Από τη δεκαετία του 1940, πολλοί μελετητές έχουν μελετήσει τους συσχετισμούς απόδοσης της βιολειτουργίας του τιτανίου. Οι μελέτες έχουν περιλάβει πολλούς κλάδους όπως η φυσική, η χημική, η βιοϊατρική και η προηγμένη ηλεκτρονική μικροσκοπία και οι βιοχημικές αναλύσεις. Η εξασφάλιση της καλής βιοσυμβατότητας, της μηχανικής συμβατότητας και των αντίστοιχων κριτηρίων για τα εμφυτεύματα τιτανίου όπως η μεθοδολογία και η ανάπτυξη χειρουργικών εμφυτευμάτων είναι ζωτικής σημασίας. Μια σύντομη περιγραφή των μελετών που σχετίζονται με την εφαρμογή σκληρού ιστού σε ιστό όγκου θα παρουσιαστεί τώρα.
1 Βιολογικές ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται συνήθως για κρανιακά κράματα τιτανίου καρφιά σωλήνων καθαρού τιτανίου
1.1 Βιοσυμβατότητα κραμάτων τιτανίου για ιατρική χρήση
Διάφορα φυσικοχημικά. μετά την αλληλεπίδραση μεταξύ των κραμάτων τιτανίου και του ανθρώπινου σώματος. Βιοηλεκτρικές και άλλες αντιδράσεις ή ανοχή, όπως κυτταροτοξικότητα, γονοτοξικότητα, διάβρωση, αιμόλυση, αλλεργία κ.λπ.. Τα κράματα τιτανίου έχουν καλή βιοσυμβατότητα, είναι ισχυρότερο από το ανοξείδωτο χάλυβα και τα κράματα με βάση το κοβάλτιο. Η μικροδομή των κραμάτων τιτανίου ταξινομείται ως προς (π.χ. συστήματα καθαρού τιτανίου), + διφασικά υβρίδια (π.χ. G., Ti6al4V, κ.λπ.) ή κράματα τιτανίου τύπου. ή κράματα τιτανίου τύπου. Κατά το σχεδιασμό της μικροδομής και την επιλογή του σχεδιασμού ενός υλικού ιατρικού κράματος τιτανίου, τα διάφορα συστατικά του κράματος θα πρέπει να είναι απαλλαγμένα από ανεπιθύμητες αντιδράσεις. Η πρώτη γενιά Ti-6AL-4V (TC4) είναι ένα τυπικό + διφασικό κράμα τιτανίου υψηλής θερμοκρασίας. Ωστόσο, αυτό το κράμα περιέχει v, μια τοξική παρενέργεια στους ζωντανούς οργανισμούς, και οι κλινικές εφαρμογές έχουν βρει ότι η βιοτοξικότητα v πρέπει να υπερβαίνει αυτή του Ni και του Cr. Η δεύτερη γενιά είναι τα κράματα τιτανίου τύπου + Ti-6a1-7nB και Ti-5a1-2, FE, του Nb.5FE έχει αναπτυχθεί στην Ελβετία και τη Γερμανία, και είναι ενσωματωμένο στο διεθνές πρότυπο βιοϋλικών.
Η χρήση βήτα τύπου ιατρικού κράματος τιτανίου TI-13N-13ZR τρίτης γενιάς επίμυων χαμηλής ποιότητας, TI-12MO-6ZR-2FE (TMZF ), TI-29Σημείωση-13TA-4. Το 6ZR (TNTZ) είναι το παγκόσμιο hotspot έρευνας για υλικά ιατρικού κράματος τιτανίου και το κύριο επίκεντρο της κατεύθυνσης της βοήθειας. Το TI-13NB-13ZR αναπτύχθηκε το 1994, το πρώτο που συμπεριλήφθηκε επίσημα στο διεθνές πρότυπο TI-12MO-6ZR-2FE (TMZF) χρησιμοποιήθηκε το 2000 και έχει χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή αρθρώσεων ισχίου. Αυτά τα νέα κράματα βήτα τιτανίου έχουν σχετικά χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας. Είναι σημαντικό να υπάρχει καλή βιοσυμβατότητα για την πρόληψη της οστικής πυκνότητας και τη μείωση της πιθανότητας μειωμένης αποτυχίας του εμφυτεύματος. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη βιοσυμβατότητα περιλαμβάνουν τον τύπο της ουσίας εμφυτεύματος, τη μορφολογία και τη μορφολογία της επιφάνειας της συσκευής, το έργο, τις φυσικοχημικές ιδιότητες και τις μηχανικές ιδιότητες. Ωστε να
αλλοιώνουν τον χαρακτηρισμό και τις βιολογικές ιδιότητες των βιοϋλικών, η εφαρμογή διαφορετικών μεθόδων επεξεργασίας επιτρέπει τον έλεγχο σε ένα ευρύτερο φάσμα μικροδομικών μορφών. Η βιοσυμβατότητα και οι οστεογονικές ιδιότητες μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε μηχανικές, φυσικές, χημικές και ηλεκτροχημικές. Αυτά περιλαμβάνουν τη χρήση αμμοβολημένου τιτανίου και κραμάτων τιτανίου, ιλύος τιτανίου πλάσματος, επικαλύψεις υδροξυαπατίτη, οξείδωση μικρο-τόξου, όξινη χάραξη ή αμμοβολή, τα οποία μπορούν να προάγουν τον σχηματισμό επιφανειακής αφυδάτωσης οστού, να συντομεύσουν τη διαδικασία επούλωσης των οστών και να διευκολύνουν τη συναρμολόγηση νέου οστικού ιστού για να σχηματιστεί ένα μηχανικό συγκρότημα. Αυξάνοντας έτσι την αντοχή του εμφυτεύματος και του οστικού ιστού.
1.2 Εμβιομηχανική συμβατότητα υλικών από ιατρικό κράμα τιτανίου
Τα υποκατάστατα των οστών και των αρθρώσεων υπόκεινται σε μια ποικιλία από κάμψη, συμπίεση, επέκταση, διάτμηση και άλλες εμβιομηχανικές επιδράσεις. Ως εκ τούτου, οι μηχανικές ιδιότητες των εμφυτευμάτων είναι πολύ απαιτητικές. Οι μηχανικές ιδιότητες καθορίζουν τον τρόπο επιλογής ενός μεταλλικού υλικού για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Οι πιο σημαντικές ιδιότητες είναι η σκληρότητα, η αντοχή σε εφελκυσμό, ο συντελεστής ελαστικότητας, η αντοχή στην τριβή, οι ιδιότητες κόπωσης και η επιμήκυνση. Εάν το οστικό εμφύτευμα δεν είναι αρκετά ισχυρό ή εάν οι μηχανικές ιδιότητες μεταξύ οστού και εμφυτεύματος δεν ταιριάζουν, τότε αυτό ονομάζεται εμβιομηχανική ασυμβατότητα. Δύο προσεγγίσεις στα κράματα τιτανίου διερευνώνται συνήθως σε μια προσπάθεια να μειωθεί ή να επιλυθεί η απόφραξη του στρες. Απόκτηση καλής εμβιομηχανικής συμβατότητας: ένας νέος τύπος ιατρικού κράματος τιτανίου που μειώνει το μέτρο ελαστικότητας των κραμάτων τιτανίου και βελτιώνει τη βιοδραστικότητα των κραμάτων τιτανίου. -τύπος (που περιέχει Al και O, n αέρια στοιχεία), -τύπος (που περιέχει Mo, NB, ταρτάρ, v, κ.λπ.). Οι μικροδομές -τύπου (που περιέχει Al και O, n-αέρια στοιχεία), -τύπου (που περιέχει Mo, NB, Ta, v, κ.λπ.) και + -τύπου τριών τύπων κραμάτων τιτανίου. Η διαφορετική επεξεργασία των κραμάτων ελέγχει τη σωστή αναλογία και κατανομή των φάσεων - και - για να σχηματίσει διαφορετικούς οργανισμούς για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων τους.
Στους επιμέρους μηχανικούς δείκτες των κραμάτων τιτανίου, δεν είναι επιθυμητό να προσδιοριστεί εάν είναι ανεπιθύμητη εμβιομηχανική συμβατότητα. Εάν βελτιωθεί η αντοχή ενός κράματος τιτανίου, ο μεταλλικός συντελεστής ελαστικότητας, η σκληρότητα/αντοχή στη φθορά, η αντοχή σε κόπωση θα αυξηθούν και η πλαστικότητα θα μειωθεί. Η παραπάνω αντίφαση κάνει κάποιες από τις μηχανικές αντοχές του υλικού να διασφαλίζουν ότι οι άλλες μηχανικές ιδιότητες της εφαρμογής ταιριάζουν. Το στοιχείο EG, al, V είναι πολύ αποτελεσματικό για την αντοχή των κραμάτων τιτανίου. Ωστόσο, η πλαστική σκληρότητα του υλικού μειώνεται. Επιπλέον, βελτιώνεται ο συντελεστής ελαστικότητας. Επομένως, τα ιατρικά κράματα τιτανίου θα πρέπει να αποφεύγονται ή να προστίθενται σε μικρές ποσότητες. Ωστόσο, στοιχεία όπως zr, NB, Ta, Mo, HF, Sn μπορούν να ενισχύσουν το τιτάνιο με μικρή επίδραση στην σκληρότητα του πλαστικού. Ταυτόχρονα, βοηθά στη μείωση του συντελεστή ελαστικότητας των κραμάτων τιτανίου. Μπορεί να προστεθεί. Μπορεί να αλλάξει στη δομή της εσωτερικής κοιλότητας της επισκευής για να παρασκευαστεί πορώδες τιτάνιο για μείωση του συντελεστή ελαστικότητας ή της ακαμψίας. Τα κράματα Ti{0}}a1-4V που εγχέονται ως διακλαδισμένες επιφάνειες χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ιατρικών προϊόντων. Ωστόσο, το πυκνό Ti6-Al4-V έχει συντελεστή ελαστικότητας 110 GPA και φυσικό φλοιώδες οστό 0,5 GPA έως 20 GPa.
Από την άποψη της εμβιομηχανικής συμβατότητας, ένας μεγάλος αριθμός κλινικών μελετών έχει αποδείξει την κακή συμβατότητα υλικού των συμβατικών μεταλλικών εμφυτευμάτων. Υπάρχει αναντιστοιχία στις μηχανικές ιδιότητες του οστικού ιστού και ασθενής διεπιφανειακός συνδυασμός με τον σκληρό ιστό αντικατάστασης. Τέλος, χαλάρωση εμφυτεύματος ή αυτόλογο κάταγμα. Η εφαρμογή νέων τεχνολογιών εμφυτευμάτων όπως τα κράματα τιτανίου με τρισδιάστατες δομές πόρων βελτιώνει την παρουσία οπών στην απόδοση του εμφυτεύματος.
(1) Η πυκνότητα, η δύναμη και ο συντελεστής ελαστικότητας των μεταλλικών εμφυτευμάτων μπορούν να προσαρμοστούν στις διαστάσεις του μεγέθους των πόρων και του πορώδους για να επιτευχθεί μηχανική συμβατότητα. Η αποφυγή του οστού γύρω από το εμφύτευμα μειώνει τις νέες οστικές παραμορφώσεις και τη φέρουσα ικανότητα του.
(2) Η τρισδιάστατη δομή διεισδυτικού πλέγματος και οι τραχιές εσωτερικές και εξωτερικές επιφάνειες ευνοούν τους οστεοβλάστες με ισχυρές συγκολλητικές ιδιότητες, που διαφοροποιούνται από το πολλαπλασιαστικό δυναμικό των επιφανειών τους. Μπορεί να σχηματιστεί κάθετη επούλωση των οστών, βελτιώνοντας τη βιολογική στερέωση του εμφυτεύματος και του οστού. Εκτός από την παραπάνω σύνθεση, η δομή μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες του υλικού και η κατασκευή και η επεξεργασία κραμάτων τιτανίου μπορεί επίσης να ρυθμίσει τις μηχανικές ιδιότητες και την αντίσταση στη διάβρωση του υλικού σε ένα σχετικά μεγάλο εύρος.
2 Ιδιότητες κρανιοπροσωπικών κραμάτων τιτανίου για εξατομικευμένη επεξεργασία εμφυτευμάτων
Τα κράματα τιτανίου έχουν εξαιρετικές ιδιότητες και επομένως απαιτούν μια ποικιλία μεθόδων χύτευσης για την επεξεργασία συγκεκριμένων σχημάτων που πληρούν τις απαιτήσεις. Τα εμφυτεύματα ιατρικού κράματος τιτανίου σε σχήμα σκι μπορούν να παρασκευαστούν μέσω της προετοιμασίας διαδικασιών σφυρηλάτησης ακριβείας, διεργασιών προφίλ κυλίνδρων, διεργασιών χύτευσης ακριβείας τήξης υπό κενό. Οι θερμοηλεκτρικές και άλλες υδροστατικές πρέσες μπορούν να εξαλείψουν την εσωτερική χαλαρή οργάνωση της χύτευσης κράματος. Έχει βελτιωμένες ιδιότητες κράματος. Λόγω της πολυπλοκότητας της δομής του κρανίου, ο σχεδιασμός και η κατασκευή διπλωμένων πυρίμαχων ελαττωμάτων ήταν δύσκολη με χρήση σχεδίασης με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD), αριθμητικής προσομοίωσης με τη βοήθεια υπολογιστή (CAE), τεχνικών κατασκευής προσθέτων για την παρασκευή (AM: AdditiveManufacure), κ.λπ. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή πυρίμαχων ελαττωμάτων ήταν δύσκολη με τη χρήση σχεδίασης με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD), αριθμητικής προσομοίωσης με τη βοήθεια υπολογιστή (CAE), τεχνικών κατασκευής πρόσθετων για την προετοιμασία πυρίμαχων ελαττωμάτων. Εξασφαλίζει ακριβή έλεγχο της τελικής επισκευής χρησιμοποιώντας το πολύπλοκο σχήμα και την εσωτερική δομή του κρανιακού σκελετού.
Οι τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων με δέσμη ηλεκτρονικών ακτίνων ή λέιζερ μπορούν να σχεδιαστούν για την άμεση απόκτηση τρισδιάστατων μεσοπορωδών εμφυτευμάτων τιτανίου με διάφορες εσωτερικές χωρικές δομές και διαφορετικά πορώδες βάσει οποιουδήποτε σύνθετου σχεδίου τρισδιάστατου μοντέλου CAD. Η βιολογική τραχύτητα της επιφάνειας είναι πιο λογική και η διαδικασία είναι πιο αξιόπιστη. Και μπορούν να παρασκευαστούν σχεδιάζοντας με ακρίβεια τις κυψέλες πλέγματος και τις διαστάσεις του πλέγματος για προετοιμασία, χωρική κατανομή, σχήμα κ.λπ. Περισσότερα, προσαρμόζοντας τις μηχανικές τους ιδιότητες. Και περισσότερο, προσαρμόζοντας τις μηχανικές τους ιδιότητες. Η αντιστοίχιση των μηχανικών ιδιοτήτων του ανθρώπινου σκληρού ιστού επιτρέπει την εξατομικευμένη κατασκευή. Συμπληρωματική τεχνολογία κατασκευής, γνωστή και ως τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων με κύριο στόχο την προετοιμασία εξατομικευμένων εμφυτευμάτων για την αποκατάσταση ελαττωμάτων διαφόρων βαθμών ενδοπεριτοναίου, όπως η αποκατάσταση ελαττωμάτων της κάτω γνάθου. Οι τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων για την άμεση κατασκευή εμφυτευμάτων τιτανίου είναι κυρίως: ebm (ηλεκτρονικό φως, ebm), Se-Lectivelasermelting (SLM) κ.λπ. Αυτές οι δύο μέθοδοι έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον και έχουν χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα στην στον τομέα της κατασκευής εμφυτευμάτων τιτανίου. Αυτές οι δύο μέθοδοι έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή επειδή παρέχουν ακριβή έλεγχο στη δομή των εσωτερικών πόρων και σε πολύπλοκα σχήματα. Η τρισδιάστατη εκτύπωση για την κατασκευή κραμάτων τιτανίου είναι τεχνικά δύσκολη λόγω του σχετικά υψηλού σημείου τήξης του μετάλλου. Περιλαμβάνει μια ποικιλία φυσικών διεργασιών όπως η αλλαγή φάσης στερεού-υγρού, η διάχυση στην επιφάνεια και η θερμική αγωγιμότητα. Τα ζητήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη περιλαμβάνουν εάν το κράμα τιτανίου είναι καλά οργανωμένο μετά την κρυστάλλωση, εάν ολόκληρο το δείγμα είναι ομοιογενές και το μέγεθος των εσωτερικών ακαθαρσιών και οπών, για παράδειγμα. Επιπλέον, η ταχεία θέρμανση και ψύξη θα προκαλέσει επίσης μεγαλύτερες υπολειμματικές τάσεις στο δοκίμιο.
Η τεχνολογία τήξης ηλεκτρονικής δέσμης αναπτύχθηκε στα μέσα-1990 με την ανάπτυξη μιας πηγής ενέργειας για δέσμες ηλεκτρονίων. Επιλέγοντας μια μεταλλική σκόνη και στη συνέχεια λιώνοντάς την, ένα σύστημα υπολογιστή ελέγχει την τήξη και την προβολή των ηλεκτρονίων. Η όλη διαδικασία πραγματοποιείται σε περιβάλλον κενού. Το κράμα Ti-6Al-4V διατηρήθηκε στους 626-700 βαθμούς κατά τη διαδικασία προετοιμασίας. Το κράμα έχει καλύτερη μικροδομή και αντιστοίχιση μηχανικών ιδιοτήτων. Έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: η υψηλότερη θερμοκρασία διατηρεί το παρασκευασμένο κράμα στην κατάσταση επιστροφής. Οι υπολειπόμενες τάσεις στο εξάρτημα εξαλείφονται. Εξασφαλίζεται η ομοιομορφία της μικροδομής του κράματος. Η σύνθεση κράματος του εξαρτήματος είναι καθαρή, μειώνοντας την περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Μείωση της παραγωγής μαρτενσιτικών φάσεων.
Το κράμα Ti-6Al-4V παρασκευάστηκε από τους al-bermani, Blackmore και άλλους στο Ηνωμένο Βασίλειο χρησιμοποιώντας τη μηχανή Arcams12 EBM. Η μικροδομή, η υφή και οι μηχανικές ιδιότητες του κράματος μελετήθηκαν σε βάθος. Ο BASS, ένας Αμερικανός μελετητής, μελέτησε τη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων που παρασκευάζονται με τη μέθοδο EBM. Επισημαίνεται ότι το κράμα έχει καλές μηχανικές ιδιότητες. Κράματα που παρασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο οι ιδιότητες εφελκυσμού και οι συμβατικές μέθοδοι παρασκευής κράματος είναι συγκρίσιμες. Οι μελετητές Koike και Joshi, οι Ηνωμένες Πολιτείες που χρησιμοποιούν τον εξοπλισμό Arcama2 EBM για οδοντικά εμφυτεύματα TI-6AL{-4Το κράμα Veli, το κράμα πρέπει να μπορεί να δοκιμάζει και να δοκιμάζει κόπωση. Οι Murr et al. ΗΠΑ. Για να μελετήσετε την οργάνωση και τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος Ti{-6Al-4V με τη μέθοδο EBM και να το συγκρίνετε με το σφυρήλατο κράμα Ti-6AL-4V. Αυτή η μελέτη δείχνει το κράμα Ti-6Al-4V με τη μέθοδο EBM, το οποίο έχει την αντοχή και την πλαστικότητα του σφυρήλατος κράματος. Είναι επίσης κατάλληλο για την παρασκευή ιατρικών εμφυτευμάτων.
Ένας άλλος εθνικός και διεθνής μελετητής διεξήγαγε δοκιμές απόδοσης συμπίεσης και δοκιμές κόπωσης με τη μέθοδο EBM πορώδους υλικού από κράμα TI{-6AL{-4V. η πρώτη κλινική περίπτωση EBM που κατασκευάστηκε από την EBM ήταν η επιτυχής εμφύτευση ενός γυναικείου εμφυτεύματος ηλικίας 83 ετών το 2011. Τα περισσότερα προσαρμοσμένα εμφυτεύματα τιτανίου επεξεργάζονται, βρίσκονται, σφυρηλατούνται και τελειώνουν με άλλες προπαρασκευαστικές διαδικασίες. Η απευθείας κατασκευή μετάλλων, για παράδειγμα, η EBM είναι ανώτερη από αυτές τις τεχνικές επειδή όχι μόνο αλλάζει την τοπογραφία της επιφάνειας του εμφυτεύματος, αλλά επιτρέπει επίσης την κατασκευή συγκεκριμένων σχημάτων και δομών εμφυτευμάτων με βάση αρχεία σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή. Η χρήση εμφυτευμάτων που κατασκευάζονται από EBM ως εναλλακτική λύση στο συμβατικό φρεζάρισμα και σύστημα διεύθυνσης συζητείται στο Cronskr και σε άλλες μελέτες. Η οικονομική σκοπιμότητα συζητείται.
Η επιλογή της τεχνολογίας τήξης με λέιζερ είναι μια τεχνική που λιώνει πλήρως μέσω μεταλλικών σκονών υπό τη θερμική δράση μιας δέσμης λέιζερ το 1995. Η τεχνολογία SLM έχει επικυρωθεί για επιτυχημένη εφαρμογή στη βιοϊατρική κατασκευή κράματος τιτανίου. Μπορούν να σχηματιστούν φυσικά υλικά και πορώδη υλικά με ελεγχόμενο πορώδες και αντίστοιχη αντοχή σε θλίψη μπορούν να ληφθούν κατόπιν αιτήματος. Όπλα μαζικής καταστροφής, Γερμανία κ.λπ. Τυπικές μέθοδοι όπως MTT, Brdu και WST χρησιμοποιήθηκαν για να δοκιμαστεί η επίδραση του μεγέθους πόρων του SLM στη βιοσυμβατότητα και στις συμπιεστικές του ιδιότητες στο σχηματισμό ικριωμάτων Ti-6Al-4V.
3.Περίληψη
Καθώς τα χειρουργικά εμφυτεύματα πρέπει να εμφυτεύονται υλικά από κράμα τιτανίου με καλή βιοσυμβατότητα και μηχανική συμβατότητα στον μακροπρόθεσμο φυσιολογικό δακτύλιο. Η διασφάλιση μακροπρόθεσμης σωματικής ασφάλειας και σταθερότητας με θεραπευτικά οφέλη είναι ένας σημαντικός παράγοντας. Εκτός από την ανάγκη για αυστηρό σχεδιασμό και επιλογή κραμάτων χωρίς δυσμενείς επιπτώσεις, διασφαλίζεται η ποιότητα της μεταλλουργίας και της επεξεργασίας του υλικού και ο έλεγχος της εσωτερικής μικροδομής, της μικροδομής και η βελτίωση της κατάστασης της επιφάνειας του υλικού για τη βελτιστοποίηση της επεξεργασίας. επίσης σημαντικό τεχνολογικό εργαλείο.
