Ce este aliajul de titan poros și pentru ce este folosit?

Ti și aliajele de titan au avantaje diverse și incomparabile, cum ar fi densitatea scăzută, un raport de rezistență ridicat, o bună rezistență la coroziune, rezistență la oboseală și biocompatibilitate, care au fost considerate ca fiind unul dintre cele mai ideale biomateriale în prezent și au devenit materialele preferate în clinică pentru implantarea osoasă și repararea dinților. Cu toate acestea, modulul de elasticitate al Ti și al aliajelor de titan variază între 50 și 114 GPa, dintre care cel mai frecvent utilizat Ti6Al4V este de 110GP, ceea ce este mult mai mare decât modulul de elasticitate al osului uman (0,02 până la 20GPa). Nepotrivirea modulului elastic are ca rezultat un transfer slab de sarcină de la implant la țesutul osos adiacent, ceea ce duce la un fenomen de "ecranare a tensiunilor" (stress shielding), care duce la absorbția osului, la subțierea treptată a osului cortical și la slăbirea implantului și chiar la eșec chirurgical. În plus, simpla lipire mecanică dintre implantul metalic slab și țesutul osos uman afectează durata de viață a implantului. Prin urmare, este necesar să se dezvolte un nou material medical care să se potrivească cu proprietățile mecanice ale țesutului osos și să promoveze creșterea și vindecarea țesutului osos, iar implanturile de Ti poros, și anume Ti sau aliaj de titan cu structuri poroase, devin din ce în ce mai multe puncte fierbinți de cercetare.

Structura poroasă este foarte asemănătoare cu microstructura osului uman și are caracteristicile de densitate mică, suprafață specifică mare și o bună absorbție a energiei. Aliajul de titan poros combină proprietățile fizice și chimice excelente ale aliajului de titan și structura poroasă, care poate fi utilizată pentru a simula structura trabeculară a osului uman și pentru a reduce modulul de elasticitate al aliajului de titan dens. Structura unică a porilor din Ti poros și aliajul de titan poros este favorabilă transportului de fluide corporale și nutrienți, iar suprafața sa aspră este favorabilă diferențierii și creșterii de țesut osos nou în implant, promovând formarea rapidă a țesutului osos în interiorul porului și legătura eficientă cu țesutul osos extern, astfel încât să îmbunătățească rezistența de legătură sub formă de lipire osoasă. Aliajul poros de titan este utilizat în prezent în implanturile osoase umane, în artroplastia de șold etc. și este considerat unul dintre cele mai promițătoare materiale biomedicale din prezent. Cu toate acestea, nu există o concluzie unitară cu privire la dimensiunea optimă a porilor, porozitatea și alți parametri geometrici.

După oțelul inoxidabil și aliajul de cobalt, Ti poros și aliajul de titan au devenit a treia generație de materiale metalice medicale care apar în domeniul tratamentului medical și clinic. Materialul excelent pentru înlocuirea țesuturilor dure umane ar trebui să îndeplinească următoarele cerințe:

• Proprietăți mecanice similare cu cele ale osului uman. Proprietățile mecanice, cum ar fi modulul de elasticitate, sunt principalele aspecte pe care Ti poros trebuie să le ia în considerare ca material de substituție pentru țesutul osos uman. De asemenea, acesta are un modul de elasticitate asemănător cu cel al osului uman (modulul de elasticitate al osului compact 3~30 GPa, modulul de elasticitate al osului spongios 1~2 GPa) și o rezistență mecanică suficientă (rezistența la compresiune a osului compact 0,3~1,5 MPa, rezistența la compresiune a osului spongios 100~230 MPa). Prin urmare, relația dintre porozitate, rezistență și modulul de elasticitate ar trebui să fie luată în considerare în mod cuprinzător. Aliajul poros de Ti echilibrează rezistența și modulul elastic îndeplinește cerințele de încărcare in vivo și are compatibilitate mecanică.
• Biocompatibilitate și bioactivitate bune. Biocompatibilitatea și bioactivitatea sunt condițiile prealabile pentru aplicarea clinică de succes a implanturilor de Ti poros, care favorizează aderența, proliferarea și creșterea osteoblastelor și promovează creșterea celulelor osoase în implant pentru a forma o fixare biologică între implant și os. Structura poroasă conectată îmbunătățește biocompatibilitatea implanturilor din Ti într-o anumită măsură, dar Ti este un material bioinert, care poate fi combinat doar mecanic cu implanturile. Compoziția chimică, structura și proprietățile de suprafață adecvate pot îmbunătăți activitatea biologică a Ti poros, ceea ce este favorabil formării unei bune legături osoase între implant și țesutul osos. Prin urmare, modificarea suprafeței este foarte importantă pentru a îmbunătăți biocompatibilitatea și bioactivitatea Ti poros.
• Porozitate bună. Proprietățile mecanice ale Ti poros au fost ajustate prin porozitate, dimensiunea porilor și distribuția porilor pentru a se potrivi cu osul natural. Porozitatea adecvată a fost de 50%-80%, iar dimensiunea porilor a fost de 150-500 μm, ceea ce a creat, de asemenea, condiții pentru creșterea spre interior a celulelor și pentru fluxul de fluid.
• Rezistență bună la coroziune. Existența porilor determină o coroziune locală complexă a Ti poros în mediul fluidelor corporale. Suprafața extrem de extinsă crește șansele de reacție de contact între implant și fluidul corporal, ceea ce face ca deteriorarea prin coroziune să apară cu ușurință. Rata de coroziune este strâns legată de mediul fluidului corporal, de porozitate, de morfologia și structura porilor etc. Se poate observa că porozitatea și alți parametri înrudiți sunt, de asemenea, cheia pentru controlul rezistenței la coroziune a Ti poros.

Fiind cel mai potențial material de reparare a oaselor, Ti poros trebuie să suporte o anumită presiune și să aibă proprietăți mecanice compatibile cu țesutul osos pentru a evita eșecul chirurgical cauzat de concentrația de stres. O bună biocompatibilitate și bioactivitate sunt, de asemenea, condiții necesare pentru ca Ti poros să fie utilizat ca material de implant ortopedic.

Structura poroasă conectată tridimensională este o caracteristică semnificativă a Ti poros biomedical și a aliajelor de titan. Proprietățile mecanice ideale și biocompatibilitatea sunt strâns legate de controlul porozității și al dimensiunii porilor, astfel încât prepararea aliajelor poroase de Ti și de titan este deosebit de importantă. În prezent, există multe metode de preparare a aliajelor poroase de Ti și de titan, inclusiv sinterizarea, formarea rapidă și depunerea.

Metoda Sinter

Metoda de sinterizare este o metodă tradițională de preparare a materialelor metalice, care este făcută din metal ca materie primă într-un vid sau într-o atmosferă protectoare prin tratament termic la temperaturi ridicate. Metoda de sinterizare este, de asemenea, o metodă obișnuită de preparare a Ti poros. În funcție de diferitele metode de obținere a structurii porilor, aceasta poate fi împărțită în metoda agentului de formare a porilor, metoda de încâlcire a fibrelor, metoda de stivuire a microsferelor, procesul de înmuiere a buretelui.

Metoda de prototipare rapidă

Prototiparea rapidă (RP) este o metodă de fabricare a pieselor solide 3D cu formă complexă, controlată de un model CAD. Este rapidă, precisă și poate fabrica solide de formă complexă. Este o metodă ideală pentru a fabrica materiale poroase Ti. 3D imprimare, modelare prin injecție de gel și alte tehnologii de prototipare rapidă.

Metoda de depunere

Ti și aliajul de titan sunt biomateriale inerte tipice. Pentru a scurta perioada de vindecare după implantare și pentru a îmbunătăți capacitatea implantului de a se lega de osul uman, activarea suprafeței poroase a Ti și a aliajului de titan este o metodă eficientă. Metodele de modificare a suprafeței Ti poros și a aliajului de titan includ în principal o metodă mecanică, o metodă fizică, o metodă electrochimică, o metodă chimică și o metodă biochimică (depunere reactivă, electrodepunere, evaporare în vid, pulverizare cu plasmă etc.).

Implanturi orale și maxilo-faciale

Ti și aliajele de titan sunt utilizate în mod obișnuit în repararea dinților și a oaselor, dar modulul lor de elasticitate este încă puțin mai mare decât cel al osului autolog, ceea ce limitează Ti ca material de reparare a oaselor.În chirurgia orală și maxilo-facială, aplicarea tehnologiei de fabricație aditivă în implanturile și implanturile poroase este încă în curs de cercetare în general, dar experimentele de simulare oferă date fiabile.

Implant spinal

Un dispozitiv de fuziune interbody este un implant utilizat în mod obișnuit în cazul afecțiunilor coloanei vertebrale, care restabilește înălțimea discului și permite fuziunea osoasă. În prezent, compania Stryker din Statele Unite, Nexxt Spine și Joimax din Germania au obținut autorizația de introducere pe piață pentru produsele lor de fuziune din aliaj de titan poros, care sunt aplicate treptat în practica clinică.

Implant de șold

Înlocuirea totală a șoldului a fost utilizată pe scară largă în tratamentul necrozei capului femural, al fracturii gâtului femural și al altor boli, fiind una dintre cele mai răspândite înlocuiri artificiale ale articulațiilor. Cupa acetabulară este un implant de șold utilizat în mod obișnuit. În prezent, o serie de cupe acetabulare din aliaj de titan poros imprimate 3D au fost înregistrate și aprobate.

În concluzie, Ti poros are un avantaj absolut în domeniul materialelor de reparare a oaselor în medicina clinică în viitor, datorită proprietăților sale bune și cuprinzătoare. Cu toate acestea, cercetările privind modificarea suprafeței, bioactivarea și mecanismul de inducție a țesutului osos trebuie încă studiate în continuare. Tiul poros cu o mai bună potrivire a biomecanicii și a activității biologice poate fi preparat prin selectarea unor metode de preparare și a unor parametri de procesare adecvați pentru a satisface nevoile pacienților. Studiul activării de suprafață, al inducerii și al mecanismului Ti poros poate îmbunătăți rezistența de lipire între implant și țesutul osos, poate scurta perioada de integrare osoasă și poate atenua durerea pacienților; modul de reducere a costului de fabricație a Ti poros este, de asemenea, o problemă urgentă.