Cos'è la lega di titanio poroso e a cosa serve?

Il Ti e le leghe di titanio presentano diversi e incomparabili vantaggi, come la bassa densità, l'elevato rapporto di forza, la buona resistenza alla corrosione, la resistenza alla fatica e la biocompatibilità, tanto da essere considerati attualmente uno dei biomateriali più ideali e da essere diventati i materiali clinicamente preferiti per l'impianto osseo e la riparazione dei denti. Tuttavia, il modulo elastico del Ti e delle leghe di titanio varia da 50 a 114 GPa, di cui il più comunemente usato è il Ti. Ti6Al4V è di 110GP, molto più alto del modulo elastico dell'osso umano (da 0,02 a 20GPa). La mancata corrispondenza del modulo elastico determina uno scarso trasferimento del carico dall'impianto al tessuto osseo adiacente, con conseguente fenomeno di "schermatura delle sollecitazioni" (stress shielding), che porta all'assorbimento osseo, al graduale assottigliamento dell'osso corticale e all'allentamento dell'impianto, fino al fallimento chirurgico. Inoltre, il semplice legame meccanico tra l'impianto metallico debole e il tessuto osseo umano influisce sulla durata di vita dell'impianto. Pertanto, è necessario sviluppare un nuovo materiale medico in grado di corrispondere alle proprietà meccaniche del tessuto osseo e di promuovere la crescita e la guarigione del tessuto osseo, e gli impianti in Ti poroso, ossia in Ti o in lega di titanio con strutture porose, stanno diventando sempre più oggetto di ricerca.

La struttura porosa è molto simile alla microstruttura dell'osso umano e presenta le caratteristiche di piccola densità, grande superficie specifica e buon assorbimento di energia. La lega di titanio poroso combina eccellenti proprietà fisiche e chimiche della lega di titanio e della struttura porosa, che può essere utilizzata per simulare la struttura trabecolare dell'osso umano e ridurre il modulo elastico della lega di titanio denso. L'esclusiva struttura a pori della lega di Ti e titanio poroso favorisce il trasporto di fluidi corporei e sostanze nutritive, mentre la sua superficie ruvida favorisce la differenziazione e la crescita di nuovo tessuto osseo nell'impianto, promuovendo la rapida formazione di tessuto osseo all'interno del poro e l'efficace collegamento con il tessuto osseo esterno, in modo da migliorare la forza di adesione sotto forma di legame osseo. La lega di titanio poroso è attualmente utilizzata negli impianti ossei umani, nell'artroplastica dell'anca, ecc. ed è considerata uno dei materiali biomedici più promettenti al momento. Tuttavia, non esiste una conclusione unificata sulla dimensione ottimale dei pori, sulla porosità e su altri parametri geometrici.

Dopo l'acciaio inossidabile e la lega di cobalto, il Ti poroso e la lega di titanio sono diventati la terza generazione di materiali metallici medici emergenti nel campo del trattamento medico e clinico. Il materiale eccellente per la sostituzione dei tessuti duri umani deve soddisfare i seguenti requisiti:

• Proprietà meccaniche simili a quelle dell'osso umano. Le proprietà meccaniche, come il modulo elastico, sono gli aspetti principali per cui il Ti poroso deve essere considerato un materiale sostitutivo del tessuto osseo umano. Ha anche un modulo elastico che corrisponde all'osso umano (modulo elastico dell'osso compatto 3~30 GPa, modulo elastico dell'osso cancelloso 1~2 GPa) e una resistenza meccanica sufficiente (resistenza alla compressione dell'osso compatto 0,3~1,5 MPa, resistenza alla compressione dell'osso cancelloso 100~230 MPa). Pertanto, la relazione tra porosità, resistenza e modulo elastico deve essere considerata in modo completo. La lega di Ti porosa che bilancia la resistenza e il modulo elastico soddisfa i requisiti di resistenza al carico in vivo e ha compatibilità meccanica.
• Buona biocompatibilità e bioattività. La biocompatibilità e la bioattività sono i presupposti per il successo dell'applicazione clinica degli impianti in Ti poroso, che favoriscono l'adesione, la proliferazione e la crescita degli osteoblasti e promuovono la crescita delle cellule ossee nell'impianto per formare la fissazione biologica tra impianto e osso. La struttura a pori collegati migliora in una certa misura la biocompatibilità degli impianti in Ti, ma il Ti è un materiale bioinerte, che può essere combinato solo meccanicamente con gli impianti. Composizione chimica, struttura e proprietà superficiali adeguate possono migliorare l'attività biologica del Ti poroso, favorendo la formazione di un buon legame osseo tra l'impianto e il tessuto osseo. Pertanto, la modifica della superficie è molto importante per migliorare la biocompatibilità e la bioattività del Ti poroso.
• Buona porosità. Le proprietà meccaniche del Ti poroso sono state regolate in base alla porosità, alla dimensione dei pori e alla distribuzione dei pori, in modo da corrispondere all'osso naturale. La porosità appropriata era di 50%-80% e la dimensione dei pori di 150-500 μm, che creavano anche le condizioni per la crescita interna delle cellule e il flusso dei fluidi.
• Buona resistenza alla corrosione. L'esistenza di pori provoca una complessa corrosione locale del Ti poroso nell'ambiente del fluido corporeo. L'area superficiale estremamente estesa aumenta la possibilità di reazione di contatto tra l'impianto e il fluido corporeo, rendendo facile il verificarsi di danni da corrosione. La velocità di corrosione è strettamente correlata all'ambiente del fluido corporeo, alla porosità, alla morfologia e alla struttura dei pori, ecc. Si può notare che la porosità e altri parametri correlati sono anche la chiave per controllare la resistenza alla corrosione del Ti poroso.

Essendo il materiale più potenziale per la riparazione ossea, il Ti poroso deve sopportare una certa pressione e avere proprietà meccaniche compatibili con il tessuto osseo per evitare il fallimento chirurgico causato dalla concentrazione di stress. Anche una buona biocompatibilità e bioattività sono condizioni necessarie per l'utilizzo del Ti poroso come materiale per impianti ortopedici.

La struttura porosa tridimensionale connessa è una caratteristica significativa delle leghe di Ti e titanio porose in campo biomedico. Le proprietà meccaniche ideali e la biocompatibilità sono strettamente correlate al controllo della porosità e della dimensione dei pori, pertanto la preparazione di leghe di Ti e titanio porose è particolarmente importante. Attualmente esistono molti metodi di preparazione per le leghe porose di Ti e titanio, tra cui la sinterizzazione, la formatura rapida e la deposizione.

Metodo di sinterizzazione

Il metodo di sinterizzazione è un metodo tradizionale di preparazione dei materiali metallici, che consiste nell'utilizzare il metallo come materia prima in un vuoto o in un'atmosfera protettiva attraverso un trattamento termico ad alta temperatura. Il metodo di sinterizzazione è anche un metodo comune di preparazione del Ti poroso. In base ai diversi metodi per ottenere la struttura dei pori, può essere suddiviso in metodo con agente formatore di pori, intreccio di fibre, metodo di impilamento di microsfere, processo di immersione in spugna.

Metodo di prototipazione rapida

La prototipazione rapida (RP) è un metodo per fabbricare parti solide 3D di forma complessa controllate dal modello CAD. È veloce, precisa e può fabbricare solidi di forma complessa. È un metodo ideale per fabbricare pezzi porosi. Ti. 3D stampa, modellazione a iniezione di gel e altre tecnologie di prototipazione rapida.

Metodo di deposizione

Il Ti e la lega di titanio sono tipici biomateriali inerti. Per abbreviare il periodo di guarigione dopo l'impianto e migliorare la capacità dell'impianto di legarsi all'osso umano, l'attivazione della superficie del Ti poroso e della lega di titanio è un metodo efficace. I metodi di modifica della superficie del Ti poroso e della lega di titanio includono principalmente un metodo meccanico, un metodo fisico, un metodo elettrochimico, un metodo chimico e un metodo biochimico (deposizione reattiva, elettrodeposizione, evaporazione sotto vuoto, spruzzatura al plasma, ecc.)

Impianti orali e maxillofacciali

Il Ti e le leghe di titanio sono comunemente utilizzati per la riparazione di denti e ossa, ma il loro modulo elastico è ancora leggermente superiore a quello dell'osso autologo, il che limita il Ti come materiale per la riparazione ossea.In chirurgia orale e maxillo-facciale, l'applicazione della tecnologia di produzione additiva in impianti e protesi porose è ancora oggetto di ricerca in generale, ma gli esperimenti di simulazione forniscono dati affidabili.

Impianto spinale

Un dispositivo di fusione intercorporea è un impianto comunemente utilizzato per i disturbi della colonna vertebrale che ripristina l'altezza del disco e consente la fusione ossea. Attualmente, le società statunitensi Stryker, Nexxt Spine e Joimax in Germania hanno ottenuto l'approvazione alla commercializzazione dei loro prodotti di fusione in lega di titanio poroso, che vengono gradualmente applicati nella pratica clinica.

Impianto dell'anca

La protesi totale dell'anca è stata ampiamente utilizzata nel trattamento della necrosi della testa del femore, della frattura del collo del femore e di altre patologie, ed è una delle protesi articolari artificiali più eseguite. Il cotile acetabolare è un impianto dell'anca comunemente utilizzato. Attualmente sono stati registrati e approvati diversi cotili acetabolari in lega di titanio poroso stampati in 3D.

In conclusione, il Ti poroso ha un vantaggio assoluto nel campo dei materiali per la riparazione ossea in medicina clinica in futuro, grazie alle sue buone proprietà globali. Tuttavia, la ricerca sulla modifica della superficie, la bioattivazione e il meccanismo di induzione del tessuto osseo devono essere ulteriormente studiati. Il Ti poroso con una migliore corrispondenza tra biomeccanica e attività biologica può essere preparato selezionando metodi di preparazione e parametri di processo appropriati per soddisfare le esigenze dei pazienti. Lo studio dell'attivazione superficiale, dell'induzione e del meccanismo del Ti poroso può migliorare la forza di adesione tra impianto e tessuto osseo, abbreviare il periodo di integrazione ossea e alleviare il dolore dei pazienti; anche il modo di ridurre il costo di produzione del Ti poroso è un problema urgente.