Analiza medicală a titanului

Ca material funcțional important, titanul este utilizat pe scară largă în industria aerospațială, energetică, consumabile medicale și în alte domenii, datorită avantajelor sale, cum ar fi densitatea scăzută, rezistența specifică ridicată și rezistența bună la coroziune. Procesul de dezvoltare a titanului medical și a aliajelor de titan poate fi împărțit aproximativ în trei perioade:

Prima perioadă este reprezentată de titan pur și Ti-6AI{-4V; a doua perioadă este aliajele de tip -, reprezentate de Ti-5A1-2.5Fe și Ti{-6Al{-7Nb; a treia perioadă este mai bună proprietăți biologice și dezvoltarea elasticității. Aliajele beta de titan cu modul mai mic sunt linia principală de apărare. Aplicarea de noi materiale din aliaj de titan va fi direcția de dezvoltare a dispozitivelor medicale curente.

Cercetările privind materialele din aliaje medicale de titan în țara mea au început în anii 1970. Northwest Neferrous Metal Research Institute a dezvoltat Ti-2.5Al{-2.5Mo{-2.5Zr (TAMZ). În anii 1990, a fost dezvoltat Ti-2.5Al{-2.5Mo{-2.5Zr (TAMZ) cu ​​drepturi independente de proprietate intelectuală. Materiale -6Al-4V, Ti-Al{-2.5Fe și Ti{-6Al{-7Nb. Academia Chineză de Științe a dezvoltat, de asemenea, un nou aliaj beta de titan Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn. În prezent, dezvoltarea aliajelor de titan în țara mea vizează în principal descoperiri în materiale noi și aplicații active ale materialelor din aliaje de titan.

Coroziunea titanului

Titanul este un metal instabil termodinamic cu un potențial de pasivare relativ negativ, cu un potențial standard al electrodului de -1,63V. Prin urmare, este ușor să se formeze un film de oxid cu proprietăți de pasivare în atmosferă și soluție apoasă și are o bună rezistență la coroziune.

Rezistența la coroziune a titanului în diferite medii

Este foarte important să se studieze rezistența la coroziune a materialelor medicale. Pe de o parte, unii ioni metalici sau produși de coroziune ai materialelor implantate pătrund în țesuturile biologice, ceea ce poate declanșa reacții fiziologice de diferite grade; pe de altă parte, din cauza prezenței fluidelor corporale, performanța unor materiale poate fi grav degradată, provocând daune rapide sau chiar defecțiuni. Mediul corpului uman este relativ complex, ceea ce este mai probabil să provoace dizolvarea oligoelementelor și să modifice stabilitatea stratului de oxid. Frecarea ușoară va cauza grade diferite de deteriorare a filmului de pasivare format pe suprafața de titan. De exemplu, într-un mediu cu deficit de oxigen, stabilitatea stratului de oxid este slăbită. Când este deteriorat, nu poate fi reparat imediat sau se poate forma un nou strat de oxid, ceea ce face mai ușor să provoace coroziune. Această situație este aproape inevitabilă în timpul mișcărilor repetate ale corpului uman și al utilizării echipamentelor. Deformarea plastică va schimba starea structurală a materialului, afectând astfel performanța la coroziune a materialului. Grade diferite de deformare plastică au efecte foarte diferite asupra proprietăților de coroziune ale materialelor. În timpul procesului de deformare plastică, stresul intern este concentrat, provocând defecte în interfață și granule. Prin urmare, deformarea plastică slăbește rezistența la coroziune a materialului.

Mecanism de coroziune din titan

Titanul este un element de tranziție al Grupului IVB. Proprietățile chimice sunt relativ active și au o mare afinitate cu oxigenul. În orice mediu care conține oxigen, pe suprafața de titan se formează cu ușurință o peliculă densă de pasivare. Această peliculă de pasivare este extrem de subțire, cu o grosime variind de obicei de la câțiva nanometri până la zeci de nanometri. Existența peliculei de pasivare din aliaj de titan reduce aria de dizolvare activă la suprafață și încetinește viteza de dizolvare, rezistând astfel la deteriorarea cauzată de dizolvare. În plus, pelicula de pasivare poate fi reparată automat și o nouă peliculă de protecție se poate forma rapid atunci când este deteriorată. Prin urmare, titanul are o rezistență bună la coroziune. Formele de coroziune ale titanului metalic implantate în organismele vii pot fi împărțite în coroziune prin pitting, coroziune prin stres, coroziune prin fisuri, coroziune galvanică și coroziune prin uzură.

Coroziunea la efort se referă la fenomenul de fisuri metalice când tensiunea de tracțiune și coroziunea acționează simultan. Procesul general este: acțiunea tensiunii de întindere face ca pelicula protectoare formată pe suprafața metalului să înceapă să se rupă, formând o sursă de fisuri de coroziune prin pitting sau coroziune crevată, care se dezvoltă mai adânc. În același timp, acțiunea tensiunii de tracțiune va face ca pelicula de protecție să se crape în mod repetat, formând fisuri perpendiculare pe direcția tensiunii de tracțiune. Fisuri sau chiar rupturi.

Factorii care afectează coroziunea prin presiune a aliajelor de titan

Apariția aliajului de titan SCC este rezultatul interacțiunii a trei factori: mediu, stres și material. SCC este foarte selectiv. Atâta timp cât oricare dintre cei trei factori de mai sus este modificat, SCC nu va apărea.

Aliajele de titan pot suferi cracare prin coroziune sub acțiunea diferitelor medii, cum ar fi soluție apoasă, apă distilată, soluție organică, sare fierbinte etc. Mecanismele SCC în diferite medii sunt diferite.

Există încă diferențe mari în influența valorii pH-ului asupra aliajului de titan SCC. În general, pe măsură ce valoarea pH-ului crește, sensibilitatea SCC a aliajelor de titan scade. Când valoarea pH-ului este 13-14, SCC poate fi adesea inhibat. Cu toate acestea, în secțiunea frontală a fisurilor locale în care SCC se modifică, se poate chiar forma un mediu puternic coroziv, cu o valoare a pH-ului de 2 până la 3.

Influența potențialului electric asupra gradului de SCC este crucială. Sistemele de coroziune compuse din aliaje și medii sunt diferite, iar potențialele lor de sensibilitate SCC sunt, de asemenea, diferite. De exemplu, în aliajele de titan B în soluții apoase care conțin halogenuri, SCC crește atunci când potențialul este de aproximativ -600mV; crăpăturile vor apărea și la potențiale de supra-pasivare; dar la potențiale mai mici de -1000mV, nu vor apărea fisuri. sparge. În soluțiile apoase care conțin Cl- și Br-, potențialul de sensibilitate SCC al Ti8Al1Mo1V este de -500mV{{{0}}mV. Într-o soluție apoasă care conține I-, aria potențialului sensibil este peste 0 mV.

Temperatura este unul dintre factorii importanți care afectează apariția SCC în aliajele de titan. În general, pe măsură ce temperatura crește, susceptibilitatea SCC crește. Într-un mediu cu aer sărat fierbinte de {{0}} grade, coroziunea tensionată a aliajului Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn este mai sensibilă la SCC peste 450 de grade. Sensibilitatea SCC a aliajului Ti6Al4V cu o anumită cantitate de Pd sau Mo adăugată în soluția de H2S CO2 NaCl S la 200 de grade este mai mică decât cea de la 250 de grade. Cu toate acestea, materialele implantate în corpul uman au o sensibilitate limitată la temperatură.

When the medium is in the gap formed between the metal component and the metal or non-metal, it can accelerate the corrosion of the metal in the gap, which is called crevice corrosion. Crevice corrosion is a type of localized corrosion. When there are gaps in titanium and titanium alloys, due to the lack of oxidized substances in the gaps, they become anodes and corrode, destroying the passivation film. Generally, crevice corrosion goes through three stages: ① The consumption of oxygen in the crevice; ② The formation of macro cells and the reduction of pH value; ③ The passivation film is activated and dissolved until it is completely destroyed. The study found that in Hanks solution at 37°C, the crevice corrosion degree of the materials in descending order is: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti; Ti și Ti6AI4V au rezistență puternică la coroziune în fisuri în soluția Hanks. .

Coroziunea prin uzură este atunci când metalul intră în contact cu mediul, viteza relativă de mișcare este mare, determinând uzura suprafeței metalice, ceea ce la rândul său provoacă coroziune accelerată a metalului. Când titanul este implantat ca implant, acesta se va uza într-o anumită măsură cu instrumentele chirurgicale, provocând distrugerea filmului de oxid existent pe suprafață. Dacă această peliculă de oxid nu poate fi reparată la timp, metalul implantat se va coroda în continuare sau chiar se va defecta.

Materialele biomedicale reprezintă o bază materială importantă pentru dezvoltarea rapidă a medicinei clinice moderne și reprezintă principala temă a cercetării materialelor în secolul XXI. Titanul a făcut progrese mari ca un nou material rezistent la coroziune și este utilizat pe scară largă în domeniul biomedical datorită biocompatibilității sale bune și rezistenței la coroziune. Cu toate acestea, există încă multe probleme care trebuie rezolvate pentru aplicarea titanului în mediul uman. Prin urmare, este necesar să se efectueze cercetări aprofundate asupra diferitelor aspecte ale proprietăților materialelor de titan pentru a proiecta și a iniția dezvoltarea mai rapidă a materialelor biomedicale.

a se referi la:

[1] Qin Ying, Wang Shaoan. Cercetări privind proprietățile de coroziune ale implanturilor dentare din titan și aliaje de titan [J]. International Journal of Oral Medicine, 2008, 35(4): 255-258.

[2] Huang Yongguang. Materiale din aliaj de titan pentru implantare chirurgicală și standardizarea lor [J]. Progress in Titanium Industry, 2002, (1): 36-39