Matériaux et applications biomédicaux en alliage de titane

Les matériaux en alliage de titane destinés aux applications biomédicales constituent une classe de matériaux structurels fonctionnels utilisés en génie biomédical, en particulier pour la production et la fabrication d'implants chirurgicaux et de dispositifs orthopédiques. La production et la préparation des alliages de titane impliquent la métallurgie, le traitement sous pression, les matériaux composites et l'industrie chimique, et sont reconnues comme un produit de haute technologie dans le monde. Le titane et les alliages de titane entrent progressivement dans le domaine de la consommation civile de l'industrie aérospatiale, aéronautique et de la défense. Tels que les implants de l’industrie des soins de santé, les dispositifs médicaux ; Dans l'industrie du sport et des loisirs, clubs de golf en titane et montures de lunettes en titane, montres en titane, vélos en titane et autres produits, la demande de matériaux de traitement du titane augmente. Avec le développement vigoureux de la biotechnologie et des avancées majeures, l’industrie des matériaux et produits métalliques biomédicaux deviendra une industrie pilier de l’économie mondiale. Parmi eux, le titane et ses alliages légers, à faible module d'élasticité, non toxiques, non magnétiques, résistants à la corrosion, de haute résistance, de bonne ténacité et d'autres excellentes performances globales, ces dernières années, la demande d'une croissance rapide et régulière. Dans le même temps, à mesure que les alliages de titane commencent à entrer dans le domaine de l’orthopédie et d’autres nouvelles demandes potentielles du marché, l’avenir du marché des alliages de titane apparaîtra comme une croissance plus rapide.
1 Progrès de la recherche sur l'alliage de titane médical
1.1 Classification de l'alliage de titane médical
Les alliages de titane peuvent être divisés en 3 catégories selon le type de microstructure du matériau : -type, + -type et alliages de titane de type -.
1.2 La tendance de développement de l’alliage de titane médical
Des recherches documentaires ont révélé que les chercheurs et universitaires nationaux et étrangers s'accordent sur le fait que le développement des alliages de titane médicaux est passé par trois étapes emblématiques, la première étape est représentée par le titane pur et l'alliage Ti-6Al-4V ; la deuxième étape est représentée par le nouvel alliage + avec Ti-5A1-2.5Fe, Ti-6A1-7Nb ; la troisième étape est le développement d’alliages + présentant une meilleure biocompatibilité et un module élastique plus faible ; la troisième étape consiste à développer l’alliage + avec une meilleure biocompatibilité et un module élastique plus faible. et module élastique inférieur - alliages de titane. Les matériaux en alliage de titane biomédicaux idéaux doivent répondre aux conditions suivantes : bonne biocompatibilité, faible module d'élasticité, faible densité, bonne résistance à la corrosion, non-toxicité, limite d'élasticité élevée, longue durée de vie en fatigue, grande plasticité à température ambiante, facile à former, coulée facile. . Les alliages importants qui ont été largement utilisés dans les matériaux d'implants sont le Ti-6A1-4V et le Ti-6A1-4VELI. Il a été rapporté dans la littérature que l'élément V peut provoquer une réaction tissulaire maligne, qui peut avoir des effets secondaires toxiques sur le corps humain, et que l'Al peut provoquer l'ostéoporose, des troubles mentaux et d'autres troubles ; Afin de résoudre ce problème, les scientifiques actuels en biomatériaux se sont engagés à explorer et à rechercher de nouveaux alliages de titane biomédicaux qui ne contiennent pas de V ni d'Al. Afin de résoudre ce problème, les scientifiques actuels en biomatériaux se sont engagés à explorer et à rechercher de nouveaux biomatériaux qui ne contiennent pas d'alliages de titane V, Al à usage médical, et avant cela, il est nécessaire de déterminer quels types d'éléments d'alliage conviennent à l'ajout de non-alliages. -toxique et biocompatible. Il a été constaté que les alliages de titane contenant des éléments non toxiques tels que le molybdène, le niobium, le tantale, le zirconium, etc. contiennent une teneur plus élevée en éléments stabilisants et, par rapport aux + alliages de titane, ils ont un module d'élasticité plus faible (E {{ 19}} ~ 80GPa), ainsi que de meilleures propriétés de cisaillement et de ténacité, ce qui est plus approprié pour une implantation dans le corps humain en tant qu'implant.

2 Application de l'alliage de titane
2.1 Base médicale de l'alliage de titane
Les avantages de l'utilisation du titane et des alliages de titane comme implants humains sont principalement : (1) densité (20 degrés)=4,5 g/cm3, poids léger. Implanté dans le corps humain : pour réduire la charge du corps humain, en tant que dispositif médical : pour réduire la charge opérationnelle du personnel médical. (2) Faible module d'élasticité, le titane pur est de 108 500 MPa, implanté dans le corps : plus proche de l'os naturel du corps humain, propice à la greffe osseuse, pour réduire l'effet de protection contre le stress de l'os sur l'implant. (3) Non magnétique, non affecté par les champs électromagnétiques et les orages, ce qui est favorable à la sécurité du corps humain après utilisation. (4) Non-toxicité, aucun effet secondaire toxique sur le corps humain en tant qu'implant. (5) résistance à la corrosion (matériaux métalliques bio-inertes), excellente résistance à la corrosion dans l'environnement d'immersion du sang humain, pour assurer une bonne compatibilité avec le sang humain et les tissus cellulaires, car les implants ne produisent pas de contamination humaine, aucune réaction allergique ne se produira, ce qui constitue la base de l'application des conditions relatives au titane et aux alliages de titane. (6) une résistance élevée et une bonne ténacité, dues à des traumatismes, des tumeurs et d'autres facteurs conduisant à des lésions osseuses et articulaires, afin d'établir un support osseux solide, doivent être utilisées à l'aide de plaques incurvées, de vis, d'os et d'articulations artificiels, etc., ces implants doivent être laissés dans le corps pendant une longue période, seront soumis à la flexion, à la torsion, à l'extrusion, à la contraction musculaire et à d'autres rôles du corps humain, aux exigences des implants à haute résistance et ténacité.

2.2 Domaines médicaux et orthopédiques des alliages de titane
Situation du marché avec le développement des alliages de titane, des variétés de titane et des réductions de prix, les applications du titane dans l'industrie civile ont augmenté de façon exponentielle. Le CFDA sera divisé en trois classes de dispositifs médicaux en fonction de leur sécurité de haut en bas, et respectivement par les trois niveaux de supervision et de gestion gouvernementales, les implants en titane et en alliage de titane appartiennent à la troisième classe de dispositifs médicaux et de grande valeur. classe de consommables. Part de marché du sous-segment de plus de 5 % de la sous-industrie, y compris le diagnostic in vitro, le cœur, l'imagerie diagnostique, l'orthopédie, l'ophtalmologie, l'orthopédie six segments principaux. Parmi eux, le diagnostic in vitro, l'orthopédie et l'intervention cardiaque constituent les consommables de grande valeur qui connaissent la croissance la plus rapide en Chine. L'application du titane biomédical et de ses alliages a traversé trois étapes marquantes : les premières applications au début des années 1950, d'abord au Royaume-Uni et aux États-Unis, du titane commercialement pur ont été utilisés pour fabriquer des plaques osseuses, des vis, des clous intramédullaires et des articulations de la hanche. . Swiss Mathys a également utilisé l'alliage Ti-6A1-7Nb pour fabriquer des systèmes de clouage centromédullaire non expansé (notamment tibia, humérus, fémur) et des vis creuses pour le traitement des fractures du col du fémur. Fabrication de matériaux bioactifs en alliage poreux Ni-Ti (PNT) pour la fusion intersomatique cervicale et lombaire (Cage) La société canadienne BIORTHEX a développé l'utilisation du matériau breveté en alliage Ni-Ti poreux ACTIPOREORE gamma pour la fabrication de fusion intersomatique cervicale et lombaire pour le traitement orthopédique des lésions médullaires. Le nouvel alliage de titane bêta peut prendre en compte l'orthopédie, la dentisterie et l'intervention vasculaire ainsi que d'autres utilisations de matériaux avancés. L'industrie des dispositifs médicaux orthopédiques représentait plus de 9 % de la part de marché mondiale des dispositifs médicaux et est toujours en croissance rapide. Le marché des dispositifs médicaux orthopédiques est divisé en quatre segments principaux : traumatologie, articulations, colonne vertébrale et autres. Parmi eux, la traumatologie est le seul segment qui n'a pas été occupé par des entreprises étrangères pour occuper une part de marché importante, principalement parce que les produits dans ce domaine sont de faible technologie, faciles à imiter, moins difficiles à utiliser et que de nombreux produits de deuxième et troisième Des hôpitaux au niveau national peuvent être réalisés, de sorte que les entreprises étrangères ne peuvent pas être entièrement couvertes. Les produits de traumatologie peuvent être divisés en dispositifs de fixation interne et de fixation externe, produits de traumatologie à fixation interne comprenant des clous centromédullaires, des plaques et des vis, etc. En 2012, les traumatismes représentaient 34 % du marché orthopédique national, 28 % des articulations, 20 % des la colonne vertébrale, et 18% de l'autre. Les grosses articulations sont des dispositifs médicaux haut de gamme avec des barrières techniques élevées. À l'heure actuelle, les hôpitaux traditionnels importent principalement du matériel orthopédique, et il existe encore un écart entre les produits nationaux et importés en termes de technologie, de conception, de recherche et développement, de matériaux et de processus de traitement de surface. Les articulations artificielles sont principalement classées en articulations artificielles du genou, de la hanche, du coude, de l'épaule, des doigts et des orteils, etc., parmi lesquelles les arthroplasties les plus importantes comprennent les articulations de la hanche et du genou, qui représentent ensemble plus de 95 % du marché mondial des arthroplasties. . Les dispositifs d'implant rachidien comprennent le système de plaque à ongles de la colonne thoraco-lombaire, le système de plaque à ongles de la colonne cervicale et le système de fusion, etc., dont le système de fusion intervertébrale est principalement utilisé dans le traitement du remplacement du disque intervertébral, qui est également le segment le plus important, représentant environ la moitié. de l’ensemble du marché des implants rachidiens.
Les performances supérieures des alliages de titane leur ont valu une position de leader dans le domaine médical. La conception des matériaux et la technologie de préparation des alliages de titane se sont développées rapidement avec les percées de la biotechnologie et la forte demande pour les applications médicales. Les alliages de titane médicaux actuellement produits sont principalement des alliages de titane de type +. Du point de vue du processus de préparation, la production de TC4 (TC4ELI) occupe actuellement la principale part de marché. Les alliages de titane de type T sont devenus le point chaud de la recherche de nouveaux alliages de titane médicaux en raison de leurs avantages en matière de biocompatibilité et de compatibilité mécanique, qui constituent la technologie la plus prometteuse dans le domaine des implants médicaux. À l'avenir, la technologie de production des alliages de titane devrait être développée dans le sens d'un faible module, d'une résistance élevée, d'une bonne biocompatibilité et d'une compatibilité mécanique. De la tendance de développement, l’alliage de titane de type deviendra l’orientation future du développement et le courant dominant du marché des alliages de titane médicaux.