วัสดุและการใช้งานโลหะผสมไทเทเนียมชีวการแพทย์

วัสดุและการใช้งานโลหะผสมไทเทเนียมชีวการแพทย์

วัสดุโลหะผสมไททาเนียมชีวการแพทย์หมายถึงประเภทของวัสดุโครงสร้างเชิงหน้าที่ที่ใช้ในวิศวกรรมชีวการแพทย์ โดยเฉพาะสำหรับการผลิตและการผลิตการปลูกถ่ายศัลยกรรมและผลิตภัณฑ์อุปกรณ์เกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูก การผลิตและการเตรียมวัสดุแปรรูปโลหะผสมไทเทเนียมเกี่ยวข้องกับสาขาโลหะวิทยา การแปรรูปด้วยแรงดัน วัสดุคอมโพสิต และอุตสาหกรรมเคมี และเป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้เทคโนโลยีชั้นสูงที่ได้รับการยอมรับในโลก โลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมค่อยๆ เข้าสู่การบริโภคของพลเรือนจากด้านการบินและอวกาศ การบิน และการป้องกันประเทศ ผลิตภัณฑ์เช่นการปลูกถ่ายและอุปกรณ์ทางการแพทย์ในอุตสาหกรรมการแพทย์และสุขภาพ ไม้กอล์ฟไทเทเนียมในอุตสาหกรรมกีฬาและการพักผ่อน เช่นเดียวกับกรอบแว่นตาไทเทเนียม นาฬิกาไทเทเนียม จักรยานไทเทเนียม และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ความต้องการวัสดุแปรรูปไทเทเนียมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ด้วยการพัฒนาอย่างแข็งแกร่งและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพ อุตสาหกรรมวัสดุและผลิตภัณฑ์โลหะชีวการแพทย์จะพัฒนาเป็นอุตสาหกรรมหลักของเศรษฐกิจโลก ในหมู่พวกเขา ไทเทเนียมและโลหะผสมมีความต้องการเติบโตอย่างรวดเร็วและมั่นคงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากคุณสมบัติที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยม เช่น น้ำหนักเบา โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ ปลอดสารพิษและไม่เป็นแม่เหล็ก ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงสูง และความเหนียวที่ดี ในขณะเดียวกัน เมื่อโลหะผสมไทเทเนียมเริ่มเข้าสู่การทำศัลยกรรมพลาสติกและสาขาอื่น ๆ ความต้องการของตลาดที่มีศักยภาพใหม่ก็เกิดขึ้น และตลาดโลหะผสมไทเทเนียมจะเติบโตเร็วขึ้นในอนาคต

ความคืบหน้าการวิจัยโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์

1.1 การจำแนกประเภทของโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์

โลหะผสมไทเทเนียมสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทตามประเภทของโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ: ประเภท α, ประเภท α+β และโลหะผสมไทเทเนียมประเภท β

1.2 แนวโน้มการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์

หลังจากการวิจัยวรรณกรรม พบว่านักวิจัยที่เกี่ยวข้องทั้งในและต่างประเทศเชื่ออย่างเป็นเอกฉันท์ว่าการพัฒนาของ โลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ ผ่านสามขั้นตอนอันเป็นสัญลักษณ์ ขั้นตอนแรกแสดงด้วยไทเทเนียมบริสุทธิ์และโลหะผสม Ti-6Al-4V ขั้นตอนที่สองแสดงโดยโลหะผสม Ti New α+β แสดงโดย -5A1-2.5Fe และ Ti-6A1-7Nb ขั้นตอนที่สามเป็นขั้นตอนหลักในการพัฒนาและพัฒนาโลหะผสมเบต้าไทเทเนียมที่มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีขึ้นและโมดูลัสยืดหยุ่นที่ต่ำกว่า ในอุดมคติ วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมชีวการแพทย์ ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ ความหนาแน่นต่ำ คุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนที่ดี ปลอดสารพิษ ความแข็งแรงให้ผลผลิตสูง อายุการใช้งานยาวนาน และมีความเป็นพลาสติกขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิห้อง ขึ้นรูปง่าย หล่อง่าย ฯลฯ โลหะผสมที่สำคัญที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุปลูกฝัง ได้แก่ Ti-6A1-4V และ Ti-6A1-4VELI มีรายงานในวรรณคดีว่าธาตุ V สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเนื้อเยื่อเนื้อร้ายและอาจมีผลข้างเคียงที่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ ในขณะที่ธาตุอัลสามารถทำให้เกิดโรคกระดูกพรุนและความผิดปกติทางจิตได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุชีวภาพมุ่งมั่นที่จะสำรวจและค้นคว้าวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมชีวการแพทย์ตัวใหม่ของ Al ที่ปราศจาก V โดยก่อนหน้านั้นจำเป็นต้องพิจารณาว่าธาตุโลหะผสมชนิดใดเหมาะสมที่จะเติมซึ่งมีทั้งปลอดสารพิษและเข้ากันได้ทางชีวภาพ . การศึกษาพบว่าโลหะผสมเบต้าไทเทเนียมที่มีองค์ประกอบที่ไม่เป็นพิษ เช่น โมลิบดีนัม ไนโอเบียม แทนทาลัม และเซอร์โคเนียมมีองค์ประกอบที่ทำให้เสถียรเบต้าในปริมาณที่สูงกว่า และมีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่า (E=55~ 80GPa) และประสิทธิภาพแรงเฉือนที่ดีขึ้นและ ความเหนียวเหมาะสำหรับการปลูกฝังในร่างกายมนุษย์เป็นการฝังมากกว่า

การใช้โลหะผสมไทเทเนียม

2.1 พื้นฐานทางการแพทย์ของโลหะผสมไทเทเนียม

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้ไททาเนียมและไททาเนียมอัลลอยด์ในการปลูกถ่ายของมนุษย์คือ: (1) ความหนาแน่น (20°C) = 4.5 ก./ซม.3 และมีน้ำหนักเบา ฝังลงในร่างกายมนุษย์: ลดภาระในร่างกายมนุษย์ ในฐานะอุปกรณ์ทางการแพทย์: ลดภาระการปฏิบัติงานของบุคลากรทางการแพทย์ (2) โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ และไทเทเนียมบริสุทธิ์คือ 108500MPa เมื่อฝังเข้าไปในร่างกายมนุษย์: ใกล้กับกระดูกตามธรรมชาติของร่างกายมนุษย์ซึ่งเอื้อต่อการปลูกถ่ายกระดูกและลดผลกระทบจากการป้องกันความเครียดของกระดูกบนรากฟันเทียม (3) ไม่เป็นแม่เหล็ก ไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและพายุฝนฟ้าคะนอง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อความปลอดภัยของมนุษย์หลังการใช้งาน (4) ไม่เป็นพิษและไม่มีพิษหรือผลข้างเคียงต่อร่างกายมนุษย์ในฐานะการปลูกถ่าย (5) ความต้านทานการกัดกร่อน (วัสดุโลหะเฉื่อยทางชีวภาพ) มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่แช่เลือดมนุษย์ และรับประกันความเข้ากันได้ดีกับเลือดและเนื้อเยื่อเซลล์ของมนุษย์ เนื่องจากเป็นการปลูกถ่ายจึงไม่ก่อให้เกิดมลภาวะต่อมนุษย์และไม่เป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ ปฏิกิริยาการแพ้จะเกิดขึ้นซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับการใช้ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม (6) มีความแข็งแรงสูงและความเหนียวที่ดี ความเสียหายของกระดูกและข้อเนื่องจากบาดแผล เนื้องอก และปัจจัยอื่นๆ ในการสร้างโครงกระดูกที่มั่นคง ต้องใช้แผ่นโค้ง สกรู กระดูกเทียม ข้อต่อ ฯลฯ รากฟันเทียมเหล่านี้จะต้องถูกปล่อยทิ้งไว้เป็นเวลานาน ร่างกายมนุษย์จะต้องถูกดัด บิด บีบ การหดตัวของกล้ามเนื้อ และผลกระทบอื่นๆ ของร่างกายมนุษย์ ทำให้ต้องใช้วัสดุเสริมที่มีความแข็งแรงและเหนียวสูง

2.2 สาขาการแพทย์และกระดูกของโลหะผสมไทเทเนียม

สถานการณ์ตลาด ด้วยการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียม การเพิ่มขึ้นของพันธุ์วัสดุไทเทเนียม และการลดราคา การประยุกต์ใช้ไทเทเนียมในอุตสาหกรรมพลเรือนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า CFDA แบ่งอุปกรณ์ทางการแพทย์ออกเป็นสามระดับตามความปลอดภัยจากสูงไปต่ำ และได้รับการดูแลและจัดการโดยรัฐบาลทั้งสามระดับตามลำดับ รากฟันเทียมที่ทำจากวัสดุไททาเนียมและโลหะผสมไททาเนียมจัดอยู่ในประเภทที่สามของอุปกรณ์การแพทย์และเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่มีมูลค่าสูง ภาคส่วนย่อยซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 5% ของตลาดประกอบด้วย XNUMX ส่วนหลัก ได้แก่ การวินิจฉัยภายนอกร่างกาย โรคหัวใจ การถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัย ศัลยกรรมกระดูก จักษุวิทยา และศัลยกรรมพลาสติก หนึ่งในนั้นคือ การวินิจฉัยภายนอกร่างกาย ศัลยกรรมกระดูก และการแทรกแซงหัวใจ ถือเป็นสินค้าอุปโภคบริโภคที่มีมูลค่าสูงที่เติบโตเร็วที่สุดในจีน การใช้ไทเทเนียมชีวการแพทย์และวัสดุโลหะผสมได้ผ่านขั้นตอนที่โดดเด่นสามขั้นตอน: การใช้งานครั้งแรก ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ครั้งแรกในสหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกา ไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตแผ่นกระดูก สกรู ตะปูในไขกระดูก และสะโพก ข้อต่อ บริษัท Mathys ในสวิสเซอร์แลนด์ยังใช้โลหะผสม Ti-6A1-7Nb ในการผลิตระบบเล็บภายในไขกระดูกแบบล็อคแบบไม่ขยาย (รวมถึงกระดูกหน้าแข้ง กระดูกต้นแขน และกระดูกโคนขา) และสกรูกลวงสำหรับการรักษากระดูกต้นขาหัก วัสดุออกฤทธิ์ทางชีวภาพของโลหะผสม Ni-Ti (PNT) ที่มีรูพรุนใช้ในการผลิตกรงฟิวชันระหว่างกระดูกสันหลังส่วนคอและเอว (Cage) บริษัท BIORTHEX ของแคนาดาได้พัฒนากรงฟิวชันระหว่างกระดูกสันหลังส่วนคอและเอวที่ผลิตจากโลหะผสม Ni-Ti ที่มีรูพรุน ACTIPORE G ซึ่งเป็นวัสดุที่ได้รับการจดสิทธิบัตรแล้ว สำหรับการรักษาอาการบาดเจ็บที่กระดูกสันหลังเกี่ยวกับกระดูกและข้อ โลหะผสมเบต้าไทเทเนียมใหม่สามารถใช้เป็นวัสดุขั้นสูงเพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ เช่น ศัลยกรรมกระดูก ทันตกรรม และการแทรกแซงหลอดเลือด อุตสาหกรรมอุปกรณ์การแพทย์เกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูกคิดเป็น 9% ของส่วนแบ่งตลาดอุปกรณ์การแพทย์ทั่วโลกและยังคงเติบโตอย่างรวดเร็ว ตลาดอุปกรณ์การแพทย์เกี่ยวกับกระดูกและข้อแบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลักๆ ได้แก่ การบาดเจ็บ ข้อต่อ กระดูกสันหลัง และอื่นๆ การบาดเจ็บเป็นเพียงส่วนเดียวที่ปัจจุบันไม่มีส่วนแบ่งการตลาดหลักที่บริษัทต่างชาติครอบครอง เหตุผลหลักคือผลิตภัณฑ์ในด้านนี้มีเนื้อหาทางเทคนิคต่ำ เลียนแบบได้ง่าย และใช้งานยากน้อยกว่า สามารถทำได้ในโรงพยาบาลระดับ 2 และ 3 หลายแห่ง และบริษัทต่างชาติก็ไม่สามารถครอบคลุมได้ทั้งหมด ผลิตภัณฑ์การบาดเจ็บสามารถแบ่งออกเป็นอุปกรณ์ตรึงภายในและอุปกรณ์ตรึงภายนอก ผลิตภัณฑ์การบาดเจ็บจากการตรึงภายใน ได้แก่ เล็บไขกระดูก แผ่นกระดูก สกรู ฯลฯ ในปี 2012 การบาดเจ็บคิดเป็น 34% ของตลาดศัลยกรรมกระดูกในประเทศ ข้อต่อ 28% กระดูกสันหลัง 20% และอื่นๆ 18% ข้อต่อขนาดใหญ่เป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ระดับไฮเอนด์ที่มีอุปสรรคทางเทคนิคสูง ปัจจุบันโรงพยาบาลกระแสหลักใช้วัสดุกระดูกนำเข้าเป็นหลัก ยังคงมีช่องว่างระหว่างผลิตภัณฑ์ในประเทศและนำเข้าในด้านเทคโนโลยี การออกแบบ การวิจัยและพัฒนา วัสดุ กระบวนการปรับสภาพพื้นผิว ฯลฯ ข้อต่อเทียมส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นข้อเข่าเทียม สะโพก ข้อศอก ไหล่ นิ้วและนิ้วเท้า เป็นต้น การเปลี่ยนข้อที่สำคัญที่สุด ได้แก่ ข้อสะโพกและข้อเข่า ซึ่งรวมกันแล้วคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 95% ของตลาดการเปลี่ยนข้อทั่วโลก อุปกรณ์ปลูกถ่ายกระดูกสันหลัง ได้แก่ ระบบแผ่นเล็บบริเวณทรวงอก ระบบแผ่นเล็บกระดูกสันหลังส่วนคอ และระบบฟิวชันเคจ ซึ่งระบบกรงระหว่างกระดูกสันหลังส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการรักษาการเปลี่ยนหมอนรองกระดูกสันหลัง และยังเป็นส่วนที่สำคัญที่สุด โดยคิดเป็นประมาณตลาดของการปลูกถ่ายกระดูกสันหลังทั้งหมด .

สรุป

คุณสมบัติที่เหนือกว่าของโลหะผสมไทเทเนียมมีส่วนทำให้เป็นผู้นำในด้านการแพทย์ เทคโนโลยีการออกแบบและการเตรียมวัสดุของโลหะผสมไททาเนียมมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพและความต้องการการใช้งานทางการแพทย์ที่มีขนาดใหญ่ ที่ โลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ ที่ผลิตในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นโลหะผสมไทเทเนียมชนิดα+β จากมุมมองของเทคโนโลยีการเตรียมการ ปัจจุบันการผลิต TC4 (TC4ELI) ครองส่วนแบ่งตลาดหลัก โลหะผสมไทเทเนียมชนิด β มีข้อได้เปรียบบางประการในด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความเข้ากันได้ทางกล ดังนั้นจึงกลายเป็นจุดสำคัญในการวิจัยสำหรับโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ชนิดใหม่ และเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพมากที่สุดในด้านการปลูกถ่ายทางการแพทย์ ในอนาคต เทคโนโลยีการผลิตโลหะผสมไทเทเนียมควรพัฒนาไปในทิศทางของโมดูลัสต่ำ ความแข็งแรงสูง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี และความเข้ากันได้ทางกล จากมุมมองของแนวโน้มการพัฒนา โลหะผสมไทเทเนียมชนิดβจะกลายเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตและเป็นกระแสหลักของตลาดโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์