Materiais e aplicações de ligas de titânio biomédicas

Materiais e aplicações de ligas de titânio biomédicas

Os materiais biomédicos de liga de titânio referem-se especificamente a um tipo de materiais estruturais funcionais usados ​​em engenharia biomédica, especificamente para a produção e fabricação de implantes cirúrgicos e produtos de dispositivos ortopédicos. A produção e preparação de materiais de processamento de liga de titânio envolvem as áreas de metalurgia, processamento de pressão, materiais compósitos e indústria química, e é um produto de alta tecnologia reconhecido no mundo. O titânio e as ligas de titânio entraram gradualmente no campo do consumo civil nas áreas aeroespacial, aviação e defesa nacional. Produtos como implantes e dispositivos médicos na indústria médica e de saúde; tacos de golfe de titânio na indústria de esportes e lazer, bem como armações de óculos de titânio, relógios de titânio, bicicletas de titânio e outros produtos, a demanda por materiais processados ​​​​de titânio está aumentando constantemente. Com o desenvolvimento vigoroso e os avanços da biotecnologia, a indústria de materiais e produtos metálicos biomédicos se transformará em uma indústria pilar da economia mundial. Entre eles, o titânio e suas ligas têm experimentado um crescimento rápido e constante na demanda nos últimos anos devido às suas excelentes propriedades abrangentes, como peso leve, baixo módulo de elasticidade, não tóxico e não magnético, resistência à corrosão, alta resistência e boa tenacidade. Ao mesmo tempo, à medida que as ligas de titânio começam a entrar na cirurgia plástica e em outros campos, surgem novas demandas potenciais de mercado, e o mercado de ligas de titânio crescerá mais rapidamente no futuro.

Progresso da pesquisa de ligas médicas de titânio

1.1 Classificação de ligas médicas de titânio

As ligas de titânio podem ser divididas em três categorias de acordo com o tipo de microestrutura do material: tipo α, tipo α+β e liga de titânio tipo β.

1.2 Tendência de desenvolvimento de ligas médicas de titânio

Após pesquisa bibliográfica, constatou-se que pesquisadores relevantes no país e no exterior acreditam unanimemente que o desenvolvimento de ligas médicas de titânio passou por três fases icônicas. O primeiro estágio é representado por titânio puro e liga Ti-6Al-4V; o segundo estágio é representado pelas ligas Ti New α+β representadas por -5A1-2.5Fe e Ti-6A1-7Nb; a terceira etapa é a principal etapa de desenvolvimento e desenvolvimento de ligas de β-titânio com melhor biocompatibilidade e menor módulo de elasticidade. Ideal materiais biomédicos de liga de titânio deve atender às seguintes condições: boa biocompatibilidade, baixo módulo de elasticidade, baixa densidade, boas propriedades anticorrosivas, não tóxico, alto limite de escoamento, longa vida útil à fadiga e grande plasticidade à temperatura ambiente. , fácil de formar, fácil de fundir, etc. As ligas importantes que têm sido amplamente utilizadas em materiais de implante são Ti-6A1-4V e Ti-6A1-4VELI. Há relatos na literatura de que o elemento V pode causar reações malignas nos tecidos e pode ter efeitos colaterais tóxicos no corpo humano, enquanto o Al pode causar osteoporose e transtornos mentais. Para resolver este problema, os cientistas de biomateriais estão atualmente empenhados em explorar e pesquisar os novos materiais de liga de titânio biomédicos livres de V, antes disso, é necessário descobrir que tipo de elementos de liga são adequados para adicionar que sejam não tóxicos e biocompatíveis . Estudos descobriram que ligas de β-titânio contendo elementos não tóxicos, como molibdênio, nióbio, tântalo e zircônio, contêm um teor mais alto de elementos estabilizadores β e têm um módulo de elasticidade mais baixo (E = 55 ~ 80GPa) e melhor desempenho de cisalhamento e resistência, é mais adequado para implantação no corpo humano como um implante.

Aplicações de ligas de titânio

2.1 Base médica das ligas de titânio

As principais vantagens do uso de titânio e ligas de titânio como implantes humanos são: (1) Densidade (20°C) = 4.5g/cm3 e leveza. Implantado no corpo humano: reduza a carga no corpo humano; como dispositivo médico: reduza a carga operacional do pessoal médico. (2) O módulo de elasticidade é baixo e o titânio puro é 108500MPa. Quando implantado no corpo humano: fica mais próximo do osso natural do corpo humano, o que favorece o enxerto ósseo e reduz o efeito de proteção contra tensões do osso no implante. (3) Não magnético, não afetado por campos eletromagnéticos e trovoadas, o que é benéfico para a segurança humana após o uso. (4) Não é tóxico e não tem efeitos tóxicos ou colaterais no corpo humano como implante. (5) Resistência à corrosão (material metálico biologicamente inerte). Possui excelente resistência à corrosão no ambiente de imersão do sangue humano e garante boa compatibilidade com sangue humano e tecidos celulares. Como implante, não produz poluição humana e não é prejudicial ao corpo humano. Ocorrerão reações alérgicas, condição básica para a aplicação de titânio e ligas de titânio. (6) Alta resistência e boa tenacidade. Danos ósseos e articulares devido a traumas, tumores e outros fatores. Para estabelecer uma estrutura óssea estável, devem ser utilizadas placas de arco, parafusos, ossos artificiais, articulações, etc. Esses implantes devem permanecer no local por muito tempo. o corpo humano estará sujeito a flexão, torção, compressão, contração muscular e outros efeitos do corpo humano, exigindo que os implantes tenham alta resistência e tenacidade.

2.2 Campos médicos e ortopédicos de ligas de titânio

Situação do mercado Com o desenvolvimento das ligas de titânio, o aumento das variedades de materiais de titânio e a redução dos preços, a aplicação do titânio na indústria civil dobrou. O CFDA divide os dispositivos médicos em três níveis de acordo com a sua segurança, de alto a baixo, e são supervisionados e geridos pelos três níveis de governo, respetivamente. Os implantes feitos de titânio e materiais de liga de titânio pertencem à terceira categoria de dispositivos médicos e são consumíveis de alto valor. Os subsetores que respondem por mais de 5% do mercado incluem seis segmentos principais: diagnóstico in vitro, cardiologia, diagnóstico por imagem, ortopedia, oftalmologia e cirurgia plástica. Entre eles, o diagnóstico in vitro, a ortopedia e a intervenção cardíaca são os consumíveis de alto valor que mais crescem na China. A aplicação do titânio biomédico e de seus materiais de liga passou por três estágios icônicos: Aplicação inicial No início da década de 1950, primeiro no Reino Unido e nos Estados Unidos, o titânio comercialmente puro foi usado para fabricar placas ósseas, parafusos, hastes intramedulares e hastes de quadril. articulações. A empresa suíça Mathys também utiliza a liga Ti-6A1-7Nb para fabricar sistemas de hastes intramedulares de bloqueio não expandidas (incluindo tíbia, úmero e fêmur) e parafusos ocos para o tratamento de fraturas ósseas do colo femoral. O material bioativo de liga porosa de Ni-Ti (PNT) é usado para fabricar gaiolas de fusão intervertebral cervical e lombar (Cage). A empresa canadense BIORTHEX desenvolveu uma gaiola de fusão intervertebral cervical e lombar feita de liga porosa de Ni-Ti, material patenteado ACTIPORE G para o tratamento de lesões ortopédicas da coluna vertebral. A nova liga beta de titânio pode ser usada como um material avançado para diversas finalidades, como ortopedia, odontologia e intervenção vascular. A indústria de dispositivos médicos ortopédicos representa 9% da participação no mercado global de dispositivos médicos e ainda está crescendo rapidamente. O mercado de dispositivos médicos ortopédicos é segmentado principalmente em quatro áreas: trauma, articulações, coluna, entre outras. Dentre eles, o trauma é o único segmento que atualmente não possui grande participação de mercado ocupada por empresas estrangeiras. A principal razão é que os produtos desta área possuem baixo conteúdo técnico, são fáceis de imitar e menos difíceis de operar. Podem ser realizados em muitos hospitais de segundo e terceiro nível e as empresas estrangeiras não conseguem cobri-los integralmente. Os produtos de trauma podem ser divididos em dispositivos de fixação interna e dispositivos de fixação externa. Os produtos de fixação interna para trauma incluem hastes intramedulares, placas ósseas, parafusos, etc. Em 2012, o trauma representava 34% do mercado nacional de ortopedia, as articulações 28%, a coluna 20%, entre outros. 18%. Articulações grandes são dispositivos médicos de alta qualidade com altas barreiras técnicas. Atualmente, os principais hospitais utilizam principalmente materiais ortopédicos importados. Ainda existe uma lacuna entre produtos nacionais e importados em termos de tecnologia, design, pesquisa e desenvolvimento, materiais, processos de tratamento de superfície, etc. As articulações artificiais são divididas principalmente em joelhos artificiais, quadris, cotovelos, ombros, articulações dos dedos das mãos e dos pés, etc. Entre elas, as substituições articulares mais importantes incluem as articulações do quadril e do joelho, que juntas respondem por mais de 95% do mercado global de substituição articular. Os dispositivos de implante espinhal incluem sistemas de placas ungueais toracolombares, sistemas de placas ungueais da coluna cervical e sistemas de gaiola de fusão, entre os quais o sistema de gaiola intervertebral é usado principalmente para tratamento de substituição de disco intervertebral e também é o segmento mais importante, respondendo por aproximadamente todo o mercado de implantes espinhais .

Conclusão

As propriedades superiores das ligas de titânio contribuíram para a sua posição de liderança na área médica. A tecnologia de design e preparação de materiais de ligas de titânio desenvolveu-se rapidamente com os avanços na biotecnologia e a grande demanda por aplicações médicas. O ligas médicas de titânio atualmente produzidos são principalmente ligas de titânio do tipo α+β. Do ponto de vista da tecnologia de preparação, a produção de TC4 (TC4ELI) ocupa atualmente a principal participação de mercado. A liga de titânio tipo β tem certas vantagens em biocompatibilidade e compatibilidade mecânica, por isso se tornou um ponto de pesquisa para novas ligas médicas de titânio e é a tecnologia com maior potencial no campo de implantes médicos. No futuro, a tecnologia de produção de ligas de titânio deverá evoluir na direção de baixo módulo, alta resistência, boa biocompatibilidade e compatibilidade mecânica. Do ponto de vista das tendências de desenvolvimento, as ligas de titânio do tipo β se tornarão a direção de desenvolvimento futuro e a corrente principal do mercado de ligas de titânio médicas.