Khả năng thích ứng của vật liệu hợp kim titan với cơ thể con người và các loại vật liệu titan dùng trong y tế

Trong lĩnh vực y tế, việc sử dụng vật liệu kim loại phải vô hại đối với cơ thể con người. Khi kim loại bị ăn mòn có thể hòa tan các ion kim loại, ảnh hưởng đến mô tế bào của sinh vật sống (cơ thể con người) nên cần sử dụng vật liệu kim loại không dễ bị ăn mòn và có khả năng chống ăn mòn cao, titan là một loại vật liệu có khả năng chống ăn mòn cao. Dành cho vật liệu kim loại y tế từ dòng thép không gỉ đến coban và loạt hợp kim dựa trên titan, tỷ lệ titan và hợp kim titan ngày càng tăng. Lượng titan được sử dụng trong ngành y tế trên toàn thế giới là khoảng 1,000ta/năm.

1. Khả năng thích ứng của titan với cơ thể con người (khả năng tương thích của titan với sinh vật sống)
Để quan sát phản ứng của các ion kim loại với khả năng thích ứng của con người, chúng tôi đã tiến hành phương pháp đánh giá khả năng thích ứng của tế bào trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng các tế bào nhạy cảm với các ion kim loại, chẳng hạn như nguyên bào sợi phổi chuột (tế bào V79) và mô nguyên bào sợi chuột (tế bào I929), được sử dụng cho thí nghiệm y tế ở Trung Quốc và một cơ quan hành chính độc lập (Ủy ban kỹ thuật tiêu chuẩn hóa đánh giá sinh học của thiết bị y tế). Chúng tôi phân biệt các phản ứng của các ion đơn phân nguyên tố đối với cơ thể con người (sinh vật) do Cơ sở Kỹ thuật Đánh giá Sinh học Thiết bị Y tế (Ủy ban Kỹ thuật Tiêu chuẩn về Đánh giá Sinh học Thiết bị Y tế) cung cấp.
Vanadi (V), niken (Ni), đồng (Cu), v.v., là những chất có độc tính cao, gây chết tế bào trong thời gian ngắn ở mức giới hạn phần triệu (×10-6). Ví dụ, trong trường hợp vanadi (V) và niken (N), kết quả thí nghiệm trên tế bào V79 được thể hiện trong hình. Kết quả thử nghiệm ngâm trong một tuần cho thấy tất cả các tế bào đều chết khi niken ở khoảng 10 × 10-6 (pm = phần triệu), trong khi vanadi (V) ít hơn hai chữ số và tất cả các tế bào đều chết khi nó ở khoảng 0.6 ×. 10-6. Thứ hai, khi các mô cứng (xương) và mô mềm (gân) của các động vật nhỏ như chuột, thỏ được nhúng vào các tấm kim loại để thử nghiệm, những kim loại có độc tính cao này chắc chắn đã gây hoại tử ở các mô cứng (xương) và các mô mềm (gân). ) ở phần tiếp xúc.

Nhóm còn lại dùng để chỉ dấu hiệu gây tổn thương, trong việc cấy ghép trạng thái gắn liền, vào mô sợi ở vị trí tiếp xúc, hình thành một loại cơ thể sinh học vào cơ thể để phóng ra phản ứng, sắt, nhôm, vàng, bạc, vân vân và vân vân được thể hiện như vậy. Các vật liệu kim loại thông thường như thép không gỉ SUS 304L và thép không gỉ SUS 36L, cũng như các hợp kim coban-crom, thuộc loại này. Mảnh kim loại gắn trong mô cứng không kết hợp với các tế bào xương và khi thử nghiệm loại bỏ được thực hiện vài tuần sau đó, nó sẽ được lấy ra mà không gặp trở ngại nào.
Nhóm thứ ba ít phản ứng nhất với các sinh vật sống và thích hợp để cấy ghép và gắn titan, zirconi, niobi, tantalum, bạch kim, v.v. Khi những kim loại này được cấy vào hoặc gắn vào cơ thể sống, chúng liên kết chặt chẽ với các mô cứng và mô mềm, biểu hiện hiện tượng giống như cơ thể.

Do đó, titan là kim loại an toàn vì ít có khả năng gây thương tích cho sinh vật sống. Khi sử dụng hợp kim titan, tùy thuộc vào các nguyên tố hợp kim được sử dụng, khả năng chống ăn mòn của hợp kim titan thấp hơn so với titan nguyên chất và khi xảy ra ăn mòn, các nguyên tố hợp kim có thể bị rửa trôi. Cần phải chọn các nguyên tố hợp kim có khả năng chống ăn mòn và không xâm lấn. Trong hợp kim titan, hợp kim Ti-6AI-4V đã được sử dụng từ lâu trong sản xuất máy bay và thiết bị kỹ thuật chịu nước biển và có rất nhiều ví dụ về ứng dụng. Trong lĩnh vực y tế, hợp kim ELI có khả năng chống ăn mòn tốt (hàm lượng sắt, oxy và hydro thấp) đã được sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, gần đây, như một phần của nghiên cứu và phát triển hợp kim titan để cấy và đặt, hợp kim Ti-13Nb-13Zr đã được tiêu chuẩn hóa bằng cách thay thế vanadi (V) bằng niobium (Nb), một hợp kim không gây hại, dựa trên về báo cáo về khả năng gây đột biến của monome (ASTM, ISO). Ngoài ra còn có một hợp kim đang tích cực thải nhôm, sẽ sớm ra mắt.

2, Vật liệu titan dùng trong y tế
Tiêu chuẩn ASTM (mã F) của Mỹ dùng trong y tế tương đương với tiêu chuẩn thế giới và ở Châu Âu, tiêu chuẩn ISO và tiêu chuẩn ASTM đang được sắp xếp và hợp nhất thành tiêu chuẩn Châu Âu. Tại Nhật Bản, chúng tôi đang trong quá trình hợp nhất các tiêu chuẩn trong nước và đã bắt đầu xây dựng các tiêu chuẩn dựa trên tiêu chuẩn ISO bằng cách hợp nhất các tiêu chuẩn tương ứng với tiêu chuẩn ASTM và ISO.
Các vật liệu titan được quy định trong tiêu chuẩn ASTM dành cho các bộ phận cấy ghép và phụ kiện như khớp gối và khớp hông nhân tạo (bao gồm cả đầu xương đùi) được liệt kê theo hình dạng của chúng. Từ lâu, hợp kim titan nguyên chất và Ti-6AI-4V, bao gồm cả vật liệu dạng bột, đã được sử dụng để tạo ra nhiều hình dạng khác nhau của các bộ phận và bộ phận.

3,Ứng dụng titan y tế
Titan được sử dụng trong một số lượng lớn các bộ phận như khớp xương đùi nhân tạo, khớp gối nhân tạo, nẹp xương và cũng được sử dụng trong phẫu thuật chỉnh hình. Do biến dạng viêm khớp Bệnh thấp khớp [phát âm là “Rumatism”, có nghĩa là đau khớp và gân nghiêm trọng, nhưng cũng là bệnh dị ứng – Ghi chú của người dịch] và các nguyên nhân khác gây đau dữ dội, dẫn đến đi lại khó khăn, sẽ mắc phải căn bệnh này. Những người mắc phải tình trạng này được ghép khớp xương đùi nhân tạo và thay khớp gối nhân tạo, những cách này có thể loại bỏ cơn đau và cho phép họ đi lại. Tại Nhật Bản, 80,000 ca thay khớp xương đùi và 40,000 ca thay khớp gối được thực hiện chỉ trong một năm (thống kê năm 2005). Trong tương lai, khi xã hội già đi, dự kiến ​​nhu cầu về khớp nhân tạo sẽ tăng lên một tỷ lệ lớn.
Titan không phù hợp với tất cả các bộ phận khớp nhân tạo. Ở phần khớp, nơi có nhiều chuyển động, titan không phù hợp vì dễ bị mòn (ưu tiên gốm và hợp kim coban), hợp kim titan được sử dụng cho các bộ phận cấy ghép. Bề mặt của hợp kim titan không đồng đều và được phủ bằng apatit và các vật liệu nhạy cảm với xương như thủy tinh sinh học để đảm bảo sớm tích hợp với xương sinh học. Ngoài ra, để cố định gãy xương, người ta sử dụng đinh có khung bằng hợp kim titan và tấm hợp kim titan.

Ngoài ra còn có một xu hướng ngày càng tăng trong lĩnh vực nha khoa, nơi cấy ghép và các thiết bị đính kèm đang được sử dụng. Titan được sử dụng với số lượng ít hơn, nhưng có các hợp kim titan và hợp kim titan nguyên chất ở dạng tấm, ren, ổ cắm và giỏ như trong hình. Những bộ phận này được dẫn trực tiếp vào xương hàm và được phủ một lớp apatit, đại diện cho thành phần của xương, để cố định vào phần nướu của răng. Titan thích hợp cho cấy ghép kim loại trong nha khoa tổng quát. Có hai phương pháp, phương pháp đúc chính xác và phương pháp tạo hình siêu dẻo, nó có trọng lượng nhẹ hơn và không có mùi vị khó chịu đối với thực phẩm có tính axit so với các hợp kim coban và crom trước đây, nhưng do việc sử dụng titan không được bao phủ bởi bảo hiểm y tế chẩn đoán và điều trị thì giá thành đắt hơn.

Là một phụ kiện cấy ghép cho nội khoa, máy điều hòa nhịp tim có thể được cấy ghép khi bệnh nhân có nhịp tim thấp. Một dây điện cực được đưa từ tĩnh mạch dưới đòn đến tim và điện cực này truyền tín hiệu điện tử đến máy điều hòa nhịp tim, biến nó thành máy điều hòa nhịp tim. Gần đây, máy điều hòa nhịp tim đã được phát triển với khối lượng 20g và độ dày 6 mm, đủ nhỏ để nối với dây điện cực và chôn dưới da. Pin và mạch điều khiển được đựng trong một hộp nhỏ (mề đay) làm bằng titan nguyên chất, không gây xâm hại đến sinh vật sống. Pin phải có tuổi thọ ít nhất là 6 năm nên hộp đựng (mề đay) yêu cầu phải ổn định và an toàn trong thời gian dài. Hiện tại, gần 5,000 người ở Nhật Bản đã được hưởng lợi.

Titan cũng được sử dụng trong dụng cụ phẫu thuật. Đặc biệt trong trường hợp các ca phẫu thuật não và phẫu thuật thần kinh kéo dài hơn 10 giờ, kẹp phải có trọng lượng nhẹ và các sản phẩm titan được sử dụng cho kẹp cầm máu và những thứ tương tự. Titanium cũng được sử dụng trong nhiều dụng cụ điều trị nha khoa như cấy ghép, dụng cụ phẫu thuật để gắn và máy rung để loại bỏ cao răng. Ngoài việc cấy ghép và gắn kết, chẳng hạn như thiết bị phụ trợ và xe lăn, titan cũng đang được sử dụng. Khi một phần của chi bị mất do bệnh tật hoặc tai nạn, một bộ phận giả được tạo ra để phục hồi chức năng và vì phần chính của bộ phận giả được làm bằng kim loại nên nó được áp dụng về độ nhẹ, độ bền (chủ yếu là chống ăn mòn và khả năng chống mỏi), và khả năng tương thích với các sinh vật sống (Ni, Cr, v.v.). Đối với xe lăn, mục tiêu chính là làm cho toàn bộ xe lăn nhẹ hơn, vì vậy trong một số trường hợp, titan được sử dụng cho hầu hết các bộ phận kim loại trong cấu trúc, chẳng hạn như khung và bánh xe.