Τι είναι το πορώδες κράμα τιτανίου και για τι χρησιμοποιείται;

Το Ti και τα κράματα τιτανίου έχουν διάφορα και ασύγκριτα πλεονεκτήματα, όπως χαμηλή πυκνότητα, υψηλή αναλογία αντοχής, καλή αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στην κόπωση και βιοσυμβατότητα, τα οποία θεωρούνται σήμερα ως ένα από τα ιδανικότερα βιοϋλικά και έχουν γίνει τα κλινικά προτιμώμενα υλικά για την εμφύτευση οστών και την αποκατάσταση δοντιών. Ωστόσο, το μέτρο ελαστικότητας του Ti και των κραμάτων τιτανίου κυμαίνεται από 50 έως 114 GPa, εκ των οποίων το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο Ti6Al4V κράματος είναι 110GP, το οποίο είναι πολύ υψηλότερο από το μέτρο ελαστικότητας του ανθρώπινου οστού (0,02 έως 20GPa). Η αναντιστοιχία του μέτρου ελαστικότητας έχει ως αποτέλεσμα την κακή μεταφορά φορτίου από το εμφύτευμα στον παρακείμενο οστικό ιστό, με αποτέλεσμα το φαινόμενο της "θωράκισης τάσεων" (stress shielding), το οποίο οδηγεί σε οστική απορρόφηση, σταδιακή αραίωση του φλοιώδους οστού και χαλάρωση του εμφυτεύματος, ακόμη και χειρουργική αποτυχία. Επιπλέον, η απλή μηχανική σύνδεση μεταξύ του ασθενούς μεταλλικού εμφυτεύματος και του ανθρώπινου οστικού ιστού επηρεάζει τη διάρκεια ζωής του εμφυτεύματος. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί ένα νέο ιατρικό υλικό που να μπορεί να ταιριάζει με τις μηχανικές ιδιότητες του οστικού ιστού και να προάγει την ανάπτυξη και την επούλωση του οστικού ιστού, και τα πορώδη εμφυτεύματα Ti, δηλαδή το Ti ή το κράμα τιτανίου με πορώδεις δομές, γίνονται όλο και περισσότερα σημεία έρευνας.

Η πορώδης δομή μοιάζει πολύ με τη μικροδομή του ανθρώπινου οστού και έχει τα χαρακτηριστικά της μικρής πυκνότητας, της μεγάλης ειδικής επιφάνειας και της καλής απορρόφησης ενέργειας. Το πορώδες κράμα τιτανίου συνδυάζει εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες του κράματος τιτανίου και της πορώδους δομής, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της τραπεζοειδούς δομής του ανθρώπινου οστού και τη μείωση του μέτρου ελαστικότητας του πυκνού κράματος τιτανίου. Η μοναδική δομή πόρων του πορώδους Ti και του κράματος τιτανίου ευνοεί τη μεταφορά σωματικών υγρών και θρεπτικών ουσιών και η τραχιά επιφάνειά του ευνοεί τη διαφοροποίηση και την ανάπτυξη νέου οστικού ιστού στο εμφύτευμα, προωθώντας τον γρήγορο σχηματισμό οστικού ιστού στο εσωτερικό του πόρου και την αποτελεσματική σύνδεση με τον εξωτερικό οστικό ιστό, έτσι ώστε να βελτιώσουν την αντοχή του δεσμού με τη μορφή οστικής σύνδεσης. Το πορώδες κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται σήμερα σε ανθρώπινα οστικά εμφυτεύματα, αρθροπλαστική ισχίου κ.λπ. και θεωρείται σήμερα ένα από τα πιο υποσχόμενα βιοϊατρικά υλικά. Ωστόσο, δεν υπάρχει ενιαίο συμπέρασμα σχετικά με το βέλτιστο μέγεθος πόρων, το πορώδες και άλλες γεωμετρικές παραμέτρους.

Μετά τον ανοξείδωτο χάλυβα και το κράμα κοβαλτίου, το πορώδες Ti και το κράμα τιτανίου έχουν γίνει η τρίτη γενιά ιατρικών μεταλλικών υλικών που αναδύονται στον τομέα της ιατρικής και κλινικής θεραπείας. Το άριστο υλικό για την αντικατάσταση ανθρώπινων σκληρών ιστών θα πρέπει να πληροί τις ακόλουθες απαιτήσεις:

• Παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες με το ανθρώπινο οστό. Οι μηχανικές ιδιότητες, όπως το μέτρο ελαστικότητας, είναι τα πρωταρχικά ζητήματα που πρέπει να εξεταστούν ως υλικό υποκατάστασης του ανθρώπινου οστίτη ιστού. Έχει επίσης μέτρο ελαστικότητας που ταιριάζει με το ανθρώπινο οστό (μέτρο ελαστικότητας του συμπαγούς οστού 3~30 GPa, μέτρο ελαστικότητας του κυτταρικού οστού 1~2 GPa) και επαρκή μηχανική αντοχή (αντοχή σε θλίψη του συμπαγούς οστού 0,3~1,5 MPa, αντοχή σε θλίψη του κυτταρικού οστού 100~230 MPa). Επομένως, η σχέση μεταξύ πορώδους, αντοχής και μέτρου ελαστικότητας θα πρέπει να εξεταστεί συνολικά. Το πορώδες κράμα Ti που εξισορροπεί την αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας πληροί τις απαιτήσεις αντοχής σε φορτίο in vivo και έχει μηχανική συμβατότητα.
• Καλή βιοσυμβατότητα και βιοδραστικότητα. Η βιοσυμβατότητα και η βιοδραστικότητα αποτελούν τις προϋποθέσεις για την επιτυχή κλινική εφαρμογή των πορωδών εμφυτευμάτων Ti, τα οποία ευνοούν την προσκόλληση, τον πολλαπλασιασμό και την ανάπτυξη των οστεοβλαστών και προάγουν την ανάπτυξη των οστικών κυττάρων στο εμφύτευμα για να σχηματίσουν τη βιολογική στερέωση μεταξύ του εμφυτεύματος και του οστού. Η συνδεδεμένη δομή πόρων βελτιώνει σε κάποιο βαθμό τη βιοσυμβατότητα των εμφυτευμάτων Ti, αλλά το Ti είναι ένα βιολογικά αδρανές υλικό, το οποίο μπορεί να συνδυαστεί μόνο μηχανικά με τα εμφυτεύματα. Η κατάλληλη χημική σύνθεση, η δομή και οι επιφανειακές ιδιότητες μπορούν να βελτιώσουν τη βιολογική δραστηριότητα του πορώδους Ti, η οποία ευνοεί το σχηματισμό καλής οστικής σύνδεσης μεταξύ του εμφυτεύματος και του οστικού ιστού. Επομένως, η τροποποίηση της επιφάνειας είναι πολύ σημαντική για τη βελτίωση της βιοσυμβατότητας και της βιοδραστικότητας του πορώδους Ti.
• Καλό πορώδες. Οι μηχανικές ιδιότητες του πορώδους Ti ρυθμίστηκαν από το πορώδες, το μέγεθος των πόρων και την κατανομή των πόρων ώστε να ταιριάζουν με το φυσικό οστό. Το κατάλληλο πορώδες ήταν 50%-80% και το μέγεθος των πόρων ήταν 150-500 μm, το οποίο δημιούργησε επίσης συνθήκες για την εσωτερική ανάπτυξη των κυττάρων και τη ροή των υγρών.
• Καλή αντοχή στη διάβρωση. Η ύπαρξη πόρων προκαλεί πολύπλοκη τοπική διάβρωση του πορώδους Ti στο περιβάλλον του σωματομερούς υγρού. Η εξαιρετικά διευρυμένη επιφάνεια αυξάνει την πιθανότητα αντίδρασης επαφής μεταξύ του εμφυτεύματος και του σωματικού υγρού, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται εύκολα βλάβες λόγω διάβρωσης. Ο ρυθμός διάβρωσης σχετίζεται στενά με το περιβάλλον του σωματικού υγρού, το πορώδες, τη μορφολογία και τη δομή των πόρων κ.λπ. Μπορεί να διαπιστωθεί ότι το πορώδες και άλλες σχετικές παράμετροι είναι επίσης τα κλειδιά για τον έλεγχο της αντίστασης στη διάβρωση του πορώδους Ti.

Ως το πιο πιθανό υλικό για την αποκατάσταση των οστών, το πορώδες Ti πρέπει να αντέχει σε ορισμένη πίεση και να έχει μηχανικές ιδιότητες συμβατές με τον οστικό ιστό, ώστε να αποφεύγεται η χειρουργική αποτυχία που προκαλείται από τη συγκέντρωση τάσεων. Η καλή βιοσυμβατότητα και η βιοδραστικότητα είναι επίσης απαραίτητες προϋποθέσεις για να χρησιμοποιηθεί το πορώδες Ti ως υλικό ορθοπεδικών εμφυτευμάτων.

Η τρισδιάστατη συνδεδεμένη πορώδης δομή είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του βιοϊατρικού πορώδους Ti και των κραμάτων τιτανίου. Οι ιδανικές μηχανικές ιδιότητες και η βιοσυμβατότητα συνδέονται στενά με τον έλεγχο του πορώδους και του μεγέθους των πόρων, επομένως η παρασκευή πορωδών κραμάτων Ti και τιτανίου είναι ιδιαίτερα σημαντική. Επί του παρόντος, υπάρχουν πολλές μέθοδοι παρασκευής πορωδών κραμάτων Ti και τιτανίου, συμπεριλαμβανομένων της πυροσυσσωμάτωσης, της ταχείας μορφοποίησης και της εναπόθεσης.

Μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης

Η μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης είναι μια παραδοσιακή μέθοδος παρασκευής μεταλλικών υλικών, η οποία αποτελείται από μέταλλο ως πρώτη ύλη σε κενό ή προστατευτική ατμόσφαιρα μέσω θερμικής επεξεργασίας υψηλής θερμοκρασίας. Η μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης είναι επίσης μια κοινή μέθοδος παρασκευής πορώδους Ti. Σύμφωνα με τις διαφορετικές μεθόδους απόκτησης της δομής των πόρων, μπορεί να χωριστεί σε μέθοδο παράγοντα σχηματισμού πόρων, μέθοδο εμπλοκής ινών, μέθοδο στοίβαξης μικροσφαιριδίων, διαδικασία εμβάπτισης σφουγγαριού.

Μέθοδος ταχείας πρωτοτυποποίησης

Η ταχεία πρωτοτυποποίηση (RP) είναι μια μέθοδος κατασκευής τρισδιάστατων στερεών εξαρτημάτων με πολύπλοκο σχήμα που ελέγχεται από το μοντέλο CAD. Είναι γρήγορη, ακριβής και μπορεί να κατασκευάσει στερεά πολύπλοκου σχήματος. Είναι ιδανική μέθοδος για την κατασκευή πορωδών Ti. 3D εκτύπωση, διαμόρφωση με έγχυση γέλης και άλλες τεχνολογίες ταχείας πρωτοτυποποίησης.

Μέθοδος εναπόθεσης

Το Ti και το κράμα τιτανίου είναι τυπικά αδρανή βιοϋλικά. Προκειμένου να συντομευθεί η περίοδος επούλωσης μετά την εμφύτευση και να βελτιωθεί η ικανότητα του εμφυτεύματος να συνδέεται με το ανθρώπινο οστό, η ενεργοποίηση της επιφάνειας του πορώδους Ti και του κράματος τιτανίου είναι μια αποτελεσματική μέθοδος. Οι μέθοδοι τροποποίησης της επιφάνειας του πορώδους Ti και του κράματος τιτανίου περιλαμβάνουν κυρίως μηχανική μέθοδο, φυσική μέθοδο, ηλεκτροχημική μέθοδο, χημική μέθοδο και βιοχημική μέθοδο (αντιδραστική εναπόθεση, ηλεκτροαπόθεση, εξάτμιση υπό κενό, ψεκασμός πλάσματος κ.λπ.)

Στοματικά και γναθοπροσωπικά εμφυτεύματα

Το Ti και τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται συνήθως στην αποκατάσταση δοντιών και οστών, αλλά το μέτρο ελαστικότητάς τους εξακολουθεί να είναι ελαφρώς υψηλότερο από εκείνο του αυτόλογου οστού, γεγονός που περιορίζει το Ti ως υλικό οστικής αποκατάστασης.Στη στοματική και γναθοπροσωπική χειρουργική, η εφαρμογή της τεχνολογίας προσθετικής κατασκευής σε πορώδη εμφυτεύματα και εμφυτεύματα είναι ακόμη υπό έρευνα γενικά, αλλά τα πειράματα προσομοίωσης παρέχουν αξιόπιστα δεδομένα.

Εμφύτευμα σπονδυλικής στήλης

Η συσκευή σύντηξης μεσοσπονδύλιου σώματος είναι ένα συχνά χρησιμοποιούμενο εμφύτευμα για διαταραχές της σπονδυλικής στήλης που αποκαθιστά το ύψος του δίσκου και επιτρέπει τη σύντηξη των οστών. Επί του παρόντος, η αμερικανική εταιρεία Stryker, η Nexxt Spine και η Joimax στη Γερμανία έχουν λάβει έγκριση κυκλοφορίας για τα προϊόντα σύντηξης από πορώδες κράμα τιτανίου, τα οποία εφαρμόζονται σταδιακά στην κλινική πρακτική.

Εμφύτευμα ισχίου

Η ολική αρθροπλαστική ισχίου έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη θεραπεία της νέκρωσης της μηριαίας κεφαλής, του κατάγματος του μηριαίου αυχένα και άλλων ασθενειών και είναι μία από τις πιο διαδεδομένες τεχνητές αντικαταστάσεις αρθρώσεων. Το ακετυλοειδές κύπελλο είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο εμφύτευμα ισχίου. Επί του παρόντος, έχουν καταχωριστεί και εγκριθεί ορισμένα τρισδιάστατα εκτυπωμένα πορώδη κύπελλα ακεταβίδας από κράμα τιτανίου.

Συμπερασματικά, το πορώδες Ti έχει απόλυτο πλεονέκτημα στον τομέα των υλικών οστικής αποκατάστασης στην κλινική ιατρική στο μέλλον λόγω των καλών ολοκληρωμένων ιδιοτήτων του. Ωστόσο, η έρευνα σχετικά με την τροποποίηση της επιφάνειας, τη βιοενεργοποίηση και τον μηχανισμό επαγωγής του οστικού ιστού πρέπει ακόμη να μελετηθεί περαιτέρω. Το πορώδες Ti με καλύτερη αντιστοίχιση της εμβιομηχανικής και της βιολογικής δραστηριότητας μπορεί να παρασκευαστεί με την επιλογή κατάλληλων μεθόδων παρασκευής και παραμέτρων διεργασίας ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες των ασθενών. Η μελέτη της επιφανειακής ενεργοποίησης, της επαγωγής και του μηχανισμού του πορώδους Ti μπορεί να βελτιώσει την αντοχή συγκόλλησης μεταξύ εμφυτεύματος και οστικού ιστού, να συντομεύσει την περίοδο οστικής ενσωμάτωσης και να ανακουφίσει τον πόνο των ασθενών.