Was ist eine poröse Titanlegierung und wofür wird sie verwendet?

Ti und Titanlegierungen haben verschiedene und unvergleichliche Vorteile wie geringe Dichte, hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Biokompatibilität. Sie gelten derzeit als eines der idealsten Biomaterialien und sind zu den klinisch bevorzugten Materialien für Knochenimplantate und Zahnreparaturen geworden. Der Elastizitätsmodul von Ti und Titanlegierungen liegt jedoch zwischen 50 und 114 GPa, von denen die am häufigsten verwendeten Ti6Al4V Legierung beträgt 110 GP, was viel höher ist als der Elastizitätsmodul des menschlichen Knochens (0,02 bis 20 GPa). Die Diskrepanz des Elastizitätsmoduls führt zu einer schlechten Lastübertragung vom Implantat auf das angrenzende Knochengewebe, was zu einem "Stress-Shielding"-Phänomen (Spannungsabschirmung) führt, das zu Knochenabsorption, allmählicher Ausdünnung des kortikalen Knochens und Lockerung des Implantats und sogar zu chirurgischem Versagen führt. Darüber hinaus beeinträchtigt die einfache mechanische Verbindung zwischen dem schwachen Metallimplantat und dem menschlichen Knochengewebe die Lebensdauer des Implantats. Daher ist es notwendig, ein neues medizinisches Material zu entwickeln, das den mechanischen Eigenschaften des Knochengewebes entspricht und das Wachstum und die Heilung des Knochengewebes fördert, und poröse Ti-Implantate, d. h. Ti- oder Titanlegierungen mit porösen Strukturen, werden immer mehr zu Forschungsschwerpunkten.

Die poröse Struktur ist der Mikrostruktur des menschlichen Knochens sehr ähnlich und hat die Eigenschaften einer geringen Dichte, einer großen spezifischen Oberfläche und einer guten Energieabsorption. Die poröse Titanlegierung verbindet die hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der Titanlegierung mit der porösen Struktur, die zur Simulation der trabekulären Struktur des menschlichen Knochens und zur Verringerung des Elastizitätsmoduls der dichten Titanlegierung verwendet werden kann. Die einzigartige Porenstruktur von porösem Ti und Titanlegierung begünstigt den Transport von Körperflüssigkeiten und Nährstoffen, und die raue Oberfläche fördert die Differenzierung und das Wachstum von neuem Knochengewebe im Implantat, wodurch die rasche Bildung von Knochengewebe innerhalb der Pore und die effektive Verbindung mit dem externen Knochengewebe gefördert wird, so dass die Haftfestigkeit in Form von Knochenverbindungen verbessert wird. Poröse Titanlegierungen werden derzeit für menschliche Knochenimplantate, Hüftgelenkprothesen usw. verwendet und gelten als eines der vielversprechendsten biomedizinischen Materialien überhaupt. Es gibt jedoch keine einheitliche Aussage über die optimale Porengröße, Porosität und andere geometrische Parameter.

Nach rostfreiem Stahl und Kobaltlegierungen sind poröses Ti und Titanlegierungen die dritte Generation medizinischer Metallwerkstoffe, die sich im Bereich der medizinischen und klinischen Behandlung etabliert haben. Ein hervorragendes Material für den Ersatz von menschlichem Hartgewebe sollte die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Ähnliche mechanische Eigenschaften wie der menschliche Knochen. Mechanische Eigenschaften wie der Elastizitätsmodul sind die Hauptgründe, warum poröses Ti als Ersatzmaterial für menschliches Knochengewebe in Betracht gezogen werden muss. Es hat einen Elastizitätsmodul, der dem menschlichen Knochen entspricht (Elastizitätsmodul des kompakten Knochens 3~30 GPa, Elastizitätsmodul der Spongiosa 1~2 GPa) und eine ausreichende mechanische Festigkeit (Druckfestigkeit des kompakten Knochens 0,3~1,5 MPa, Druckfestigkeit der Spongiosa 100~230 MPa). Daher sollte die Beziehung zwischen Porosität, Festigkeit und Elastizitätsmodul umfassend berücksichtigt werden. Die poröse Ti-Legierung, bei der Festigkeit und Elastizitätsmodul im Gleichgewicht sind, erfüllt die Anforderungen an die Belastbarkeit in vivo und ist mechanisch kompatibel.
• Gute Biokompatibilität und Bioaktivität. Biokompatibilität und Bioaktivität sind die Voraussetzungen für die erfolgreiche klinische Anwendung poröser Ti-Implantate, die die Adhäsion, die Proliferation und das Wachstum von Osteoblasten begünstigen und das Einwachsen von Knochenzellen in das Implantat fördern, um die biologische Fixierung zwischen Implantat und Knochen herzustellen. Durch die verbundene Porenstruktur wird die Biokompatibilität von Ti-Implantaten bis zu einem gewissen Grad verbessert, aber Ti ist ein bioinertes Material, das nur mechanisch mit den Implantaten verbunden werden kann. Eine geeignete chemische Zusammensetzung, Struktur und Oberflächeneigenschaften können die biologische Aktivität von porösem Ti verbessern, was die Bildung einer guten Knochenverbindung zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe begünstigt. Daher ist eine Oberflächenmodifikation sehr wichtig, um die Biokompatibilität und Bioaktivität von porösem Ti zu verbessern.
• Gute Porosität. Die mechanischen Eigenschaften von porösem Ti wurden durch Porosität, Porengröße und Porenverteilung so angepasst, dass sie dem natürlichen Knochen entsprechen. Die geeignete Porosität lag bei 50%-80% und die Porengröße bei 150-500 μm, wodurch auch Bedingungen für das Wachstum von Zellen und den Flüssigkeitsstrom nach innen geschaffen wurden.
• Gute Korrosionsbeständigkeit. Das Vorhandensein von Poren führt zu komplexer lokaler Korrosion von porösem Ti in der Umgebung der Körperflüssigkeit. Die extrem vergrößerte Oberfläche erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Kontaktreaktion zwischen dem Implantat und der Körperflüssigkeit, wodurch es leicht zu Korrosionsschäden kommt. Die Korrosionsrate steht in engem Zusammenhang mit der Umgebung der Körperflüssigkeit, der Porosität, der Morphologie und Struktur der Poren usw. Es zeigt sich, dass die Porosität und andere damit zusammenhängende Parameter auch der Schlüssel zur Kontrolle der Korrosionsbeständigkeit von porösem Ti sind.

Als potenzielles Knochenreparaturmaterial muss poröses Ti einem gewissen Druck standhalten und mechanische Eigenschaften aufweisen, die mit dem Knochengewebe kompatibel sind, um ein chirurgisches Versagen aufgrund von Spannungskonzentration zu vermeiden. Gute Biokompatibilität und Bioaktivität sind ebenfalls notwendige Voraussetzungen für den Einsatz von porösem Ti als orthopädisches Implantatmaterial.

Die dreidimensionale, zusammenhängende poröse Struktur ist ein wesentliches Merkmal von biomedizinischem porösem Ti und Titanlegierungen. Die idealen mechanischen Eigenschaften und die Biokompatibilität hängen eng mit der Kontrolle der Porosität und der Porengröße zusammen, weshalb die Herstellung von porösem Ti und Titanlegierungen besonders wichtig ist. Gegenwärtig gibt es zahlreiche Verfahren zur Herstellung von porösem Ti und Titanlegierungen, darunter Sintern, Schnellformen und Abscheidung.

Sinterverfahren

Das Sinterverfahren ist ein traditionelles Verfahren zur Herstellung von Metallwerkstoffen, bei dem Metall als Rohmaterial in einem Vakuum oder einer Schutzatmosphäre durch Hochtemperaturwärmebehandlung hergestellt wird. Die Sintermethode ist auch eine gängige Methode zur Herstellung von porösem Ti. Je nach den verschiedenen Methoden zur Erzielung der Porenstruktur kann man zwischen der Porenbildner-Methode, der Faserverflechtung, der Mikrokügelchen-Stapelungsmethode und dem Schwammeinweichverfahren unterscheiden.

Methode des Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP) ist eine Methode zur Herstellung von 3D-Volumenteilen mit komplexer Form, die durch ein CAD-Modell gesteuert wird. Es ist schnell, genau und kann komplexe feste Formen herstellen. Es ist eine ideale Methode zur Herstellung von porösen Ti. 3D Druck, Gel-Spritzguss und andere Rapid-Prototyping-Technologien.

Ablagerungsmethode

Ti und Titanlegierungen sind typische inerte Biomaterialien. Um die Einheilzeit nach der Implantation zu verkürzen und die Fähigkeit des Implantats, sich mit dem menschlichen Knochen zu verbinden, zu verbessern, ist die Aktivierung der Oberfläche von porösem Ti und Titanlegierungen eine wirksame Methode. Zu den Methoden der Oberflächenmodifizierung von porösem Ti und Titanlegierungen gehören hauptsächlich mechanische, physikalische, elektrochemische, chemische und biochemische Methoden (reaktive Abscheidung, Elektroabscheidung, Vakuumverdampfung, Plasmaspritzen usw.).

Mund-, Kiefer- und Gesichtsimplantate

Ti und Titanlegierungen werden häufig für Zahn- und Knochenreparaturen verwendet, aber ihr Elastizitätsmodul ist immer noch etwas höher als das des autologen Knochens, was Ti als Knochenreparaturmaterial einschränkt.In der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie wird die Anwendung der additiven Fertigungstechnologie bei porösen Implantaten und Implantaten im Allgemeinen noch erforscht, aber Simulationsexperimente liefern zuverlässige Daten.

Wirbelsäulenimplantat

Ein interkorporelles Fusionsgerät ist ein häufig verwendetes Implantat bei Wirbelsäulenerkrankungen, das die Bandscheibenhöhe wiederherstellt und die Knochenfusion ermöglicht. Gegenwärtig haben das amerikanische Unternehmen Stryker, Nexxt Spine und Joimax in Deutschland die Marktzulassung für ihre Fusionsprodukte aus poröser Titanlegierung erhalten, die nach und nach in der klinischen Praxis eingesetzt werden.

Hüftimplantat

Die Hüfttotalendoprothese hat sich bei der Behandlung von Hüftkopfnekrosen, Schenkelhalsfrakturen und anderen Erkrankungen bewährt und ist eine der am häufigsten durchgeführten künstlichen Gelenkersatzoperationen. Die Hüftpfanne ist ein häufig verwendetes Hüftimplantat. Derzeit ist eine Reihe von 3D-gedruckten Hüftpfannen aus poröser Titanlegierung registriert und zugelassen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass poröses Ti aufgrund seiner guten umfassenden Eigenschaften im Bereich der Knochenreparaturmaterialien in der klinischen Medizin in Zukunft einen absoluten Vorteil haben wird. Die Erforschung der Oberflächenmodifikation, der Bioaktivierung und des Mechanismus zur Induktion von Knochengewebe muss jedoch noch weiter untersucht werden. Poröses Ti mit besserer Übereinstimmung von Biomechanik und biologischer Aktivität kann durch die Auswahl geeigneter Präparationsmethoden und Prozessparameter hergestellt werden, um den Bedürfnissen der Patienten gerecht zu werden. Die Untersuchung der Oberflächenaktivierung, der Induktion und des Mechanismus von porösem Ti kann die Haftfestigkeit zwischen Implantat und Knochengewebe verbessern, den Zeitraum der Knochenintegration verkürzen und die Schmerzen der Patienten lindern.