Zusammenfassung: Mit der rasanten Entwicklung und den großen Durchbrüchen der Biotechnologie wächst die Nachfrage nach biomedizinischen Titanlegierungen rasant. Aufgrund der Pathogenität von V und Al in den weit verbreiteten medizinischen Titanlegierungen wie TC4 und TC4ELI hat die Erforschung und Entwicklung neuer medizinischer Titanlegierungen jedoch in meinem Land große praktische Bedeutung und breite Marktaussichten. Dieser Artikel beschreibt kurz die Klassifizierung, die grundlegenden Eigenschaften und die Anwendungsbasis von biomedizinischen Titanlegierungen; weist auf seinen Entwicklungstrend im medizinischen Bereich hin; und fasst die grundlegenden Verarbeitungs- und Vorbereitungsmethoden und Leistungsbewertungsmethoden neuer β-Titanlegierungen zusammen.
Schlüsselwörter: medizinische Titanlegierung; Entwicklung; Forschungsfortschritt; wird bearbeitet
Biomedizinisches Titanlegierungsmaterial bezieht sich speziell auf eine Klasse von funktionellen Strukturmaterialien, die in der Biomedizintechnik verwendet werden, insbesondere bezieht sich auf die Herstellung und Herstellung von chirurgischen Implantaten und orthopädischen Geräten [1]. Die Herstellung und Aufbereitung von Verarbeitungsmaterialien für Titanlegierungen umfasst die Bereiche Metallurgie, Druckverarbeitung, Verbundwerkstoffe und Chemikalien und ist weltweit als High-Tech-Produkt anerkannt. Titan und Titanlegierungen sind nach und nach in den zivilen Verbrauch aus der Luft- und Raumfahrt, der Luftfahrt, der Landesverteidigung und der Militärindustrie eingetreten [2]. Produkte wie Implantate und medizinische Geräte in der Medizin- und Gesundheitsindustrie; Titan-Golfschläger in der Sport- und Freizeitindustrie, Titan-Brillenfassungen, Titan-Uhren, Titan-Fahrräder und andere Produkte werden zunehmend für titanverarbeitete Materialien nachgefragt. Mit der energischen Entwicklung und den großen Durchbrüchen der Biotechnologie wird sich die Industrie biomedizinischer Metallwerkstoffe und ihrer Produkte zu einer tragenden Industrie der Weltwirtschaft entwickeln [3]. Unter diesen stützen sich Titan und seine Legierungen auf ausgezeichnete umfassende Eigenschaften wie geringes Gewicht, niedriger Elastizitätsmodul, ungiftig, nicht magnetisch, Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und gute Zähigkeit. Auch die Nachfrage nach Titan und seinen Legierungen ist in den letzten Jahren rasant und stetig gestiegen [4]. Gleichzeitig entstehen mit dem Eintritt von Titanlegierungen in die plastische Chirurgie und andere Bereiche neue potenzielle Marktanforderungen, und der Markt für Titanlegierungen wird in Zukunft schneller wachsen.
1 Forschungsfortschritt medizinischer Titanlegierungen
1.1 Klassifizierung medizinischer Titanlegierungen
Titanlegierungen können je nach Art der Materialmikrostruktur in drei Typen unterteilt werden: α-Typ, α+β-Typ und β-Typ Titanlegierung.
1.2 Der Entwicklungstrend medizinischer Titanlegierungen
Laut einer Literaturübersicht [8-14] sind sich einschlägige Forscher im In- und Ausland einig, dass die Entwicklung medizinischer Titanlegierungen drei ikonische Stadien durchlaufen hat. Die erste Stufe wird durch reines Titan und Ti-6Al-4V-Legierung repräsentiert; Die zweite Stufe ist ein neuer Typ einer α+β-Legierung, dargestellt durch Ti-5A1-2.5Fe und Ti-6A1-7Nb; die dritte Stufe besteht hauptsächlich darin, β-Titan mit besserer Biokompatibilität und niedrigerem Elastizitätsmodul zu entwickeln und zu entwickeln. Die Stufe der Legierung. Das ideale biomedizinische Titanlegierungsmaterial[15] muss die folgenden Bedingungen erfüllen: gute Biokompatibilität, niedriger Elastizitätsmodul, geringe Dichte, gute Korrosionsschutzleistung, ungiftig, hohe Streckgrenze, lange Lebensdauer und hohe Temperatur bei Raumtemperatur . Große Plastizität, leichte Formgebung, leichtes Gießen usw. Derzeit sind die wichtigsten Legierungen, die in Implantatmaterialien weit verbreitet sind, Ti-6A1-4V und Ti-6A1-4VELI. In der Literatur [16-19] wurde berichtet, dass V-Element bösartige Gewebereaktionen verursachen und toxische Nebenwirkungen auf den menschlichen Körper haben kann, während Al Osteoporose und psychische Störungen verursachen kann; Um dieses Problem zu lösen, sind aktuelle Biomaterial-Wissenschaftler auf der Suche nach neuen biomedizinischen Titanlegierungsmaterialien, die kein V und Al enthalten das Prinzip der Biokompatibilität. Studien [20-23] ergaben, dass β-Titanlegierungen, die Molybdän, Niob, Tantal, Zirkonium und andere nicht toxische Elemente enthalten, einen höheren Gehalt an β-stabilisierenden Elementen enthalten und einen niedrigeren Elastizitätsmodul im Vergleich zu α+β . aufweisen Titanlegierungen (E=55~80GPa) und bessere Scherleistung und Zähigkeit, besser geeignet für die Implantation in den menschlichen Körper als Implantat.
2 Anwendung von Titanlegierungen
2.1 Medizinische Basis der Titanlegierung
Die Hauptvorteile der Verwendung von Titan und Titanlegierungen als menschliche Implantate sind: (1) Dichte (20°C)=4,5 g/cm³, geringes Gewicht. Im menschlichen Körper implantiert: Reduzierung der Belastung des menschlichen Körpers, als Medizinprodukt: Reduzierung der betrieblichen Belastung des medizinischen Personals. (2) Der Elastizitätsmodul ist niedrig und reines Titan beträgt 108500 MPa. Es wird in den menschlichen Körper implantiert: Es ist näher am natürlichen Knochen des menschlichen Körpers, was der Knochenverbindung förderlich ist und die Stressabschirmungswirkung des Knochens auf das Implantat verringert. (3) Nicht magnetisch, nicht durch elektromagnetische Felder und Gewitter beeinflusst, was der Sicherheit des menschlichen Körpers nach dem Gebrauch zugute kommt. (4) Ungiftig, als Implantat hat es keine toxischen und Nebenwirkungen auf den menschlichen Körper. (5) Korrosionsbeständigkeit (biologisch inertes Metallmaterial). Es hat eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in der Immersionsumgebung von menschlichem Blut, gewährleistet eine gute Verträglichkeit mit menschlichem Blut und Zellgewebe und verursacht als Implantat keine Verschmutzung des menschlichen Körpers. Es treten allergische Reaktionen auf, was die Grundvoraussetzung für die Anwendung von Titan und Titanlegierungen ist. (6) Hohe Festigkeit und gute Zähigkeit. Schäden an Knochen und Gelenken durch Traumata, Tumore und andere Faktoren. Um ein stabiles Knochengerüst aufzubauen, müssen gebogene Platten, Schrauben, künstliche Knochen und Gelenke etc. verwendet werden und diese Implantate sollten lange belassen werden. Der menschliche Körper ist den Biege-, Dreh-, Quetsch- und Muskelkontraktionskräften des menschlichen Körpers ausgesetzt, was eine hohe Festigkeit und Zähigkeit des Implantats erfordert.
2.2 Der medizinische Bereich und Orthopädiebereich der Titanlegierung
Marktsituation Mit der Entwicklung von Titanlegierungen, der Zunahme der Vielfalt der Titanwerkstoffe und dem Rückgang der Preise hat die Verwendung von Titan in der zivilen Industrie exponentiell zugenommen. CFDA teilt Medizinprodukte entsprechend ihrer Sicherheit von hoch bis niedrig in drei Stufen ein und wird von drei Regierungsebenen überwacht und verwaltet. Implantate aus Titan und Titanlegierungen gehören zur dritten Kategorie von Medizinprodukten und sind hochwertige Verbrauchsmaterialien. . Zu den Teilbranchen, die mehr als 5 % des Marktsegments ausmachen, gehören In-vitro-Diagnostik, Kardiologie, bildgebende Diagnostik, Orthopädie, Augenheilkunde und plastische Chirurgie. Darunter sind In-vitro-Diagnostik, Orthopädie und Herzintervention die am schnellsten wachsenden hochwertigen Verbrauchsmaterialien in China. Die Anwendung von biomedizinischem Titan und seinen Legierungsmaterialien hat drei ikonische Stadien durchlaufen [27]: In den frühen 1950er Jahren wurde zunächst im Vereinigten Königreich und in den Vereinigten Staaten kommerzielles Reintitan zur Herstellung von Knochenplatten, Schrauben, Marknägeln und Hüftnägeln verwendet Gelenke. . Das Schweizer Unternehmen Mathys verwendet auch die Ti-6A1-7Nb-Legierung zur Herstellung von nicht aufgebohrten ineinandergreifenden Marknagelsystemen (einschließlich Tibia, Humerus und Femur) und Hohlschrauben zur Behandlung von Schenkelhalsfrakturen. Bioaktive Materialien aus poröser Ni-Ti-Legierung (PNT) zur Herstellung von zervikalen und lumbalen Wirbelkörper-Fusionskäfigen (Cage) Das kanadische Unternehmen BIORTHEX hat die Verwendung des patentierten Materials ACTIPORE aus einer porösen Ni-Ti-Legierung zur Herstellung von zervikalen und lumbalen Wirbelkörper-Fusionskäfigen für die Behandlung von orthopädischen Wirbelsäulen entwickelt Verletzungen. Die neue β-Titan-Legierung ist ein fortschrittliches Material für die Orthopädie, Zahnheilkunde und Gefäßintervention, das 9 % des weltweiten Marktanteils von Medizinprodukten ausmacht und weiterhin schnell wächst. Der Markt für orthopädische Medizinprodukte ist hauptsächlich in vier Bereiche unterteilt: Trauma, Gelenke, Wirbelsäule und andere. Unter ihnen ist Trauma derzeit der einzige Unterbereich, der nicht von ausländischen Unternehmen besetzt ist. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Produkte in diesem Bereich wenig Technologie haben, leicht zu imitieren und weniger schwierig zu bedienen sind. Viele sekundäre und tertiäre Krankenhäuser können es durchführen, und ausländische Unternehmen können es nicht vollständig abdecken. . Trauma-Produkte können in interne Fixations- und externe Fixationsgeräte unterteilt werden. Zu den Traumaprodukten der internen Fixation gehören Marknägel, Knochenplatten und Schrauben. Im Jahr 2012 entfielen 34 % der Traumata, 28 % der Gelenke, 20 % der Wirbelsäule und anderer auf den heimischen Orthopädiemarkt. 18%. Große Gelenke sind High-End-Medizinprodukte mit hohen technischen Barrieren. Derzeit importieren die etablierten Krankenhäuser hauptsächlich orthopädisches Material. In Bezug auf Technologie, Design, Forschung und Entwicklung, Materialien und Oberflächenbehandlungsverfahren klafft noch immer eine Kluft zwischen einheimischen und importierten Produkten. . Künstliche Gelenke werden hauptsächlich in künstliche Knie-, Hüft-, Ellenbogen-, Schulter-, Finger-, Zehengelenke usw. unterteilt. Zu den wichtigsten Gelenkersatzteilen gehören Hüft- und Kniegelenke, die zusammen 95 % des weltweiten Gelenkersatzmarktes übersteigen. Zu den Wirbelsäulenimplantaten gehören das Plattensystem der thorakolumbalen Wirbelsäule, das Plattensystem der Halswirbelsäule und das Fusionskäfigsystem, von denen das Bandscheibensystem hauptsächlich für die Behandlung des Bandscheibenersatzes verwendet wird und auch das wichtigste Segment ist, das etwa den gesamten Anteil ausmacht Wirbelsäulenimplantatmarkt Die Hälfte davon.
3 Fazit
Die überlegene Leistung der Titanlegierung hat ihre führende Position im medizinischen Bereich erreicht. Das Materialdesign und die Herstellungstechnologie von Titanlegierungen wurden mit dem Durchbruch der Biotechnologie und der massiven Nachfrage nach medizinischen Anwendungen schnell weiterentwickelt. Die derzeit hergestellten medizinischen Titanlegierungen sind hauptsächlich Titanlegierungen vom α+β-Typ. Aus Sicht des Aufbereitungsprozesses nimmt die Produktion von TC4 (TC4ELI) derzeit einen großen Marktanteil ein. Die Titanlegierung vom β-Typ hat bestimmte Vorteile in Bezug auf Biokompatibilität und mechanische Kompatibilität, so dass sie sich zu einem Forschungs-Hotspot für neue medizinische Titanlegierungen entwickelt hat und die vielversprechendste Technologie im Bereich medizinischer Implantate ist. Zukünftig soll sich die Produktionstechnologie von Titanlegierungen in Richtung niedrigem Modul, hoher Festigkeit, guter Biokompatibilität und mechanischer Verträglichkeit entwickeln. Aus der Perspektive der Entwicklungstrends werden β-Typ-Titanlegierungen die Richtung der zukünftigen Entwicklung und der Mainstream des Marktes für medizinische Titanlegierungen werden.
