0
04136674922

پیشرفت ­های اخیر آلیاژهای پایه تیتانیم برای کاربردهای زیست پزشکی

تیتانیم عنصری راهبردی است که خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی جالب توجهی از خود بروز می ­دهد. استحکام به وزن بالا، چگالی نسبی پایین و مقاومت به خوردگی از جمله این خواص هستند که موجب شده­ اند این فلز در میان سایر فلزات از برجستگی­ های قابل ملاحظه ­ای برخوردار باشد. خواص عالی این ماده سبب پیدایش کاربردهای عملی گسترده ­ای برای آن شده است. صنایع مختلف از جمله حوزه پیشرفته هواپیما و هوافضا، عرصه عمومی خودرو، حوزه خاص تجهیزات زیست ­پزشکی، حوزه مهندسی مربوط به تجهیزات فراوری­ های شیمیایی، نما و ساختمان، تجهیزات ورزشی و حتی زیورآلات از این فلز بهره می ­گیرند. این فلز دارای فازهای مختلفی است که هرکدام ویژگی­ های منحصر به خود را بروز می ­دهند. انتخاب ماده با توجه به کاربرد مورد نظر صورت می ­گیرد. توانایی بالای این ماده برای آلیاژسازی و ارتقای خواص مختلف از این طریق از دیگر مزایای آن است که موجب پیدایش انواع گسترده ­ای از آلیاژهای پایه تیتانیم با جذابیت ­های بالای صنعتی شده است. اگر چه قیمت بالای این فلز و آلیاژهای آن هنوز مانع گستردگی کاربرد تیتانیوم در صنایع شده است، اما دنیای تحقیقات و پژوهش­ های صنعتی به دنبال روش­ های نوین تولید ماده اولیه و قطعات نهایی تیتانیمی است تا هزینه تمام شده محصولات را مقرون به صرفه ­تر کند.

 

 

فلز تیتانیم پرینت شده به عنوان جناغ و دنده های قفسه سینه

 

 

در این نوشته به کاربردهای زیست ­پزشکی این فلز ارزشمند و پیشرفت ­های اخیر صورت گرفته در این حوزه پرداخته می شود.

 

 

کاربردهای زیست پزشکی تیتانیم

 

استفاده از تیتانیم در حوزه زیست پزشکی، به یک امر محرز بدل شده است، زیرا تیتانیم الزامات مورد نیاز را بهتر از هر ماده رقیبی مثل فولادهای زنگ­ نزن، آلیاژهای کبالت-کروم، نایوبیم با خلوص تجاری و تانتالم با خلوص تجاری) برآورده می ­سازد. از جمله خواصی که برای کاربردهای زیست پزشکی مورد توجه می­ باشند می ­توان به مقاومت به خوردگی، زیست­سازگاری، چسبندگی (رویش درونی استخوان)، مدول الاستیسیته (باید تا حد ممکن نزدیک به مدول استخوان باشد که در حدود ۳۰-۱۰ گیگاپاسکال است)، استحکام خستگی و فرایندپذیری مناسب (ریخته ­گری و برقراری اتصال) اشاره کرد. به ­طور خاص، مقاومت به خوردگی و زیست­ سازگاری عالی تیتانیم، آن را به یکی از گزینه ­های برتر تبدیل کرده است. حتی قیمت تیتانیم که به ­طور طبیعی یکی از معایب آن برای به­ کارگیری است، در مقام مقایسه تنها کمی بیش از آلیاژهای کبالت-کروم و انواع فولادهای زنگ ­نزن است و در مقایسه با نایوبیم و تانتالم با خلوص تجاری، قیمت تیتانیم به مراتب کمتر است.

 

ادوات زیست پزشکی بسیار زیاد و متفاوتی وجود دارند که از جنس تیتانیم ساخته می ­شوند، مثل پلاک استخوان، پیچ ­ها، ایمپلنت ­های اتصال مفصل ران، استنت ­ها، دریچه ­های قلب و انواع متفاوت دیگری از فیکسچرهای مورد استفاده در حوزه دندان­ پزشکی.

 

سه دسته از آلیاژهای تیتانیم (تیتانیم تجاری یا CP، آلیاژهای تیتانیم α+β و آلیاژهای تیتانیم β) در حوزه زیست پزشکی مورد استفاده قرار می ­گیرند. به­ علاوه، وسایلی نیز وجود دارند که از آلیاژهای حافظه ­دار بر پایه ترکیب تیتانیم-نیکل استفاده می ­کنند.

 

تیتانیم CP و آلیاژ Ti-6Al-4V اولین مواد تیتانیمی مورد استفاده در کاربردهای زیست پزشکی بودند و حتی امروزه نیز این دو ماده بیش ­ترین مصرف را در این حوزه دارند. به دلیل تردید در مورد مشکلات سمیت دراز مدت ناشی از وانادیم، آلیاژهای α+β مثل Ti-5Al-2.5Fe و Ti-6Al-7Nb در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافتند. این دو آلیاژ ریزساختار مشابهی با آلیاژ Ti-6Al-4V دارند. سپس در دهه ۱۹۹۰، تعدادی از آلیاژهای تیتانیم β توسعه یافتند که دلیل عمده آن استحکام خستگی بالاتر و مدول الاستیسیته کمتر آن­ ها نسبت به آلیاژهای تیتانیم α+β بود. این دو خاصیت برای کاربردهایی مثل ایمپلنت ­های اتصال مفصل ران حائز اهمیت است.

 

 

 

  • برای آشنایی بیشتر با آلیاژهای تیتانیم، مطالعه نوشته زیر از عصر مواد توصیه می شود:

 

تیتانیم و آلیاژهای تیتانیم + معرفی کتاب

 

 

 

اولین مثال بیانگر استفاده از تیتانیم، پلاک استخوان می ­باشد. دو عکس اشعه X در تصویر زیر، استخوان شکسته را قبل (a) و بعد (b) از اتصال پلاک استخوان نشان می ­­­­دهد.

 

 

استفاده از تیتانیم به عنوان پلاک استخوانی

 

 

برای پلاک استخوان که در آن الزامات استحکامی خیلی حائز اهمیت نیست، تیتانیم CP گزینه منتخب برای جنس آن است که بسته به پیچیدگی شکل و استحکام مورد نیاز می­توان درجه ۱ تا ۴ از آن را به­ کار برد. در اغلب این کاربردها، برای مصالحه میان شکل­ پذیری بسیار خوب و استحکام خستگی در حد کفایت، تیتانیم CP درجه ۳ بهترین انتخاب محسوب می شود. تیتانیم CP درجه ۳ ساخت آسان پلاک ­هایی با اشکال پیچیده ­تر را میسر می ­سازد.

 

سخت­ ترین کاربرد برای ایمپلنت­ های زیست پزشکی که به استحکام خستگی بالایی نیاز دارد، ساقه ایمپلنت مفصل ران می ­باشد. یک اتصال مفصل ران مصنوعی به صورت نمادین در شکل زیر نشان داده شده است. ساقه تیتانیمی دارای یک سر سرامیکی (معمولا Al2O3  یا ZrO2) است که درون یک حفره فنجان مانند از جنس پلی ­اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، چرخش می ­کند. این تلفیق از مواد، ضریب اصطکاک پایینی دارد. فنجانک معمولاً از طریق مکانیزم پرچ به یک پوسته فلزی نگه داشته شده که آن نیز به نوبه خود از طریق پیچ به استخوان ثابت می شود. هم پوسته فلزی و هم پیچ­ ها نیز از تیتانیم ساخته شده­ اند.

 

 

 

استفاده از تیتانیم به عنوان ساقه ایمپلنت مفصل ران

 

 

متداول ­ترین آلیاژ تیتانیم که برای ساقه مفصل ران استفاده می شود، آلیاژ Ti-6Al-4V است. این ساقه معمولاً از نوع آلیاژ α+β فورج شده و تنش ­زایی شده می ­باشد، بنابراین ریزساختار آن بسته به جزئیات روش تولید آن، یا به ­صورت نورد-آنیل شده و یا به­ صورت کاملاً هم ­محور می ­باشد.

 

به­ منظور تسهیل بهتر چسبندگی (رویش درون استخوانی)، سطح ساقه پرداخت­ کاری شده، اهمیت بسیاری دارد. به ­طورکلی، رفتار رویش استخوان با افزایش زبری سطح ساقه بهبود می ­یابد. روش ­های متعددی برای پرداخت ­کاری سطح مانند ماشین ­کاری، اچ کردن، ماسه ­پاشی با Al2O3، پوشش ­های متخلخل، پاشش پلاسما و … وجود دارد. یکی از روش­ های اصلی در عملیات سطحی، پاشش پلاسمایی هیدروکسی آپاتیت (جزء اصلی بافت استخوان) به ­عنوان یک پوشش زیست ­فعال روی ایمپلنت تیتانیمی است.

 

در ۱۰ سال گذشته، تلاش ­های زیادی برای فرمول ­بندی آلیاژهای جدید β به ­عنوان مواد ایمپلنت با استفاده از عناصر آلیاژی زیست ­سازگار (Mo ،Zr ،Ta ،Nb) شده است. مهم ­ترین مزیت عملکرد آلیاژهای β، استحکام بالاتر و مدول الاستیسیته پایین ­تر نسبت به آلیاژهای α+β است. مزیت دیگر در مورد ساخت آن است که قطعات ریخته ­گری دقیق شده از آلیاژهای β که به سختی پایدار شده­ اند، خواص تقریباً یکسانی با محصولات کار شده و انیل شده دارند.

 

 

 

 

همان ­طور که گفته شد، تلاش ­های زیادی جهت توسعه مواد مورد نیاز برای ایمپلنت­ هایی که فقط عناصر آلیاژی زیست ­سازگار  (مثل Mo ،Zr ،Ta ،Nb) در آن ­ها به ­کار می ­رود، صورت گرفته است. علاوه­ بر زیست ­سازگاری عالی آن­ ها، این آلیاژها حاوی مقدار زیادی از عناصر پایدارکننده β می ­باشند که این امر موجب کاهش مدول الاستیسیته نسبت به آلیاژهای α+β می شود. پایین بودن مقدار مدول آلیاژ برای استفاده در ایمپلنت ­ها یک مزیت به­ شمار می آاید، زیرا آن­ ها می­ توانند به استخوان با مدول پایین (تقریباً ۳۵Gpa) متصل شوند. مجموعه ­ای از چنین آلیاژهای β با مدول پایین، برای کاربردهای زیست پزشکی تهیه شده ­اند.

 

امروزه دانشمندان و محققین تحقیقات گسترده­ ای بر روی مواد زیست ­سازگار از جمله تیتانیم، با توجه به خواص منحصر به فرد آن انجام می ­دهند. یکی از مقالات مروری پر استناد که در سال ۲۰۱۴ توسط مجله Materials به چاپ رسیده است، مقاله­ ی” New Developments of Ti-Based Alloys for Biomedical Applications ” می­ب اشد. Yuhua Li و همکارانش در این مقاله به معرفی تیتانیم به ­عنوان یک ماده زیست ­سازگار، کاربردهای آن و پیشرفت­ های اخیر صورت گرفته در مطالعات بر روی این ماده پرداخته ­اند. 

 

علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند این مقاله را از لینک زیر دریافت نمایند:

 

New Developments of Ti-Based Alloys for Biomedical Applications

 

فرمت: PDF

تعداد صفحه: ۹۲

زبان: انگلیسی

حجم: ۴٫۳ مگابایت

لینک دانلود از عصر مواد:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مطالب مرتبط:

 

 

 

ارسال دیدگاه