医疗领域用到哪些3d打印金属材料钛合金钴铬合金?
二、钛合金,应用在骨科;
三、不锈钢,应用在骨科;
四、钛镍记忆合金,骨科。
为何要用金属材料,主要是材料在活体内有较好的化学稳定性,能够长时间使用,在发挥七医疗功能的同时,要耐生物腐蚀、耐生物老化、与生物有血液相容性、组织相容性,在人体里***良反应,要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等要求。
金属钛,被人们称为“亲生物金属”。通常在损伤处,用钛片和钛螺丝固定后,几个月,骨头就会长在钛片上和螺丝的螺纹里
钛为什么生物相容性好?
钛在20世纪50年代,首次被引入外科手术。它现在是***体、内固定、体内装置和仪器的首选金属。钛被用于从头到脚的生物医学植入物。钛可以用在神经外科、骨传导助听器、***眼植入物、脊柱融合笼,起搏器、脚趾移植、肩部/肘部/臀部/膝盖替换以及更多方面。
钛经常用于人体的主要原因是钛的生物相容性以及经过表面改性的生物活性表面。影响生物相容性的表面特征有表面特性空间位阻、结合位点和疏水性(润湿)。这些特征被优化以产生理想的细胞反应。一些医用植入物以及手术器械的部分都涂有氮化钛。 钛由于其抗体液腐蚀、生物惰性、骨结合能力和高疲劳极限,被认为是最好的生物相容性金属。
钛耐受身体恶劣环境的能力是在氧气存在下自然形成保护性氧化膜的结果。氧化膜粘附牢固,不溶,化学性质不可渗透,防止金属与周围环境发生反应。 有人认为钛的骨愈合能力源于其表面氧化物的高介电常数,它不会使蛋白质变性。钛与骨骼物理结合的能力使其优于其他需要使用粘合剂保持附着的材料。钛植入物的寿命更长,与替代物相比,需要更大的力来打破将它们连接到身体上的结合。
生物材料的表面特性在决定细胞对材料的反应(细胞粘附和增殖)方面起着重要作用。钛的微结构和高表面能使其能够诱导血管生成,这有助于骨愈合过程。 根据钛的氧化状态,钛可以具有许多不同的标准电极电位。固体钛有一个标准电极电势标准电极电位较高的材料更容易还原,成为更好的氧化剂。固体钛更喜欢氧化,使其成为更好的还原剂。
钛自然钝化,形成一层氧化膜,氧化膜随着暴露于身体环境的时间而变得不均匀和极化。随着时间的推移,这导致羟基、脂蛋白和糖脂的吸附增加。这些化合物的吸附改变了材料与人体的相互作用,并能改善生物相容性。在钛合金例如钛锆和钛铌中,由于腐蚀而释放的锆和铌离子不会释放到患者体内,而是被添加到钝化层中。钝化层中的合金元素增加了一定程度的生物相容性和耐腐蚀性,这取决于腐蚀前主体金属的原始合金成分。
通过增加润湿性,植入物可以通过允许细胞更容易地结合到植入物表面来减少骨愈合所需的时间。钛的润湿可以通过优化工艺参数如温度、时间和压力来改变。具有主要由二氧化钛组成的稳定氧化物层的钛导致植入物与生理流体接触的润湿性改善。
钛合金是骨骼和关节植入物、颅骨板、牙种植体根部、人工眼和耳钉、心脏瓣膜、脊柱融合甚至尿道狭窄的优良外科材料。钛合金之所以成为髋关节置换术和骨折骨钉的首选材料,是因为钛具有无与伦比的高强度重量比,这使得人体植入物重量更轻,而且钛还具有与人类骨骼相同的弹性,而且在人体内不会被排斥。
纯钛其实很容易被氧化的,一般用在人体的都是钛合金,与钛有相似功能的还有黄金,可惜黄金太软,又贵,所以强度高,重量轻的钛合金就成了人造骨骼的最好材料,钛本身作为一种活泼的金属,它的表面容易被氧化形成一层致密的惰性氧化膜,这层氧化膜使钛在王水中都不会被腐蚀,保护钛免受腐蚀的二氧化钛薄层,也使其成为植入人体最安全的材料。
钛种植体内后,首先与水接触,在很短时间内,水就能在钛表面形成水化层,无机离子和大量有机物都是以水溶液的形式存在,所以更加表现出亲生物性。人体中有很多不同的体液,钛合金能在这些体液中保持原有化学和物理形态,不溢出或者吸收电子,不易变形。
研究表明,钛植入物会触发人体免疫系统直接在钛表面生长骨骼,这一过程称为骨整合。说明钛是完全“生物相容的”,这意味着它无毒,不会引起过敏和排异反应,甚至可以与人体组织和骨骼融合。
目前金属钛在很多方面都有着非常广泛的应用,因为在同等的强度之下,金属钛的重量只有钢铁的一半,其质量轻且硬度高的特点,所以金属钛非常适合用于航天。
目前钛的产量还可以用来衡量一个国家的军事水平。并且将金属钛扔进海水中浸泡很长时间,钛也不会有任何的问题,这是因为钛和氧有着很强的亲和力,所以在接触到氧气的时候,会在表面形成一层致密的氧化膜从而阻止反应的继续进行。
由于钛在自然界中存在分散并难于提取,所以被认为是稀有金属,不过其相对丰富,在所有元素中位居第十位。
因为金属钛为亲生物金属,所以其生物相容性非常好。生物相容性就是指生物材料在机体特定部位产生各种复杂的生物、物理、化学的反应,比如某些材料或者药物与人体接触或者植入体内能够“兼容”而不会对人体造成伤害。
正是因为钛的“亲生物”性,于是在人体内,钛能抵抗分泌物的腐蚀且无毒,对于任何的杀菌方法都适应。
因此钛被广泛应用于制医疗器械,制造人体髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨等等。可以说钛是医用材料科学的一个重要分支,我们可以用钛治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、所以钛也是具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料,当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时,这些钛骨就就会维系人体的正常活动。
钛在生物医用材料市场潜在需求巨大,因此加大医用钛材的研发力度势在必行。
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