วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมชีวการแพทย์หมายถึงวัสดุโครงสร้างเชิงหน้าที่ชนิดหนึ่งที่ใช้ในวิศวกรรมชีวการแพทย์ โดยเฉพาะสำหรับการผลิตและการผลิตการปลูกถ่ายศัลยกรรมและเครื่องมือเกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูก [1] การผลิตและการเตรียมวัสดุแปรรูปโลหะผสมไทเทเนียมเกี่ยวข้องกับสาขาโลหะวิทยา การแปรรูปด้วยแรงดัน วัสดุคอมโพสิต และอุตสาหกรรมเคมี ได้รับการยอมรับว่าเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีเทคโนโลยีสูง-ในโลก โลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมค่อยๆ เข้าสู่การบริโภคพลเรือนจากอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การบิน การป้องกันประเทศ และการทหาร [2] เช่นการปลูกถ่ายและอุปกรณ์ทางการแพทย์ในอุตสาหกรรมการแพทย์และสุขภาพ ความต้องการวัสดุแปรรูปไทเทเนียมเพิ่มขึ้นสำหรับไม้กอล์ฟไทเทเนียม กรอบแว่นตาไทเทเนียม นาฬิกาไทเทเนียม จักรยานไทเทเนียม และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ในอุตสาหกรรมกีฬาเพื่อการพักผ่อน ด้วยการพัฒนาอย่างแข็งแกร่งและความก้าวหน้าครั้งใหญ่ของเทคโนโลยีชีวภาพ วัสดุโลหะชีวการแพทย์และอุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์จะพัฒนาเป็นอุตสาหกรรมหลักของเศรษฐกิจโลก [3] ในหมู่พวกเขา ความต้องการไทเทเนียมและโลหะผสมของไทเทเนียมก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากคุณสมบัติที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยม เช่น น้ำหนักเบา โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ ไม่-เป็นพิษและไม่เป็น-แม่เหล็ก ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงสูง และความเหนียวที่ดี [4] ในขณะเดียวกัน เมื่อโลหะผสมไทเทเนียมเริ่มเข้าสู่การทำศัลยกรรมพลาสติกและสาขาอื่น ๆ ความต้องการของตลาดที่มีศักยภาพใหม่ก็ปรากฏขึ้น และตลาดโลหะผสมไทเทเนียมจะเติบโตอย่างรวดเร็วมากขึ้นในอนาคต
ความคืบหน้าการวิจัยโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์
1.1 การจำแนกประเภทของโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์
โลหะผสมไทเทเนียมสามารถแบ่งออกเป็น: ประเภท + ประเภทและโลหะผสมไทเทเนียมประเภท 3
1.2 แนวโน้มการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์
จากการวิจัยวรรณกรรม [8-14] พบว่านักวิชาการวิจัยที่เกี่ยวข้องทั้งในและต่างประเทศเห็นพ้องกันว่าการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ได้ผ่านขั้นตอนสำคัญสามขั้นตอน ขั้นแรกแสดงด้วยไทเทเนียมบริสุทธิ์และโลหะผสม Ti-6Al-4V ขั้นที่สองคือขั้นใหม่ที่แสดงโดย ti-5a1-2.5fe และ ti-6a1-7nb + ประเภทโลหะผสม; ขั้นตอนที่สามส่วนใหญ่เป็นการพัฒนาและการพัฒนาความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีขึ้นและโมดูลัสยืดหยุ่นที่ต่ำกว่า - เวทีโลหะผสมไทเทเนียม วัสดุโลหะผสมไททาเนียมทางชีวการแพทย์ในอุดมคติ [15] ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ ความหนาแน่นต่ำ ประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อนที่ดี ปลอดสารพิษ ความแข็งแรงของผลผลิตสูง อายุการล้าที่ยาวนาน ความเป็นพลาสติกขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิห้อง ง่ายต่อการขึ้นรูป หล่อง่าย ฯลฯ ในปัจจุบัน โลหะผสมที่สำคัญที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุปลูกฝังคือ Ti-6A1-4V และ ti-6a1-4veli มีรายงานว่าธาตุ [16-19] V สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเนื้อเยื่อเนื้อร้าย และอาจเป็นพิษและผลข้างเคียงต่อร่างกายมนุษย์ ในขณะที่อัลสามารถทำให้เกิดโรคกระดูกพรุน โรคทางจิต และโรคอื่นๆ เพื่อที่จะแก้ไขปัญหานี้ นักวัสดุชีวภาพมุ่งมั่นที่จะสำรวจและศึกษาวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมทางชีวการแพทย์ใหม่ๆ ที่ไม่มี V และ al ก่อนหน้านั้นจำเป็นต้องค้นหาว่าธาตุโลหะผสมชนิดใดที่เหมาะกับการเติมซึ่งไม่เป็นพิษและสอดคล้องกับหลักความเข้ากันได้ทางชีวภาพ การศึกษาบางชิ้น [20-23] พบว่ามีองค์ประกอบที่ไม่เป็นพิษ เช่น โมลิบดีนัม ไนโอเบียม แทนทาลัม และเซอร์โคเนียม โลหะผสมไทเทเนียมมีองค์ประกอบที่มีความเสถียรสูง และ + เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมไทเทเนียมประเภท 1 จะมีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่า (E=55 ~ 80gpa) คุณสมบัติแรงเฉือนและความเหนียวที่ดีกว่า และเหมาะสำหรับการฝังในร่างกายมนุษย์มากกว่า
2 การใช้โลหะผสมไทเทเนียม
2.1 พื้นฐานทางการแพทย์ของโลหะผสมไทเทเนียม
ข้อดีของการใช้ไททาเนียมและไททาเนียมอัลลอยด์เป็นการปลูกถ่ายของมนุษย์คือ: (1) ความหนาแน่น (20 องศา )=4.5g/cm3 น้ำหนักเบา การปลูกฝังเข้าสู่ร่างกายมนุษย์: ลดภาระของร่างกายมนุษย์ ในฐานะอุปกรณ์ทางการแพทย์: ลดภาระการปฏิบัติงานของบุคลากรทางการแพทย์ (2) โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำ และไทเทเนียมบริสุทธิ์คือ 108500mpa ฝังอยู่ในร่างกายมนุษย์: ใกล้กับกระดูกตามธรรมชาติของร่างกายมนุษย์ซึ่งเอื้อต่อการเชื่อมต่อของกระดูกและลดผลการป้องกันความเครียดของกระดูกบนรากฟันเทียม (3) ไม่เป็นแม่เหล็ก ไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและสภาพอากาศที่มีพายุฝนฟ้าคะนอง ซึ่งเอื้อต่อความปลอดภัยของมนุษย์หลังการใช้งาน (4) ปลอดสารพิษ เนื่องจากเป็นการฝังจึงไม่มีผลข้างเคียงต่อร่างกายมนุษย์ (5) ความต้านทานการกัดกร่อน (วัสดุโลหะเฉื่อยทางชีวภาพ) ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมการแช่ของเลือดมนุษย์ เข้ากันได้ดีกับเลือดและเนื้อเยื่อของมนุษย์ ไม่มีมลภาวะของมนุษย์และปฏิกิริยาภูมิแพ้ในฐานะการปลูกถ่าย ซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับการใช้ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม (6) มีความแข็งแรงสูงและความเหนียวดี ความเสียหายของกระดูกและข้อเกิดจากบาดแผล เนื้องอก และปัจจัยอื่นๆ ในการสร้างโครงกระดูกที่มั่นคง ต้องใช้แผ่นโค้ง สกรู กระดูกเทียม และข้อต่อ การปลูกถ่ายเหล่านี้ควรเก็บไว้ในร่างกายมนุษย์เป็นเวลานาน และจะได้รับผลกระทบจากการดัด การบิด การอัดขึ้นรูป และการหดตัวของกล้ามเนื้อในร่างกายมนุษย์ จำเป็นต้องมีความแข็งแรงและความเหนียวสูง
2.2 สาขาการแพทย์และกระดูกของโลหะผสมไทเทเนียม
สถานการณ์ตลาดที่มีการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียม การเพิ่มขึ้นของพันธุ์ไทเทเนียมและการลดราคา การใช้ไทเทเนียมในอุตสาหกรรมพลเรือนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า CFDA แบ่งอุปกรณ์ทางการแพทย์ออกเป็นสามระดับตามความปลอดภัยจากสูงไปต่ำ และรัฐบาลสามระดับ-ดูแลและจัดการอุปกรณ์ตามลำดับ รากฟันเทียมที่ทำจากวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมจัดอยู่ในอุปกรณ์การแพทย์ประเภทที่สามและเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่มีมูลค่าสูง- อุตสาหกรรมย่อยที่มีส่วนตลาดคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 5% ได้แก่ การวินิจฉัยภายนอกร่างกาย หัวใจ การวินิจฉัยด้วยภาพ ศัลยกรรมกระดูก จักษุวิทยา และศัลยกรรมพลาสติก การวินิจฉัยภายนอกร่างกาย ศัลยกรรมกระดูก และการแทรกแซงหัวใจเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่มีมูลค่าสูง-เติบโตเร็วที่สุด-ในจีน การใช้ไทเทเนียมชีวการแพทย์และวัสดุโลหะผสมได้ผ่านขั้นตอนสำคัญมาแล้ว 3 ขั้นตอน [27]: ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกเพื่อผลิตแผ่นกระดูก สกรู เล็บไขกระดูก และข้อต่อสะโพกในอังกฤษและสหรัฐอเมริกา Mathys แห่งสวิตเซอร์แลนด์ยังใช้โลหะผสม ti-6a1-7nb ในการผลิตระบบเล็บในไขกระดูกที่ประสานกันแบบไม่รีม (รวมถึงกระดูกหน้าแข้ง กระดูกต้นแขน และกระดูกโคนขา) และสกรูกลวงสำหรับการรักษากระดูกต้นขาหัก บริษัท biorthex แห่งประเทศแคนาดาได้พัฒนาวัสดุออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่เป็นโลหะผสม Ni Ti (pnt) ในการผลิตกรงฟิวชั่นระหว่างร่างกายระหว่างปากมดลูกและเอว (กรง) ที่ใช้วัสดุ actipore GA ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรสำหรับการรักษาอาการบาดเจ็บที่กระดูกสันหลังส่วนคอและเอว โลหะผสมไทเทเนียมชนิดใหม่เป็นวัสดุขั้นสูงที่สามารถใช้ในศัลยกรรมกระดูก ทันตกรรม และการแทรกแซงหลอดเลือด อุตสาหกรรมอุปกรณ์การแพทย์เกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูกคิดเป็น 9% ของส่วนแบ่งตลาดอุปกรณ์การแพทย์ทั่วโลกและยังคงเติบโตอย่างรวดเร็ว ตลาดอุปกรณ์การแพทย์เกี่ยวกับกระดูกและข้อแบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลักๆ ได้แก่ การบาดเจ็บ ข้อต่อ กระดูกสันหลัง และอื่นๆ ในหมู่พวกเขา การบาดเจ็บเป็นเพียงสาขาย่อยเดียวที่ไม่ถูกครอบครองโดยวิสาหกิจต่างชาติ เหตุผลหลักคือผลิตภัณฑ์ในด้านนี้มีเนื้อหาทางเทคนิคต่ำ คัดลอกได้ง่าย และการดำเนินการยากน้อยกว่า โรงพยาบาลระดับมัธยมศึกษาและตติยภูมิหลายแห่งสามารถดำเนินการได้ซึ่งวิสาหกิจต่างชาติไม่สามารถครอบคลุมได้อย่างเต็มที่ ผลิตภัณฑ์การบาดเจ็บสามารถแบ่งออกเป็นอุปกรณ์ตรึงภายในและอุปกรณ์ตรึงภายนอก ผลิตภัณฑ์การบาดเจ็บจากการตรึงภายใน ได้แก่ เล็บไขกระดูก แผ่นกระดูก และสกรู ในปี 2555 การบาดเจ็บคิดเป็น 34% ข้อต่อ 28% กระดูกสันหลัง 20% และอื่นๆ 18% ในตลาดศัลยกรรมกระดูกในประเทศ ข้อต่อขนาดใหญ่เป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ระดับไฮเอนด์ที่มีอุปสรรคทางเทคนิคสูง ปัจจุบันโรงพยาบาลกระแสหลักนำเข้าวัสดุเกี่ยวกับกระดูกเป็นหลัก ยังคงมีช่องว่างระหว่างผลิตภัณฑ์ในประเทศและนำเข้าในด้านเทคโนโลยี การออกแบบ การวิจัยและพัฒนา วัสดุ กระบวนการรักษาพื้นผิว ฯลฯ ข้อต่อเทียมส่วนใหญ่จะแบ่งออกเป็นข้อเข่าเทียม สะโพก ข้อศอก ไหล่ นิ้ว และนิ้วเท้า ซึ่งในจำนวนนี้การเปลี่ยนข้อต่อที่สำคัญที่สุด ได้แก่ สะโพกและข้อเข่า คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 95% ของตลาดการเปลี่ยนข้อทั่วโลก อุปกรณ์ปลูกถ่ายกระดูกสันหลัง ได้แก่ ระบบแผ่นสกรูบริเวณทรวงอก ระบบแผ่นสกรูบริเวณปากมดลูก และระบบฟิวชันเคจ ระบบกรงฟิวชันระหว่างกระดูกสันหลังส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการรักษาการเปลี่ยนหมอนรองกระดูกสันหลัง นอกจากนี้ยังเป็นส่วนที่สำคัญที่สุด ซึ่งคิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของตลาดการปลูกถ่ายกระดูกสันหลังทั้งหมด
3 ข้อสรุป
ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของโลหะผสมไทเทเนียมทำให้เป็นผู้นำในด้านการแพทย์ ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีชีวภาพและความต้องการการใช้งานทางการแพทย์ การออกแบบวัสดุและการเตรียมเทคโนโลยีของโลหะผสมไททาเนียมจึงมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ปัจจุบันโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์หลักที่ผลิตคือโลหะผสมไทเทเนียมชนิด + ในส่วนของขั้นตอนการเตรียมการ ปัจจุบันการผลิต TC4 (tc4eli) ครองส่วนแบ่งตลาดหลัก เนื่องจากข้อได้เปรียบบางประการในด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความเข้ากันได้ทางกล โลหะผสมไททาเนียมชนิด T- จึงกลายเป็นจุดสำคัญในการวิจัยของโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ชนิดใหม่ และเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพมากที่สุดในด้านการปลูกถ่ายทางการแพทย์ ในอนาคต เทคโนโลยีการผลิตโลหะผสมไทเทเนียมควรพัฒนาไปสู่ทิศทางของโมดูลัสต่ำ ความแข็งแรงสูง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีและความเข้ากันได้ทางกล จากแนวโน้มการพัฒนา โลหะผสมไทเทเนียมประเภทจะกลายเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตและเป็นกระแสหลักของตลาดโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์
