktywna z organizmami żywymi i nadaje się do implantacji i mocowania tytanu, cyrkonu, niobu, tantalu, platyny i tak dalej. Kiedy metale te są wszczepiane lub przyłączane do żywych organizmów, są ściśle związane z tkankami twardymi i miękkimi, wykazując zjawisko podobne do ciała.

W rezultacie tytan jest metalem bezpiecznym, ponieważ jest mniej prawdopodobne, że spowoduje obrażenia organizmów żywych. W przypadku stosowania stopów tytanu, w zależności od zastosowanych pierwiastków stopowych, odporność na korozję stopów tytanu jest niższa niż w przypadku czystego tytanu, a gdy wystąpi korozja, pierwiastki stopowe mogą zostać wypłukane. Należy dobierać dodatki stopowe odporne na korozję i nieinwazyjne. W stopach tytanu stop Ti-6AI-4V jest od dawna stosowany w produkcji samolotów i sprzęcie inżynieryjnym odpornym na wodę morską i ma wiele przykładów zastosowania. W medycynie od dawna stosowane są stopy ELI, które charakteryzują się dobrą odpornością na korozję (niska zawartość żelaza, tlenu i wodoru). Ostatnio jednak w ramach badań i rozwoju stopów tytanu do implantacji i umieszczania, stop Ti-13Nb-13Zr został ustandaryzowany poprzez zastąpienie wanadu (V) niobem (Nb), który jest nieszkodliwym stopem na bazie w sprawie raportu dotyczącego mutagenności monomeru (ASTM, ISO). Istnieje również stop aktywnie wydzielający aluminium, który wkrótce zostanie uwolniony.

2, materiał tytanowy do użytku medycznego
Amerykański standard ASTM (kod F) do zastosowań medycznych jest równoważny ze standardem światowym, a w Europie norma ISO i norma ASTM są sortowane i łączone w normę europejską. W Japonii jesteśmy w trakcie konsolidacji norm krajowych i rozpoczęliśmy formułowanie norm w oparciu o normy ISO poprzez konsolidację norm odpowiadających normom ASTM i ISO.
Materiały tytanowe określone w normie ASTM dotyczące implantów i elementów mocujących, takich jak sztuczne stawy kolanowe i biodrowe (w tym głowy kości udowych), są wymienione według ich kształtów. Od dawna do wykonywania różnych kształtów części i podzespołów używa się czystego tytanu i stopów Ti-6AI-4V, w tym także materiałów proszkowych.

3, zastosowania tytanu medycznego
Tytan jest stosowany w wielu częściach, takich jak sztuczne stawy udowe, sztuczne stawy kolanowe i szyny kostne, a także jest stosowany w chirurgii ortopedycznej. Deformując zapalenie stawów Reumatyzm [wymawiane „Rumatyzm”, co oznacza silny ból stawów i ścięgien, ale także choroba alergiczna – przyp. tłumacza] i inne przyczyny silnego bólu, skutkującego trudnościami w chodzeniu, będą cierpieć na tę chorobę pacjenci. cierpiącym na tę przypadłość podaje się sztuczne stawy udowe i sztuczne protezy stawu kolanowego, które eliminują ból i umożliwiają chodzenie. W Japonii w ciągu jednego roku wykonuje się 80,000 40,000 endoprotezoplastyk stawu udowego i 2005 XNUMX endoprotezoplastyk stawu kolanowego (statystyki z XNUMX r.). Oczekuje się, że w przyszłości, wraz ze starzeniem się społeczeństwa, zapotrzebowanie na sztuczne stawy wzrośnie znacznie procentowo.
Tytan nie nadaje się do wszystkich sztucznych części stawów. W części stawowej, gdzie występuje duży ruch, tytan nie nadaje się, ponieważ łatwo się zużywa (preferowana jest ceramika i stopy kobaltu), a na części wszczepiane stosuje się stopy tytanu. Powierzchnia stopów tytanu jest nierówna i pokryta apatytem i materiałami wrażliwymi na kość, takimi jak bioszkło, aby zapewnić wczesną integrację z biologiczną kością. Dodatkowo do zespolenia złamania stosuje się gwoździe śródszpikowe ze stopu tytanu oraz płytki ze stopu tytanu.

Wzrastający trend obserwuje się także w dziedzinie stomatologii, gdzie stosuje się implanty i zaczepy. Tytan jest używany w mniejszych ilościach, ale istnieją stopy tytanu i czyste stopy tytanu w postaci płytek, gwintów, gniazd i koszy, jak pokazano na rysunku. Części te są wbijane bezpośrednio w kość szczęki i pokrywane apatytem, ​​który jest reprezentatywny dla składu kości, przeznaczonej do utrwalenia w części dziąsłowej zęba. Tytan nadaje się do implantów metalowych w stomatologii ogólnej. Istnieją dwie metody: metoda odlewania precyzyjnego i metoda formowania superplastycznego, jest ona lżejsza i nie smakuje źle w przypadku kwaśnej żywności w porównaniu z poprzednimi stopami kobaltu i chromu, ale ponieważ użycie tytanu nie jest objęte zakresem diagnoza i leczenie ubezpieczenia zdrowotnego, cena jest droższa.

Jako wszczepialne akcesorium w medycynie wewnętrznej, rozrusznik serca można wszczepić, gdy pacjent cierpi na niskie tętno. Od żyły podobojczykowej do serca wprowadza się drut elektrodowy, który wprowadza sygnał elektroniczny do rozrusznika serca, czyniąc go rozrusznikiem serca. Niedawno opracowano rozruszniki serca o masie 20 g i grubości 6 mm, które są na tyle małe, że można je połączyć z drutem elektrodowym i zakopać pod skórą. Bateria i obwody sterujące umieszczone są w niewielkim pojemniku (medalionie) wykonanym z czystego tytanu, który jest nieinwazyjny dla organizmów żywych. Bateria musi wytrzymać minimum 6 lat, dlatego też pojemnik (medalion) musi być stabilny i bezpieczny przez długi czas. Obecnie ze świadczeń skorzystało w Japonii prawie 5,000 osób.

Tytan jest również stosowany w narzędziach chirurgicznych. Zwłaszcza w przypadku długich operacji mózgu i operacji neurochirurgicznych trwających dłużej niż 10 godzin, kleszcze muszą być lekkie, a do kleszczyków hemostatycznych i tym podobnych używa się wyrobów tytanowych. Tytan jest również stosowany w wielu instrumentach do leczenia stomatologicznego, takich jak implanty, narzędzia chirurgiczne do mocowania i wibratory do usuwania kamienia nazębnego. Oprócz implantacji i mocowania, np. sprzętu pomocniczego i wózków inwalidzkich, stosuje się również tytan. W przypadku braku części kończyny na skutek choroby lub wypadku, w celu przywrócenia funkcji wykonuje się protezę, a ponieważ główna część protezy jest wykonana z metalu, stosuje się ją ze względu na lekkość, trwałość (głównie na korozję i odporność na zmęczenie) i kompatybilność z organizmami żywymi (Ni, Cr itp.). W przypadku wózków inwalidzkich głównym celem jest uczynienie całego wózka lżejszym, dlatego w niektórych przypadkach tytan jest używany do prawie wszystkich metalowych części konstrukcji, takich jak rama i koła.