Prilagodljivost materialov iz titanovih zlitin človeškemu telesu in vrste titanovih materialov za medicinsko uporabo

Na medicinskem področju mora biti uporaba kovinskih materialov neškodljiva za človeško telo. Ko kovina korodira, lahko raztopi kovinske ione, kar vpliva na celična tkiva živih organizmov (človeško telo), zato je treba uporabiti kovinske materiale, ki jih ni enostavno korodirati in so zelo odporni proti koroziji, titan je neke vrste visoko korozijsko odporen material. Za medicinske kovinske materiale od serije nerjavečega jekla do na osnovi kobalta in serija zlitin na osnovi titana, razmerje titana in titanove zlitine narašča. Količina titana, ki se uporablja v medicinski industriji po vsem svetu, je približno 1,000 tisoč let.

1. Prilagodljivost titana človeškemu telesu (združljivost titana z živimi organizmi)
Da bi opazovali odziv kovinskih ionov na človeško prilagodljivost, smo v laboratoriju izvedli metodo vrednotenja prilagodljivosti celic z uporabo celic, občutljivih na kovinske ione, kot so fibroblasti mišjih pljuč (celice V79) in tkiva mišjih fibroblastov (celice I929), ki se uporabljajo za medicinske poskuse na Kitajskem in neodvisni upravni organ (Tehnični odbor za standardizacijo biološkega vrednotenja medicinskih pripomočkov). Razlikujemo med reakcijami elementarnih monomernih ionov na človeško telo (organizme), ki jih zagotavlja Tehnična podlaga za vrednotenje biologije medicinskih pripomočkov (Standardizirani tehnični odbor za biološko vrednotenje medicinskih pripomočkov).
Vanadij (V), nikelj (Ni), baker (Cu) itd., ki so zelo strupeni, povzročijo celično smrt v kratkem času pri omejeni ravni delcev na milijon (×10-6). V primeru vanadija (V) in niklja (N) so na primer rezultati poskusa na celicah V79 prikazani na sliki. Rezultati enotedenskega potopnega testa so pokazali, da so vse celice umrle, ko je bil nikelj približno 10 × 10-6 (pm = deli na milijon), medtem ko je bil vanadij (V) dve števki manj in vse celice so umrle, ko je bil približno 0.6 × 10-6. Drugič, ko so bila trda tkiva (kosti) in mehka tkiva (tetive) majhnih živali, kot so podgane in zajci, vdelana v kovinske plošče za testiranje, so te zelo strupene kovine zagotovo povzročile nekrozo v trdih tkivih (kosti) in mehkih tkivih (kite ) v kontaktnem delu.

Druga skupina za indikacijo škodljivosti, pri implantaciji pritrjenega stanja, v vlaknastem tkivu na kontaktnem mestu, tvorba neke vrste biološkega telesa v telesu za izpust reakcije, železo, aluminij, zlato, srebro, in tako naprej se tako manifestirajo. Splošni kovinski materiali, kot sta nerjaveče jeklo SUS 304L in nerjaveče jeklo SUS 36L, ter zlitine kobalt-krom spadajo v to kategorijo. Kovinski kos, ki je vdelan v trdo tkivo, se ne zlije s kostnimi celicami in ko se nekaj tednov kasneje izvede test odstranitve, se odstrani brez upora.
Tretja skupina je najmanj reaktivna z živimi organizmi in je primerna za implantacijo in pritrditev titana, cirkonija, niobija, tantala, platine itd. Ko so te kovine vsajene v žive organizme ali pritrjene nanje, so tesno povezane s trdimi in mehkimi tkivi, kar kaže na telesni pojav.

Posledično je titan varna kovina, saj je manj verjetno, da bo povzročil poškodbe živih organizmov. Ko se uporabljajo titanove zlitine, je odvisno od uporabljenih legirnih elementov korozijska odpornost titanovih zlitin nižja kot pri čistem titanu in ko pride do korozije, se legirni elementi lahko izlužijo. Treba je izbrati legirne elemente, ki so odporni proti koroziji in neinvazivni. V titanovih zlitinah se zlitina Ti-6AI-4V že dolgo uporablja v proizvodnji letal in inženirske opreme, odporne na morsko vodo, in ima veliko primerov uporabe. V medicini se že dolgo uporabljajo zlitine ELI, ki imajo dobro odpornost proti koroziji (nizka vsebnost železa, kisika in vodika). Nedavno pa je bila v okviru raziskav in razvoja titanovih zlitin za implantacijo in namestitev zlitina Ti-13Nb-13Zr standardizirana z zamenjavo vanadija (V) z niobijem (Nb), ki je neškodljiva zlitina, ki temelji o poročilu o mutagenosti monomera (ASTM, ISO). Obstaja tudi zlitina, ki aktivno odvaja aluminij, ki bo kmalu na voljo.

2、titanov material za medicinsko uporabo
Ameriški standard ASTM (F-koda) za uporabo v medicini je enakovreden svetovnemu standardu, v Evropi pa standard ISO in standard ASTM razvrščajo in združujejo v evropski standard. Na Japonskem smo v procesu konsolidacije domačih standardov in smo začeli oblikovati standarde, ki temeljijo na standardih ISO, s konsolidacijo standardov, ki ustrezajo standardoma ASTM in ISO.
Materiali iz titana, določeni v standardu ASTM za vsadke in priključke, kot so umetni kolenski sklepi in kolčni sklepi (vključno z glavami stegnenic), so navedeni glede na njihove oblike. Za izdelavo različnih oblik delov in komponent se že dolgo uporabljajo čisti titan in zlitine Ti-6AI-4V, vključno s praškastimi materiali.

3、Medicinske aplikacije titana
Titan se uporablja v številnih delih, kot so umetni femoralni sklepi, umetni kolenski sklepi in kostne opornice, uporablja pa se tudi v ortopedski kirurgiji. Z deformacijo vnetja sklepov Revmatizem [izgovarja se "rumatizem", kar pomeni hude bolečine v sklepih in tetivah, pa tudi za alergijsko bolezen – opomba prevajalca] in drugi vzroki hudih bolečin, ki povzročajo težave pri hoji, bodo trpeli bolniki s to boleznijo. ki trpijo zaradi tega stanja, dobijo umetne femoralne sklepe in umetne nadomestke kolen, ki lahko odpravijo bolečino in jim omogočijo hojo. Na Japonskem se v enem letu opravi 80,000 zamenjav stegneničnega sklepa in 40,000 zamenjav kolena (statistika za leto 2005). V prihodnosti, ko se družba stara, se pričakuje, da se bo povpraševanje po umetnih sklepih povečalo za velik odstotek.
Titan ni primeren za vse dele umetnih sklepov. V delu sklepa, kjer je veliko gibanja, titan ni primeren, ker se hitro obrabi (prednost ima keramika in kobaltove zlitine), za implantirane dele pa se uporabljajo titanove zlitine. Površina titanovih zlitin je neenakomerna in prevlečena z apatitom in materiali, občutljivimi na kosti, kot je biosteklo, da se zagotovi zgodnja integracija z biološko kostjo. Poleg tega se za fiksacijo zloma uporabljajo intramedularni žeblji iz titanove zlitine in plošče iz titanove zlitine.

Vse večji trend je tudi na področju zobozdravstva, kjer se uporabljajo implantati in nastavki. Titan se uporablja v manjših količinah, vendar obstajajo titanove zlitine in čiste titanove zlitine v obliki plošč, navojev, vtičnic in košar, kot je prikazano na sliki. Ti deli se zabijejo neposredno v čeljustno kost in prevlečejo z apatitom, ki je reprezentativen za sestavo kosti, da se pritrdijo v gingivalni del zoba. Titan je primeren za kovinske vsadke v splošnem zobozdravstvu. Obstajata dve metodi, metoda natančnega litja in metoda superplastičnega oblikovanja, ki je lažja in nima slabega okusa za kisla živila v primerjavi s prejšnjimi zlitinami kobalta in kroma, a ker uporaba titana ni zajeta v zdravstveno zavarovanje diagnoza in zdravljenje, cena dražja.

Kot implantabilni pripomoček za interno medicino se srčni spodbujevalnik lahko vgradi, kadar ima bolnik nizek srčni utrip. Žica elektrode je vstavljena iz subklavialne vene v srce in ta elektroda vnaša elektronski signal v srčni spodbujevalnik, zaradi česar je srčni spodbujevalnik. Pred kratkim so razvili srčne spodbujevalnike z maso 20 g in debelino 6 mm, kar je dovolj majhno, da se poveže z žico elektrode in zakoplje pod kožo. Baterija in krmilno vezje sta v majhnem vsebniku (medaljon) iz čistega titana, ki je neinvaziven za žive organizme. Baterija mora trajati najmanj 6 let, zato mora biti posoda (medaljon) dolgo časa stabilna in varna. Trenutno je bilo deležnih skoraj 5,000 ljudi na Japonskem.

Titan se uporablja tudi v kirurških instrumentih. Zlasti pri dolgih možganskih in nevrokirurških operacijah, ki trajajo več kot 10 ur, so klešče lahke, izdelki iz titana pa se uporabljajo za hemostatske klešče ipd. Titan se uporablja tudi v številnih instrumentih za zdravljenje zob, kot so vsadki, kirurški instrumenti za nastavke in vibratorji za odstranjevanje zobnega kamna. Poleg vsaditve in pritrditve, kot so pomožna oprema in invalidski vozički, se uporablja tudi titan. Kadar zaradi bolezni ali nezgode manjka del okončine, se izdela proteza za povrnitev funkcije, in ker je glavni del proteze iz kovine, se le-ta uporablja glede lahkosti, vzdržljivosti (predvsem proti koroziji in odpornost proti utrujenosti) in združljivost z živimi organizmi (Ni, Cr itd.). Pri invalidskih vozičkih je glavni cilj olajšati celoten invalidski voziček, zato se v nekaterih primerih titan uporablja za skoraj vse kovinske dele v konstrukciji, kot so okvir in kolesa.