1. Kernvereisten van medische implantatmaterialen: biocompatibiliteit, mechanische matching en veiligheid op lange termijn
Implantaten voor menselijke doeleinden moeten aan de volgende eisen voldoen:
Niet-toxiciteit en allergieverwekkendheid: materialen kunnen geen schadelijke stoffen vrijgeven of een immuunrespons induceren;
Mechanische compatibiliteit: de sterkte van het implantaat en de elastische modulus moeten dicht bij het botweefsel liggen om te voorkomen dat er een "stressshielding" ontstaat die tot botatrofie leidt;
Resistent tegen corrosie door lichaamsvloeistoffen: stabiel in de menselijke elektrolytomgeving (bloed- en weefselvloeistof met een pH van 7,3-7,4).
2Biocompatibiliteit van gegoten titanium: de wetenschappelijke basis voor een "harmonische coëxistentie" met het menselijk lichaam
Inert oppervlak en botintegratievermogen
Titaniumvormt in een fysiologische omgeving een nano-schaal TiO2-oxidefilm en heeft een chemische samenstelling die vergelijkbaar is met die van hydroxyapatite (Ca10(PO4) 6 ((OH) 2) van menselijke botten,die de hechting en proliferatie van osteoblasten kunnen inducerenKlinische gegevens tonen aan dat:
De bindsterkte tussentitaniumImplantaten en botweefsel kunnen 15-25 MPa (equivalent aan 70% van de sterkte van de natuurlijke botinterface) bereiken;
De afzetting van nieuw botweefsel op detitaniumIn het geval van roestvrijstalen implantaten kan de huidoppervlakte 6-8 weken na de operatie worden waargenomen (in vergelijking met meer dan 12 weken).
Geen risico op afgifte van metaalionen
Het standaardelektrodepotentieel vantitaniumis -1,63 V, dat in een gepassiveerde toestand in de menselijke omgeving is, en de ionvrijstelling is < 0,1 μg/l (veel lager dan de 5 μg/l die in de ISO 10993-norm is gespecificeerd).Implantaten van roestvrij staal kunnen allergische ionen zoals Ni2+ en Cr3+ vrijgeven, die contactdermatitis veroorzaakt (de incidentie is ongeveer 5%-10%).
3. Toepassing vangietstukken van titaniumin orthopedische prothesen: voldimensionale oplossingen van gewrichtsvervanging tot wervelkolombevestiging
1Kunstmatige gewrichten: een reddingsboei die slijtage vervangt
Heupgewrichtsprothesen: Acetabulaire bekers en dijbeenstammen gegoten met titaniumlegeringen (zoals Ti-6Al-4V ELI) hebben de volgende kenmerken:
slijtvastheid: na plasmaspraying van het oppervlak met hydroxyapatitcoating is de slijtage minder dan 0,1 mm/jaar (beter dan kobalt-chroom-molybdeenlegering);
Botgroei: een poreuze titaniumcoating (porositeit 60%-70%, poriegrootte 300-500 μm) kan de groei van botcellen bevorderen om een "mechanisch slot" te vormen.
Case: Zimmer Biomet's Mako robot-assisted heupvervangingssysteem maakt gebruik van titanium gietprothesen met een 10-jarig overlevingspercentage van meer dan 95%.
Kniegewrichtsprothesen: Tibiale plateaus en femorale condyles gemaakt van titanium gietstukken kunnen complex gebogen oppervlak ontwerpen bereiken door middel van gietstukken, passen bij de menselijke anatomische structuur,en het risico op stressconcentratie verminderen.
2Intern bevestigingssysteem van de wervelkolom: hervorm de stabiliteit van de wervelkolom
Titaniumkooi: gebruikt voor lumbale fusie, de maasstructuur van de giet-titaniumkooi kan worden gevuld met autoloog bot en de elastische modulus (110 GPa) is dicht bij het kandelachtig bot (1-10 GPa),het verminderen van de spanningsbescherming van aangrenzende wervels;
Pedikelschroef: de draadnauwkeurigheid van titanium gietschroeven kan ±0,05 mm bereiken en de schade aan de bothuid tijdens de implantatie is 30% lager dan die van roestvrijstalen schroeven.
3Traumaherstel: "onzichtbare steun" voor het vastleggen van een breuk
Botplaten en schroeven: Titanium gietstukken kunnen worden gemaakt in ultradunne platen (dikte 1,5-2 mm), die geschikt zijn voor kleine botbreuken in handen en voeten.De postoperatieve röntgenontwikkeling is duidelijk en heeft geen invloed op de beelddiagnose;
Intramedullaire nagels: de torsiestefstand van intramedullaire nagels van titaniumlegering is 20% hoger dan die van roestvrij staal,die geschikt is voor het bevestigen van lange botfracturen (zoals femurale schaaffracturen).
IV. Toepassing van titanium gietstukken in orale implantaten: "Functionele reconstructie" van een enkele tand tot de volledige mondreparatie
1Eenvoudig tandimplantat: "mechanische simulatie" vergelijkbaar met echte tanden
Implantatlichaam: cilindrische of kegelvormige implantaten van gegoten titanium, na behandeling van het oppervlak met zandblaaszuur etsen (SLA), kan de botbindingsperiode worden verkort tot 3-4 weken.Bijvoorbeeld::
Het 5-jarig overlevingspercentage van Zwitserse Straumann-implantaten (Ti-6Al-4V ELI) is > 98%, en het succespercentage is 5%-8% hoger dan dat van zuivere titaniumimplantaten;
Verbinding van de pijl: de verbindingsnauwkeurigheid van de gietpijl en het implantaat bedraagt 50 μm, wat de bacteriële groei kan verminderen die wordt veroorzaakt door micro-gaps.
2- Implantaten van de volle mond en maxillofaciale restauratie: Precieze giet van complexe structuren
All-on-4 volledige mond-implantatbeugel: Titanium-legeringsbeugels worden vervaardigd met behulp van investeringsgiettechnologie, die 4-6 implantaten tegelijk kan bevestigen om het herstel van de prothese te ondersteunen,en het gewicht met 40% verminderen in vergelijking met traditionele gesegmenteerde restauratie;
Maxillofaciale restauratie: Titanium gietstukken kunnen worden aangepast om complexe maxillofaciale defect restauratie zoals zygomatische botten en onderkaak te produceren.Titanium gegoten maxillofaciale prothesen van het Duitse bedrijf BEGO worden gemodelleerd met behulp van CT-gegevens, en de pasfout is kleiner dan 0,3 mm.
5Andere innovatieve toepassingen van gietstukken van titanium op medisch gebied
Cardiovasculaire implantaten:
met een breedte van niet meer dan 50 mm(geheugenlegeringen) worden gebruikt om vasculaire stents te maken, die bij lichaamstemperatuur de vooraf ingestelde vorm herstellen en de binnendiameter van het bloedvat ondersteunen.Hun flexibiliteit is 5 keer hoger dan die van stents van roestvrij staal;
Oorimplantaten:
Kunstmatige beenderenketens van gegoten titanium wegen slechts 0,1-0,3 gram en hun geluidsgeleidendheid is 30% hoger dan die van kunststofimplantaten.Ze zijn geschikt voor patiënten met geleidend gehoorverlies.;
Herstel van zacht weefsel:
Titanium- beklede pleisters worden gebruikt voor hernia reparatie van de buikwand.Hun poreuze structuur kan de groei van vezelweefsel bevorderen en het risico op verplaatsing van de pleister verminderen (het verplaatsingspercentage van traditionele polypropyleen pleisters is ongeveer 8%-12%).
VI. Toekomstige trends: van "functioneel vervangen" naar "biologisch actieve integratie"
Verbetering van de oppervlaktebewerkingstechnologie:
Het oppervlak van titanium gietstukken is bekleed met bioactief glas (zoals 45S5 Bioglass®), dat Ca2+- en PO43-ionen kan vrijgeven om de botmineralisatie te bevorderen en de botintegratie te versnellen;
3D-printing en gietcombinatie:
Ten eerste, gebruik SLM-technologie om poreus te printentitaniumscharnieren, en vervolgens dichte titanium schalen vullen door middel van gietvorming om een composietstructuur van "porieus oppervlak + dichte kern" te bereiken,terwijl de behoeften van botgroei en mechanische ondersteuning worden vervuld;
Onderzoek en ontwikkeling van afbreekbare titaniumlegeringen:
met een gewicht van niet meer dan 50 kgtitanium(zoals Ti-2Mg-3Zn) kan langzaam worden afgebroken in het lichaam, waardoor magnesium-ionen vrijkomen om osteogenese te bevorderen, en is geschikt voor kortetermijnfixatie (zoals fracturenfixatie bij kinderen).
Conclusie: Titanium gietstukken zijn met hun uitstekende biocompatibiliteit, mechanische eigenschappen en precieze vormvermogen het "gouden materiaal" geworden op het gebied van medische implantaten.Van ortopedische grote gewrichten tot orale micro-implantatenDe voordelen zijn niet alleen in de vervanging van beschadigde weefsels, maar ook in het bevorderen van de ontwikkeling van regeneratieve geneeskunde door de "harmonische interactie" tussen materialen en het menselijk lichaam.Met innovaties in oppervlakte-techniek en legeringsontwerpIn de toekomst zal de toepassing van gegoten titanium in de gepersonaliseerde geneeskunde en precisiebehandeling verder verdiepen, waardoor patiënten een langduriger en comfortabeler implantaat kunnen krijgen.
1. Kernvereisten van medische implantatmaterialen: biocompatibiliteit, mechanische matching en veiligheid op lange termijn
Implantaten voor menselijke doeleinden moeten aan de volgende eisen voldoen:
Niet-toxiciteit en allergieverwekkendheid: materialen kunnen geen schadelijke stoffen vrijgeven of een immuunrespons induceren;
Mechanische compatibiliteit: de sterkte van het implantaat en de elastische modulus moeten dicht bij het botweefsel liggen om te voorkomen dat er een "stressshielding" ontstaat die tot botatrofie leidt;
Resistent tegen corrosie door lichaamsvloeistoffen: stabiel in de menselijke elektrolytomgeving (bloed- en weefselvloeistof met een pH van 7,3-7,4).
2Biocompatibiliteit van gegoten titanium: de wetenschappelijke basis voor een "harmonische coëxistentie" met het menselijk lichaam
Inert oppervlak en botintegratievermogen
Titaniumvormt in een fysiologische omgeving een nano-schaal TiO2-oxidefilm en heeft een chemische samenstelling die vergelijkbaar is met die van hydroxyapatite (Ca10(PO4) 6 ((OH) 2) van menselijke botten,die de hechting en proliferatie van osteoblasten kunnen inducerenKlinische gegevens tonen aan dat:
De bindsterkte tussentitaniumImplantaten en botweefsel kunnen 15-25 MPa (equivalent aan 70% van de sterkte van de natuurlijke botinterface) bereiken;
De afzetting van nieuw botweefsel op detitaniumIn het geval van roestvrijstalen implantaten kan de huidoppervlakte 6-8 weken na de operatie worden waargenomen (in vergelijking met meer dan 12 weken).
Geen risico op afgifte van metaalionen
Het standaardelektrodepotentieel vantitaniumis -1,63 V, dat in een gepassiveerde toestand in de menselijke omgeving is, en de ionvrijstelling is < 0,1 μg/l (veel lager dan de 5 μg/l die in de ISO 10993-norm is gespecificeerd).Implantaten van roestvrij staal kunnen allergische ionen zoals Ni2+ en Cr3+ vrijgeven, die contactdermatitis veroorzaakt (de incidentie is ongeveer 5%-10%).
3. Toepassing vangietstukken van titaniumin orthopedische prothesen: voldimensionale oplossingen van gewrichtsvervanging tot wervelkolombevestiging
1Kunstmatige gewrichten: een reddingsboei die slijtage vervangt
Heupgewrichtsprothesen: Acetabulaire bekers en dijbeenstammen gegoten met titaniumlegeringen (zoals Ti-6Al-4V ELI) hebben de volgende kenmerken:
slijtvastheid: na plasmaspraying van het oppervlak met hydroxyapatitcoating is de slijtage minder dan 0,1 mm/jaar (beter dan kobalt-chroom-molybdeenlegering);
Botgroei: een poreuze titaniumcoating (porositeit 60%-70%, poriegrootte 300-500 μm) kan de groei van botcellen bevorderen om een "mechanisch slot" te vormen.
Case: Zimmer Biomet's Mako robot-assisted heupvervangingssysteem maakt gebruik van titanium gietprothesen met een 10-jarig overlevingspercentage van meer dan 95%.
Kniegewrichtsprothesen: Tibiale plateaus en femorale condyles gemaakt van titanium gietstukken kunnen complex gebogen oppervlak ontwerpen bereiken door middel van gietstukken, passen bij de menselijke anatomische structuur,en het risico op stressconcentratie verminderen.
2Intern bevestigingssysteem van de wervelkolom: hervorm de stabiliteit van de wervelkolom
Titaniumkooi: gebruikt voor lumbale fusie, de maasstructuur van de giet-titaniumkooi kan worden gevuld met autoloog bot en de elastische modulus (110 GPa) is dicht bij het kandelachtig bot (1-10 GPa),het verminderen van de spanningsbescherming van aangrenzende wervels;
Pedikelschroef: de draadnauwkeurigheid van titanium gietschroeven kan ±0,05 mm bereiken en de schade aan de bothuid tijdens de implantatie is 30% lager dan die van roestvrijstalen schroeven.
3Traumaherstel: "onzichtbare steun" voor het vastleggen van een breuk
Botplaten en schroeven: Titanium gietstukken kunnen worden gemaakt in ultradunne platen (dikte 1,5-2 mm), die geschikt zijn voor kleine botbreuken in handen en voeten.De postoperatieve röntgenontwikkeling is duidelijk en heeft geen invloed op de beelddiagnose;
Intramedullaire nagels: de torsiestefstand van intramedullaire nagels van titaniumlegering is 20% hoger dan die van roestvrij staal,die geschikt is voor het bevestigen van lange botfracturen (zoals femurale schaaffracturen).
IV. Toepassing van titanium gietstukken in orale implantaten: "Functionele reconstructie" van een enkele tand tot de volledige mondreparatie
1Eenvoudig tandimplantat: "mechanische simulatie" vergelijkbaar met echte tanden
Implantatlichaam: cilindrische of kegelvormige implantaten van gegoten titanium, na behandeling van het oppervlak met zandblaaszuur etsen (SLA), kan de botbindingsperiode worden verkort tot 3-4 weken.Bijvoorbeeld::
Het 5-jarig overlevingspercentage van Zwitserse Straumann-implantaten (Ti-6Al-4V ELI) is > 98%, en het succespercentage is 5%-8% hoger dan dat van zuivere titaniumimplantaten;
Verbinding van de pijl: de verbindingsnauwkeurigheid van de gietpijl en het implantaat bedraagt 50 μm, wat de bacteriële groei kan verminderen die wordt veroorzaakt door micro-gaps.
2- Implantaten van de volle mond en maxillofaciale restauratie: Precieze giet van complexe structuren
All-on-4 volledige mond-implantatbeugel: Titanium-legeringsbeugels worden vervaardigd met behulp van investeringsgiettechnologie, die 4-6 implantaten tegelijk kan bevestigen om het herstel van de prothese te ondersteunen,en het gewicht met 40% verminderen in vergelijking met traditionele gesegmenteerde restauratie;
Maxillofaciale restauratie: Titanium gietstukken kunnen worden aangepast om complexe maxillofaciale defect restauratie zoals zygomatische botten en onderkaak te produceren.Titanium gegoten maxillofaciale prothesen van het Duitse bedrijf BEGO worden gemodelleerd met behulp van CT-gegevens, en de pasfout is kleiner dan 0,3 mm.
5Andere innovatieve toepassingen van gietstukken van titanium op medisch gebied
Cardiovasculaire implantaten:
met een breedte van niet meer dan 50 mm(geheugenlegeringen) worden gebruikt om vasculaire stents te maken, die bij lichaamstemperatuur de vooraf ingestelde vorm herstellen en de binnendiameter van het bloedvat ondersteunen.Hun flexibiliteit is 5 keer hoger dan die van stents van roestvrij staal;
Oorimplantaten:
Kunstmatige beenderenketens van gegoten titanium wegen slechts 0,1-0,3 gram en hun geluidsgeleidendheid is 30% hoger dan die van kunststofimplantaten.Ze zijn geschikt voor patiënten met geleidend gehoorverlies.;
Herstel van zacht weefsel:
Titanium- beklede pleisters worden gebruikt voor hernia reparatie van de buikwand.Hun poreuze structuur kan de groei van vezelweefsel bevorderen en het risico op verplaatsing van de pleister verminderen (het verplaatsingspercentage van traditionele polypropyleen pleisters is ongeveer 8%-12%).
VI. Toekomstige trends: van "functioneel vervangen" naar "biologisch actieve integratie"
Verbetering van de oppervlaktebewerkingstechnologie:
Het oppervlak van titanium gietstukken is bekleed met bioactief glas (zoals 45S5 Bioglass®), dat Ca2+- en PO43-ionen kan vrijgeven om de botmineralisatie te bevorderen en de botintegratie te versnellen;
3D-printing en gietcombinatie:
Ten eerste, gebruik SLM-technologie om poreus te printentitaniumscharnieren, en vervolgens dichte titanium schalen vullen door middel van gietvorming om een composietstructuur van "porieus oppervlak + dichte kern" te bereiken,terwijl de behoeften van botgroei en mechanische ondersteuning worden vervuld;
Onderzoek en ontwikkeling van afbreekbare titaniumlegeringen:
met een gewicht van niet meer dan 50 kgtitanium(zoals Ti-2Mg-3Zn) kan langzaam worden afgebroken in het lichaam, waardoor magnesium-ionen vrijkomen om osteogenese te bevorderen, en is geschikt voor kortetermijnfixatie (zoals fracturenfixatie bij kinderen).
Conclusie: Titanium gietstukken zijn met hun uitstekende biocompatibiliteit, mechanische eigenschappen en precieze vormvermogen het "gouden materiaal" geworden op het gebied van medische implantaten.Van ortopedische grote gewrichten tot orale micro-implantatenDe voordelen zijn niet alleen in de vervanging van beschadigde weefsels, maar ook in het bevorderen van de ontwikkeling van regeneratieve geneeskunde door de "harmonische interactie" tussen materialen en het menselijk lichaam.Met innovaties in oppervlakte-techniek en legeringsontwerpIn de toekomst zal de toepassing van gegoten titanium in de gepersonaliseerde geneeskunde en precisiebehandeling verder verdiepen, waardoor patiënten een langduriger en comfortabeler implantaat kunnen krijgen.
