Biomedische materialen vormen een cruciale tak van de materiaalkunde en dienen als geavanceerde dragermaterialen met een hoog technologisch gehalte en economische waarde voor het diagnosticeren, behandelen of vervangen van menselijke weefsels en organen, evenals het verbeteren van hun functies. Dit veld is een opkomend gebied binnen de materiaalkunde en -technologie, klaar om grotere bijdragen te leveren aan het verkennen van de mysteries van het leven en het waarborgen van de gezondheid en levensduur van de mens.
Onder biomedische metalen materialen zijn titanium en zijn legeringen de voorkeurskeuze geworden voor medische implantaten—zoals kunstgewrichten (heup, knie, schouder, enkel, elleboog, pols, vingergewrichten, enz.), bot-traumaproducten (mergspijkers, platen, schroeven, enz.), spinale correctie- en interne fixatiesystemen, tandheelkundige implantaten, kunstgebitten, orthodontische draden, kunsthartkleppen en interventionele cardiovasculaire stents—vanwege hun uitstekende uitgebreide eigenschappen. Momenteel bestaat er geen superieur metalen materiaal voor titaniumlegeringen voor klinische toepassingen. Met een wereldbevolking van bijna 6,5 miljard, geven onvolledige statistieken aan dat er ongeveer 400 miljoen mensen met een handicap zijn, waaronder 60 miljoen met ledemaatbeperkingen en 2 miljard met tandheelkundige aandoeningen. Tot op heden hebben echter slechts 35 miljoen mensen biomedische apparaatimplantaten ontvangen. Jaarlijks worden er ongeveer 1,5 miljoen gewrichten vervangen, ver beneden de werkelijke vraag. De marktpotentie voor biomedische materialen is dus enorm, en de vraag naar titanium en zijn legeringen, als de voorkeurskeuze voor biomedische metalen materialen, zal aanzienlijk groeien.
Voordelen van titaniumlegeringen in medische apparaten:
Lichtgewicht:Vermindert schade aan bloedvaten, spieren en organen tijdens de operatie, waardoor vermoeidheid van de chirurg wordt verminderd. Titanium instrumenten zijn bijzonder geschikt voor delicate microchirurgie.
Uitstekende corrosiebestendigheid en niet-toxiciteit:Voorkomt roesten van apparatuur, vermindert de risico's op wondinfecties en bevordert een snellere genezing.
Matige elasticiteit:Ideaal voor het vervaardigen van medische tangen, pincetten, microchirurgische messen en andere instrumenten.
Lage reflectie:De minimale schittering van titanium onder schaduwloze lampen maakt het geschikter dan roestvrij staal voor chirurgische procedures.
Toepassingen van medische titaniumlegeringen:
Orthopedische implantaten:
Omvatten kunstheupgewrichten, kniegewrichten en spinale interne fixatiesystemen. Poreuze titaniumlegering interbody fusie-apparaten kunnen 60-80% porositeit bereiken met poriegroottes van 150-600μm, wat de botingroei vergemakkelijkt. 3D-printtechnologie maakt een nauwkeurige replicatie van CT-gegevens van patiënten mogelijk, waardoor gepersonaliseerde implantaten worden geproduceerd met meer dan 95% anatomische overeenstemming.
Cardiovasculaire apparaten:
Gebruikt bij de vervaardiging van kunsthartklepstents en vasculaire stents. Ti-6Al-4V legering stents kunnen worden verwerkt tot een wanddikte van 80μm met een ondersteuningssterkte van meer dan 10N/mm². Nieuwe β-titaniumlegeringen (bijv. Ti-15Mo-5Zr) tonen verbeterde antistollingseigenschappen, waardoor de restenosepercentages van stents tot onder de 5% worden teruggebracht.
Tandheelkundige restauratie:
Commercieel zuiver titanium (TA1/TA2) wordt gebruikt voor tandimplantaatwortels, waarbij een botbindingssterkte van 50 MPa wordt bereikt, wat de 35 MPa van hydroxyapatietcoatings overtreft. Ti-Zr legering implantaten vertonen een vijfjaars overlevingskans van 97,3%, wat beter is dan de 94,1% van traditionele titaniumlegeringen.
Met hun gecombineerde voordelen van biocompatibiliteit, mechanische eigenschappen en fabricageflexibiliteit zijn medische titaniumlegeringen een onmisbare materiaalbasis van de moderne gezondheidszorg geworden. Van orthopedie tot cardiovasculaire toepassingen, en van gestandaardiseerde componenten tot gepersonaliseerde implantaten, hun voortdurende expansie benadrukt de diepgaande impact van materiaalvernieuwing op de menselijke gezondheid. Naarmate de technologie evolueert en de klinische behoeften toenemen, zullen medische titaniumlegeringen ongetwijfeld nog betere prestaties leveren, nieuwe hoofdstukken schrijven voor de medische industrie en de mensheid ondersteunen in haar streven naar een hogere levenskwaliteit.
