Co to jest porowaty stop tytanu i do czego służy?

Ti i stopy tytanu mają różne i nieporównywalne zalety, takie jak niska gęstość, wysoki współczynnik wytrzymałości, dobra odporność na korozję, odporność na zmęczenie i biokompatybilność, które są obecnie uważane za jeden z najbardziej idealnych biomateriałów i stały się preferowanymi klinicznie materiałami do implantacji kości i naprawy zębów. Jednak moduł sprężystości Ti i stopów tytanu waha się od 50 do 114 GPa, z czego najczęściej stosowane są Ti6Al4V wynosi 110GP, co jest wartością znacznie wyższą niż moduł sprężystości ludzkiej kości (od 0,02 do 20GPa). Niedopasowanie modułu sprężystości skutkuje słabym przenoszeniem obciążenia z implantu na sąsiadującą tkankę kostną, powodując zjawisko "ekranowania naprężeń" (stress shielding), które prowadzi do absorpcji kości, stopniowego ścieńczenia kości korowej i obluzowania implantu, a nawet niepowodzenia chirurgicznego. Ponadto, proste mechaniczne wiązanie między słabym metalowym implantem a ludzką tkanką kostną wpływa na żywotność implantu. Dlatego konieczne jest opracowanie nowego materiału medycznego, który może pasować do właściwości mechanicznych tkanki kostnej i promować wzrost i gojenie się tkanki kostnej, a porowate implanty Ti, a mianowicie Ti lub stop tytanu o porowatej strukturze, stają się coraz bardziej gorącymi punktami badań.

Porowata struktura jest bardzo podobna do mikrostruktury ludzkiej kości i charakteryzuje się małą gęstością, dużą powierzchnią właściwą i dobrą absorpcją energii. Porowaty stop tytanu łączy w sobie doskonałe właściwości fizyczne i chemiczne stopu tytanu i porowatą strukturę, która może być wykorzystana do symulacji struktury beleczkowej ludzkiej kości i zmniejszenia modułu sprężystości gęstego stopu tytanu. Unikalna struktura porów porowatego Ti i stopu tytanu sprzyja transportowi płynów ustrojowych i składników odżywczych, a jego szorstka powierzchnia sprzyja różnicowaniu i wzrostowi nowej tkanki kostnej w implancie, sprzyjając szybkiemu tworzeniu się tkanki kostnej wewnątrz porów i skutecznemu połączeniu z zewnętrzną tkanką kostną, dzięki czemu poprawiają siłę wiązania w postaci wiązania kości. Porowaty stop tytanu jest obecnie stosowany w implantach kości ludzkich, artroplastyce stawu biodrowego itp. i jest obecnie uważany za jeden z najbardziej obiecujących materiałów biomedycznych. Nie ma jednak jednolitych wniosków dotyczących optymalnego rozmiaru porów, porowatości i innych parametrów geometrycznych.

Po stali nierdzewnej i stopie kobaltu, porowaty Ti i stop tytanu stały się trzecią generacją medycznych materiałów metalowych pojawiających się w dziedzinie leczenia medycznego i klinicznego. Doskonały materiał do zastępowania ludzkich tkanek twardych powinien spełniać następujące wymagania:

• Podobne właściwości mechaniczne do ludzkiej kości. Właściwości mechaniczne, takie jak moduł sprężystości, są głównymi czynnikami, które sprawiają, że porowaty Ti musi być brany pod uwagę jako materiał zastępujący ludzką tkankę kostną. Ma również moduł sprężystości odpowiadający ludzkiej kości (moduł sprężystości kości zbitej 3 ~ 30 GPa, moduł sprężystości kości gąbczastej 1 ~ 2 GPa) i wystarczającą wytrzymałość mechaniczną (wytrzymałość na ściskanie kości zbitej 0,3 ~ 1,5 MPa, wytrzymałość na ściskanie kości gąbczastej 100 ~ 230 MPa). W związku z tym należy kompleksowo rozważyć związek między porowatością, wytrzymałością i modułem sprężystości. Porowaty stop Ti równoważy wytrzymałość i moduł sprężystości, spełniając wymagania dotyczące przenoszenia obciążeń in vivo i ma kompatybilność mechaniczną.
• Dobra biokompatybilność i bioaktywność. Biokompatybilność i bioaktywność są warunkami wstępnymi udanego klinicznego zastosowania porowatych implantów Ti, które sprzyjają adhezji, proliferacji i wzrostowi osteoblastów oraz promują wzrost komórek kostnych w implancie, tworząc biologiczne mocowanie między implantem a kością. Połączona struktura porów do pewnego stopnia poprawia biokompatybilność implantów Ti, ale Ti jest materiałem obojętnym biologicznie, który można łączyć z implantami tylko mechanicznie. Odpowiedni skład chemiczny, struktura i właściwości powierzchni mogą poprawić aktywność biologiczną porowatego Ti, co sprzyja tworzeniu dobrego wiązania kości między implantem a tkanką kostną. Dlatego modyfikacja powierzchni jest bardzo ważna dla poprawy biokompatybilności i bioaktywności porowatego Ti.
• Dobra porowatość. Właściwości mechaniczne porowatego Ti zostały dostosowane do porowatości, wielkości porów i rozkładu porów, aby dopasować je do naturalnej kości. Odpowiednia porowatość wynosiła 50%-80%, a wielkość porów 150-500 μm, co również stworzyło warunki do wzrostu komórek i przepływu płynów.
• Dobra odporność na korozję. Istnienie porów powoduje złożoną lokalną korozję porowatego Ti w środowisku płynów ustrojowych. Niezwykle rozszerzona powierzchnia zwiększa prawdopodobieństwo reakcji kontaktowej między implantem a płynem ustrojowym, co ułatwia uszkodzenie korozyjne. Szybkość korozji jest ściśle związana ze środowiskiem płynu ustrojowego, porowatością, morfologią i strukturą porów itp. Można zauważyć, że porowatość i inne powiązane parametry są również kluczem do kontrolowania odporności porowatego Ti na korozję.

Jako najbardziej potencjalny materiał do naprawy kości, porowaty Ti musi wytrzymywać określone ciśnienie i mieć właściwości mechaniczne zgodne z tkanką kostną, aby uniknąć niepowodzenia chirurgicznego spowodowanego koncentracją naprężeń. Dobra biokompatybilność i bioaktywność są również niezbędnymi warunkami, aby porowaty Ti mógł być stosowany jako materiał na implanty ortopedyczne.

Trójwymiarowa, połączona struktura porowata jest istotną cechą biomedycznych porowatych stopów Ti i tytanu. Idealne właściwości mechaniczne i biokompatybilność są ściśle związane z kontrolą porowatości i wielkości porów, dlatego przygotowanie porowatego Ti i stopów tytanu jest szczególnie ważne. Obecnie istnieje wiele metod przygotowania porowatego Ti i stopów tytanu, w tym spiekanie, szybkie formowanie i osadzanie.

Metoda spiekania

Metoda spiekania jest tradycyjną metodą przygotowania materiałów metalowych, które są wykonane z metalu jako surowca w próżni lub atmosferze ochronnej poprzez obróbkę cieplną w wysokiej temperaturze. Metoda spiekania jest również powszechną metodą przygotowania porowatego Ti. Zgodnie z różnymi metodami uzyskiwania struktury porów, można ją podzielić na metodę środka porotwórczego, splątanie włókien, metodę układania mikrosfer, proces namaczania gąbki.

Metoda szybkiego prototypowania

Szybkie prototypowanie (RP) to metoda wytwarzania brył 3D o złożonych kształtach kontrolowanych przez model CAD. Jest szybka, dokładna i umożliwia wytwarzanie brył o złożonych kształtach. Jest to idealna metoda do wytwarzania porowatych Ti. 3D drukowanie, formowanie wtryskowe żelu i inne technologie szybkiego prototypowania.

Metoda osadzania

Ti i stop tytanu są typowymi obojętnymi biomateriałami. Aby skrócić okres gojenia po implantacji i poprawić zdolność implantu do wiązania się z ludzką kością, skuteczną metodą jest aktywacja powierzchni porowatego Ti i stopu tytanu. Metody modyfikacji powierzchni porowatego Ti i stopu tytanu obejmują głównie metodę mechaniczną, metodę fizyczną, metodę elektrochemiczną, metodę chemiczną i metodę biochemiczną (osadzanie reaktywne, elektroosadzanie, odparowywanie próżniowe, natryskiwanie plazmowe itp.)

Implanty jamy ustnej i szczękowo-twarzowe

Ti i stopy tytanu są powszechnie stosowane w naprawie zębów i kości, ale ich moduł sprężystości jest nadal nieco wyższy niż moduł sprężystości kości autologicznej, co ogranicza Ti jako materiał do naprawy kości. W chirurgii jamy ustnej i szczękowo-twarzowej zastosowanie technologii wytwarzania przyrostowego w porowatych implantach i implantach jest nadal przedmiotem badań, ale eksperymenty symulacyjne dostarczają wiarygodnych danych.

Implant kręgosłupa

Urządzenie do fuzji międzytrzonowej jest powszechnie stosowanym implantem w leczeniu schorzeń kręgosłupa, który przywraca wysokość dysku i umożliwia fuzję kości. Obecnie amerykańskie firmy Stryker, Nexxt Spine i Joimax w Niemczech uzyskały pozwolenie na dopuszczenie do obrotu swoich produktów do fuzji z porowatego stopu tytanu, które są stopniowo stosowane w praktyce klinicznej.

Implant biodra

Całkowita endoprotezoplastyka stawu biodrowego jest szeroko stosowana w leczeniu martwicy głowy kości udowej, złamań szyjki kości udowej i innych chorób i jest jedną z najczęściej wykonywanych sztucznych protez stawów. Panewka panewki jest powszechnie stosowanym implantem stawu biodrowego. Obecnie zarejestrowano i zatwierdzono szereg drukowanych w 3D porowatych panewek ze stopu tytanu.

Podsumowując, porowaty Ti ma absolutną przewagę w dziedzinie materiałów do naprawy kości w medycynie klinicznej w przyszłości ze względu na jego dobre kompleksowe właściwości. Jednak badania nad modyfikacją powierzchni, bioaktywacją i mechanizmem indukcji tkanki kostnej nadal wymagają dalszych badań. Porowaty Ti o lepszym dopasowaniu biomechaniki i aktywności biologicznej można przygotować, wybierając odpowiednie metody przygotowania i parametry procesu, aby zaspokoić potrzeby pacjentów. Badanie aktywacji powierzchni, indukcji i mechanizmu porowatego Ti może poprawić siłę wiązania między implantem a tkanką kostną, skrócić okres integracji kości i złagodzić ból pacjentów; pilnym problemem jest również zmniejszenie kosztów produkcji porowatego Ti.