다공성 티타늄 합금이란 무엇이며 어떤 용도로 사용되나요?

Ti 및 티타늄 합금은 저밀도, 고강도 비율, 우수한 내식성, 피로 저항성 및 생체 적합성과 같은 다양하고 비교할 수없는 장점을 가지고 있으며, 이는 현재 가장 이상적인 생체 재료 중 하나로 간주되어 뼈 이식 및 치아 수리에 임상 적으로 선호되는 재료가되었습니다. 그러나 티타늄 및 티타늄 합금의 탄성 계수는 50~114 GPa 범위이며, 이 중 가장 일반적으로 사용되는 티타늄 합금의 탄성 계수는 Ti6Al4V 합금은 110GP로 인체 뼈의 탄성 계수 (0.02 ~ 20GPa)보다 훨씬 높습니다. 탄성 계수의 불일치로 인해 임플란트에서 인접한 뼈 조직으로의 하중 전달이 제대로 이루어지지 않아 "스트레스 차폐"(응력 차폐) 현상이 발생하여 뼈 흡수, 피질 뼈의 점진적인 얇아짐 및 임플란트의 풀림, 심지어 수술 실패로 이어질 수 있습니다. 또한 약한 금속 임플란트와 인체 뼈 조직 사이의 단순한 기계적 결합은 임플란트의 수명에 영향을 미칩니다. 따라서 뼈 조직의 기계적 특성과 일치하고 뼈 조직의 성장과 치유를 촉진 할 수있는 새로운 의료 소재를 개발할 필요가 있으며, 다공성 Ti 임플란트, 즉 다공성 구조를 가진 Ti 또는 티타늄 합금이 점점 더 많은 연구의 핫스팟이되고 있습니다.

다공성 구조는 인간 뼈의 미세 구조와 매우 유사하며 밀도가 작고 비 표면적이 크며 에너지 흡수가 좋은 특성을 가지고 있습니다. 다공성 티타늄 합금은 티타늄 합금과 다공성 구조의 우수한 물리적 및 화학적 특성을 결합하여 인간의 뼈 골격 구조를 시뮬레이션하고 고밀도 티타늄 합금의 탄성 계수를 줄이는 데 사용할 수 있습니다. 다공성 Ti와 티타늄 합금의 독특한 기공 구조는 체액과 영양소의 수송에 도움이되며, 거친 표면은 임플란트로의 새로운 뼈 조직의 분화 및 성장에 도움이되어 기공 내부의 뼈 조직의 빠른 형성과 외부 뼈 조직과의 효과적인 연결을 촉진하여 뼈 결합의 형태로 결합 강도를 향상시킵니다. 다공성 티타늄 합금은 현재 인체 뼈 임플란트, 고관절 치환술 등에 사용되며 현재 가장 유망한 생체 의학 재료 중 하나로 간주됩니다. 그러나 최적의 기공 크기, 다공성 및 기타 기하학적 파라미터에 대한 통일된 결론은 아직 없습니다.

스테인리스 스틸과 코발트 합금에 이어 다공성 Ti와 티타늄 합금은 의료 및 임상 치료 분야에서 부상하는 3세대 의료용 금속 재료가 되었습니다. 인체 경조직 대체를 위한 우수한 소재는 다음 요구 사항을 충족해야 합니다:

• 인체 뼈와 유사한 기계적 특성. 탄성계수와 같은 기계적 특성은 다공성 Ti가 인체 뼈 조직을 대체하는 소재로 고려해야 하는 주요 이슈입니다. 또한 인체 뼈와 유사한 탄성계수(치조골 탄성계수 3~30 GPa, 해면골 탄성계수 1~2 GPa)와 충분한 기계적 강도(치조골 압축강도 0.3~1.5 MPa, 해면골 압축강도 100~230 MPa)를 가지고 있습니다. 따라서 다공성, 강도 및 탄성 계수 사이의 관계를 종합적으로 고려해야 합니다. 다공성 Ti 합금은 강도와 탄성 계수의 균형을 유지하여 생체 내 하중지지 요구 사항을 충족하고 기계적 호환성을 갖습니다.
• 우수한 생체적합성 및 생체 활성. 생체 적합성과 생체 활성은 다공성 Ti 임플란트의 성공적인 임상 적용을위한 전제 조건이며, 이는 조골 세포의 접착, 증식 및 성장에 도움이되며 임플란트 내 뼈 세포의 성장을 촉진하여 임플란트와 뼈 사이의 생물학적 고정을 형성합니다. 연결된 기공 구조는 Ti 임플란트의 생체 적합성을 어느 정도 향상시키지 만 Ti는 생체 불활성 물질로 임플란트와 기계적으로 만 결합 할 수 있습니다. 적절한 화학적 조성, 구조 및 표면 특성은 다공성 Ti의 생물학적 활성을 향상시킬 수 있으며, 이는 임플란트와 뼈 조직 사이의 좋은 뼈 결합 형성에 도움이됩니다. 따라서 표면 개질은 다공성 Ti의 생체 적합성과 생체 활성을 개선하는 데 매우 중요합니다.
• 우수한 다공성. 다공성 Ti의 기계적 특성은 자연 뼈와 일치하도록 다공성, 기공 크기 및 기공 분포에 따라 조정되었습니다. 적절한 다공성은 50%-80%, 기공 크기는 150-500 μm로 세포의 안쪽 성장과 유체 흐름을 위한 조건을 만들었습니다.
• 우수한 내식성. 기공의 존재는 체액 환경에서 다공성 Ti의 복잡한 국소 부식을 유발합니다. 표면적이 극도로 확장되면 임플란트와 체액 사이의 접촉 반응 가능성이 높아져 부식 손상이 쉽게 발생합니다. 부식 속도는 체액 환경, 다공성, 기공 형태 및 구조 등과 밀접한 관련이 있습니다. 다공성 및 기타 관련 파라미터도 다공성 Ti의 내식성을 제어하는 열쇠임을 알 수 있습니다.

가장 잠재적인 뼈 복구 재료인 다공성 Ti는 응력 집중으로 인한 수술 실패를 피하기 위해 일정한 압력을 견디고 뼈 조직과 호환되는 기계적 특성을 가져야 합니다. 우수한 생체 적합성과 생체 활성도 다공성 Ti가 정형외과용 임플란트 재료로 사용되기 위한 필수 조건입니다.

3차원으로 연결된 다공성 구조는 생체 의료용 다공성 Ti 및 티타늄 합금의 중요한 특징입니다. 이상적인 기계적 특성과 생체 적합성은 다공성 및 기공 크기 제어와 밀접한 관련이 있으므로 다공성 Ti 및 티타늄 합금의 제조가 특히 중요합니다. 현재 소결, 급속 성형 및 증착을 포함하여 다공성 Ti 및 티타늄 합금에 대한 많은 준비 방법이 있습니다.

소결 방법

소결법은 금속 재료를 제조하는 전통적인 방법으로, 진공 또는 보호 분위기에서 고온 열처리를 통해 금속을 원료로 만들어집니다. 소결 방법은 다공성 Ti의 일반적인 준비 방법이기도 합니다. 기공 구조를 얻는 다른 방법에 따라 기공 형성 제 방법, 섬유 얽힘, 미세 구 적층 방법, 스폰지 담그기 공정으로 나눌 수 있습니다.

신속한 프로토타이핑 방법

래피드 프로토타이핑(RP)은 CAD 모델로 제어되는 복잡한 형상의 3D 솔리드 부품을 제작하는 방법입니다. 빠르고 정확하며 복잡한 형상의 솔리드를 제작할 수 있습니다. 다공성 부품을 제작하는 데 이상적인 방법입니다. Ti. 3D 프린팅, 젤 사출 성형 및 기타 신속한 프로토타입 제작 기술.

증착 방법

티타늄과 티타늄 합금은 대표적인 불활성 생체 재료입니다. 이식 후 치유 기간을 단축하고 임플란트가 인체 뼈에 결합하는 능력을 향상시키기 위해 다공성 Ti 및 티타늄 합금의 표면을 활성화하는 것이 효과적인 방법입니다. 다공성 Ti 및 티타늄 합금의 표면 개질 방법은 주로 기계적 방법, 물리적 방법, 전기 화학적 방법, 화학적 방법 및 생화학 적 방법 (반응성 증착, 전착, 진공 증발, 플라즈마 스프레이 등)을 포함한다.

구강 및 악안면 임플란트

티타늄과 티타늄 합금은 치아 및 뼈 수복에 일반적으로 사용되지만 탄성 계수는 여전히 자가 뼈보다 약간 높기 때문에 뼈 수복 재료로서 티타늄이 제한되며 구강 및 악안면 수술에서 다공성 임플란트 및 임플란트에 적층 제조 기술을 적용하는 것은 일반적으로 아직 연구 중이지만 시뮬레이션 실험은 신뢰할 수 있는 데이터를 제공합니다.

척추 임플란트

체간 유합 장치는 디스크 높이를 복원하고 뼈 유합을 가능하게하는 척추 질환에 일반적으로 사용되는 임플란트입니다. 현재 미국 스트라이커, 넥스트 스파인, 독일 조이맥스 등이 다공성 티타늄 합금 융합 제품에 대한 시판 허가를 획득해 점차 임상에 적용하고 있습니다.

고관절 임플란트

고관절 전치환술은 대퇴골두 괴사, 대퇴 경부 골절 및 기타 질환의 치료에 널리 사용되어 왔으며 가장 널리 시행되는 인공 관절 치환술 중 하나입니다. 비구 컵은 일반적으로 사용되는 고관절 임플란트입니다. 현재 다수의 3D 프린팅 다공성 티타늄 합금 비구 컵이 등록 및 승인되었습니다.

결론적으로, 다공성 Ti는 우수한 종합적인 특성으로 인해 향후 임상 의학에서 뼈 복구 재료 분야에서 절대적인 이점을 가지고 있습니다. 그러나 표면 변형, 생체 활성화 및 뼈 조직 유도 메커니즘에 대한 연구는 여전히 추가 연구가 필요합니다. 생체 역학과 생물학적 활성이 더 잘 일치하는 다공성 Ti는 환자의 요구를 충족시키기 위해 적절한 준비 방법과 공정 매개 변수를 선택하여 준비 할 수 있습니다. 다공성 Ti의 표면 활성화, 유도 및 메커니즘에 대한 연구는 임플란트와 뼈 조직 간의 결합 강도를 개선하고 뼈 통합 기간을 단축하며 환자의 통증을 완화할 수 있으며, 다공성 Ti의 제조 비용을 줄이는 방법도 시급한 문제입니다.