1- الزامات اصلی مواد ایمپلنت پزشکی: سازگاری زیستی، تطابق مکانیکی و ایمنی طولانی مدت
ایمپلنت های انسانی باید الزامات زیر را برآورده کنند:
غیر سمی بودن و حساسیت: مواد نمی توانند مواد مضر را آزاد کنند یا پاسخ های ایمنی را تحریک کنند.
سازگاری مکانیکی: قدرت ایمپلنت و ماژول انعطاف پذیری باید نزدیک به بافت استخوان باشد تا از "پوشش استرس" که منجر به اتروفی استخوان می شود جلوگیری شود.
مقاومت در برابر خوردگی مایعات بدن: در محیط الکترولیت انسانی (مایعات خون و بافت با pH 7.3-7.4) پایدار باقی می ماند.
2سازگاری زیستی تیتانیوم: مبنای علمی "همزیستی هماهنگ" با بدن انسان
توانایی یکپارچه سازی سطح بی اثر و استخوان
تیتانیک فیلم اکسید TiO2 در مقیاس نانو در یک محیط فیزیولوژیکی تشکیل می دهد و ترکیب شیمیایی آن شبیه هیدروکسیاپاتیت (Ca10 ((PO4) 6 ((OH) 2) استخوان های انسان است.که می تواند باعث اتصال و تکثیر استیوبلاست ها شودداده های بالینی نشان می دهد که:
قدرت پيوند بينتیتانیومایمپلنت ها و بافت استخوان می توانند 15 تا 25MPa (معادل 70٪ از قدرت رابط طبیعی استخوان) را به دست آورند.
رسوب بافت استخوانی جدید رویتیتانیومدر این حالت، ممکن است ۶ تا ۸ هفته پس از عمل جراحی (در مقایسه با بیش از ۱۲ هفته برای ایمپلنت های فولاد ضد زنگ) مشاهده شود.
خطر آزاد شدن یون های فلزی وجود ندارد
پتانسیل الکترود استانداردتیتانیوم-1.63V است که در یک حالت غیرفعال در محیط بدن انسان است و آزاد شدن یون <0.1μg/L (بسیار کمتر از 5μg/L مشخص شده در استاندارد ISO 10993) است.ایمپلنت های فولاد ضد زنگ ممکن است یون های آلرژی زا مانند Ni2 + و Cr3 + را آزاد کنندکه باعث ایجاد درتیت تماس می شود (وجود آن حدود 5 تا 10 درصد است).
3استفاده ازقطعات تیتانیومیدر پروتز های ارتوپدیک: راه حل های کامل از جایگزینی مفاصل تا تثبیت ستون فقرات
1مفاصل مصنوعی: یک خط نجات که جایگزین "پاشی" می شود
پروتز مفاصل ران: فنجان های اسیتابولار و ساقه های فموریال که با آلیاژ های تیتانیوم (مانند Ti-6Al-4V ELI) ریخته شده اند، دارای ویژگی های زیر هستند:
مقاومت در برابر فرسایش: پس از اینکه سطح با پوشش هیدروکسیاپاتیت پلاسما پاشیده شود، میزان فرسایش کمتر از 0.1mm/سال است (بهتر از آلیاژ کوبالت- کرومیوم- مولیبدنوم).
رشد داخل استخوان: پوشش تیتانیوم متخلخل (تخلخل 60-70٪ ، اندازه منافذ 300-500μm) می تواند رشد سلول های استخوان را برای تشکیل یک "قفل مکانیکی" ترویج دهد.
پرونده: سیستم جایگزینی ران با کمک ربات ماکو از زیمر بیومت از پروتز های تیتانیومی استفاده می کند که نرخ بقای 10 ساله بیش از 95 درصد است.
پروتز مفاصل زانو: فلات های تیبیال و کاندیل های ران ساخته شده از تیتانیوم می توانند از طریق ریختن سرمایه، طراحی پیچیده سطح منحنی را به دست آورند، متناسب با ساختار آناتومی انسانی،و خطر غلظت استرس را کاهش می دهد.
2سیستم ثابت سازی داخلی ستون فقرات: تغییر شکل ثبات ستون فقرات
قفس تیتانیوم: برای فیوژن کمری مورد استفاده قرار می گیرد، ساختار شبکه قفس تیتانیوم ریخته شده می تواند با استخوان اتولوژ پر شود و ماژول انعطاف پذیری آن (110GPa) نزدیک به استخوان کانسلوس (1-10GPa) است.کاهش پوشش استرس مهره های مجاور;
پیچ پیدیکل: دقت طراحی رشته پیچ های تیتانیوم می تواند به ± 0.05mm برسد و آسیب به قشر استخوان در طول کاشت 30٪ کمتر از پیچ های فولاد ضد زنگ است.
3- ترمیم صدمات: "حمایت نامرئی برای تثبیت شکستگی"
صفحه های استخوانی و پیچ ها: ریخته های تیتانیوم را می توان به صفحه های بسیار نازک (ضخامت 1.5-2.0 میلی متر) تبدیل کرد که برای شکستگی استخوان های کوچک در دست ها و پاها مناسب است.توسعه اشعه ایکس بعد از عمل واضح است و بر تشخیص تصویر تاثیر نمی گذارد;
ناخن داخل مغز: قدرت پیچ و خم ناخن های داخل مغز از آلیاژ تیتانیوم 20 درصد بیشتر از فولاد ضد زنگ است.که برای تثبیت شکستگی استخوان های بلند (مانند شکستگی ساقه ران) مناسب است.
IV. استفاده از تیتانیوم در ایمپلنت های دهان: "تعمیر عملکردی" از یک دندان تک تا بازسازی دهان کامل
1• ایمپلنت یک دندان: شبیه سازی مکانیکی مشابه دندان های واقعی
بدن ایمپلنت: ایمپلنت های استوانه ای یا مخروطی ساخته شده از ریخته های تیتانیوم، پس از درمان سطح با سنگ زنی اسید شن (SLA) ، زمان اتصال استخوان می تواند به 3-4 هفته کاهش یابد.برای مثال:
میزان بقای 5 ساله ایمپلنت های استراومن سوئیس (Ti-6Al-4V ELI) >98٪ است و میزان موفقیت 5-8٪ بالاتر از ایمپلنت های تیتانیوم خالص است.
اتصال ستون: دقت اتصال ستون تیتانیوم ریخته شده و ایمپلنت 50μm است که می تواند رشد باکتری ناشی از شکاف های کوچک را کاهش دهد.
2ایمپلنت های دهان کامل و بازسازی های فک و صورت: ریختن دقیق ساختارهای پیچیده
براکت ایمپلنت تمام روی 4 دهان: براکت های آلیاژ تیتانیوم با استفاده از فناوری ریخته گذاری سرمایه گذاری ساخته می شوند که می توانند 4-6 ایمپلنت را در یک زمان برای پشتیبانی از بازسازی دندان مصنوعی،و وزن را 40 درصد در مقایسه با بازسازی های سنتی تقسیم شده کاهش می دهد;
بازسازی های فک صورت: ریخته های تیتانیوم را می توان برای تولید بازسازی های نقص های پیچیده فک صورت مانند استخوان های زایگوماتیک و فک صورت سفارشی کرد. به عنوان مثال:پروتز های فک و صورت تیتانیوم از شرکت BEGO آلمان با استفاده از داده های سی تی مدل سازی می شوند، و خطا مناسب کمتر از 0.3mm است.
5سایر کاربردهای نوآورانه تیتانیوم در زمینه پزشکی
ایمپلنت های قلبی عروقی
آلیاژ تیتانیوم-نیکل(آلیاژ حافظه) برای ساخت استنت های عروقی استفاده می شود، که شکل پیش تعیین شده را در دمای بدن بازیابی می کنند و از قطر داخلی رگ خون پشتیبانی می کنند.انعطاف پذیری آنها 5 برابر بیشتر از استنت های فولادی است;
ایمپلنت های گوش:
زنجیره های استخوانی مصنوعی ساخته شده از تیتانیوم تنها 0.1-0.3g وزن دارند و بهره وری هدایت صوتی آنها 30٪ بالاتر از ایمپلنت های پلاستیکی است.براي بيماران مبتلا به از دست دادن شنوايي رسانا مناسب هستند;
ترمیم بافت نرم:
تیتاناز پچ های پوشش داده شده برای تعمیر فتق دیواره شکم استفاده می شود.ساختار متخلخل آنها می تواند رشد بافت فیبری را ترویج دهد و خطر جابجایی پچ را کاهش دهد (تعداد جابجایی پچ های سنتی پلی پروپیلن حدود 8-12٪ است).
VI. روند آینده: از "تعویض عملکردی" به "همگام سازی فعال بیولوژیکی"
ارتقاء تکنولوژی اصلاح سطح:
سطح تیتانیوم ریخته شده با شیشه زیست فعال (مانند 45S5 Bioglass®) پوشش داده شده است که می تواند یون های Ca2+ و PO43 را آزاد کند تا مینرال سازی استخوان را ترویج دهد و ادغام استخوان را تسریع کند.
ترکیبی از چاپ سه بعدی و ریخته گری:
اول، از تکنولوژی SLM برای چاپ متخلخل استفاده کنیدتیتانیومداربست ها و سپس پر کردن پوسته های متراکم تیتانیوم از طریق ریخته گذاری سرمایه برای دستیابی به یک ساختار ترکیبی از "سطح متراکم + هسته متراکم"،در حالی که نیازهای رشد استخوان و پشتیبانی مکانیکی را برآورده می کند;
تحقیق و توسعه آلیاژ های تیتانیوم قابل تجزیه:
آلیاژ منیزیمتیتانیوم(مانند Ti-2Mg-3Zn) می تواند به آرامی در بدن تجزیه شود و یون های منیزیم را برای ترویج استئوجنسیس آزاد کند و برای تثبیت کوتاه مدت (مانند تثبیت شکستگی در کودکان) مناسب است.
نتیجه گیری: ریخته های تیتانیوم با سازگاری بیولوژیکی عالی، خواص مکانیکی و قابلیت قالب گیری دقیق، به "مواد طلایی" در زمینه ایمپلنت های پزشکی تبدیل شده اند.از مفاصل بزرگ ارتوپدی تا میکرو ایمپلنت های دهانی، مزایای آن نه تنها در جایگزینی بافت های آسیب دیده، بلکه در ترویج توسعه پزشکی بازسازی از طریق "تفاعل هماهنگ" بین مواد و بدن انسان است.با نوآوری در مهندسی سطح و طراحی آلیاژ، کاربرد تیتانیوم در طب شخصی و درمان دقیق همچنان عمیق تر خواهد شد و بیماران را با راه حل های ایمپلنت طولانی مدت و راحت تر فراهم می کند.
1- الزامات اصلی مواد ایمپلنت پزشکی: سازگاری زیستی، تطابق مکانیکی و ایمنی طولانی مدت
ایمپلنت های انسانی باید الزامات زیر را برآورده کنند:
غیر سمی بودن و حساسیت: مواد نمی توانند مواد مضر را آزاد کنند یا پاسخ های ایمنی را تحریک کنند.
سازگاری مکانیکی: قدرت ایمپلنت و ماژول انعطاف پذیری باید نزدیک به بافت استخوان باشد تا از "پوشش استرس" که منجر به اتروفی استخوان می شود جلوگیری شود.
مقاومت در برابر خوردگی مایعات بدن: در محیط الکترولیت انسانی (مایعات خون و بافت با pH 7.3-7.4) پایدار باقی می ماند.
2سازگاری زیستی تیتانیوم: مبنای علمی "همزیستی هماهنگ" با بدن انسان
توانایی یکپارچه سازی سطح بی اثر و استخوان
تیتانیک فیلم اکسید TiO2 در مقیاس نانو در یک محیط فیزیولوژیکی تشکیل می دهد و ترکیب شیمیایی آن شبیه هیدروکسیاپاتیت (Ca10 ((PO4) 6 ((OH) 2) استخوان های انسان است.که می تواند باعث اتصال و تکثیر استیوبلاست ها شودداده های بالینی نشان می دهد که:
قدرت پيوند بينتیتانیومایمپلنت ها و بافت استخوان می توانند 15 تا 25MPa (معادل 70٪ از قدرت رابط طبیعی استخوان) را به دست آورند.
رسوب بافت استخوانی جدید رویتیتانیومدر این حالت، ممکن است ۶ تا ۸ هفته پس از عمل جراحی (در مقایسه با بیش از ۱۲ هفته برای ایمپلنت های فولاد ضد زنگ) مشاهده شود.
خطر آزاد شدن یون های فلزی وجود ندارد
پتانسیل الکترود استانداردتیتانیوم-1.63V است که در یک حالت غیرفعال در محیط بدن انسان است و آزاد شدن یون <0.1μg/L (بسیار کمتر از 5μg/L مشخص شده در استاندارد ISO 10993) است.ایمپلنت های فولاد ضد زنگ ممکن است یون های آلرژی زا مانند Ni2 + و Cr3 + را آزاد کنندکه باعث ایجاد درتیت تماس می شود (وجود آن حدود 5 تا 10 درصد است).
3استفاده ازقطعات تیتانیومیدر پروتز های ارتوپدیک: راه حل های کامل از جایگزینی مفاصل تا تثبیت ستون فقرات
1مفاصل مصنوعی: یک خط نجات که جایگزین "پاشی" می شود
پروتز مفاصل ران: فنجان های اسیتابولار و ساقه های فموریال که با آلیاژ های تیتانیوم (مانند Ti-6Al-4V ELI) ریخته شده اند، دارای ویژگی های زیر هستند:
مقاومت در برابر فرسایش: پس از اینکه سطح با پوشش هیدروکسیاپاتیت پلاسما پاشیده شود، میزان فرسایش کمتر از 0.1mm/سال است (بهتر از آلیاژ کوبالت- کرومیوم- مولیبدنوم).
رشد داخل استخوان: پوشش تیتانیوم متخلخل (تخلخل 60-70٪ ، اندازه منافذ 300-500μm) می تواند رشد سلول های استخوان را برای تشکیل یک "قفل مکانیکی" ترویج دهد.
پرونده: سیستم جایگزینی ران با کمک ربات ماکو از زیمر بیومت از پروتز های تیتانیومی استفاده می کند که نرخ بقای 10 ساله بیش از 95 درصد است.
پروتز مفاصل زانو: فلات های تیبیال و کاندیل های ران ساخته شده از تیتانیوم می توانند از طریق ریختن سرمایه، طراحی پیچیده سطح منحنی را به دست آورند، متناسب با ساختار آناتومی انسانی،و خطر غلظت استرس را کاهش می دهد.
2سیستم ثابت سازی داخلی ستون فقرات: تغییر شکل ثبات ستون فقرات
قفس تیتانیوم: برای فیوژن کمری مورد استفاده قرار می گیرد، ساختار شبکه قفس تیتانیوم ریخته شده می تواند با استخوان اتولوژ پر شود و ماژول انعطاف پذیری آن (110GPa) نزدیک به استخوان کانسلوس (1-10GPa) است.کاهش پوشش استرس مهره های مجاور;
پیچ پیدیکل: دقت طراحی رشته پیچ های تیتانیوم می تواند به ± 0.05mm برسد و آسیب به قشر استخوان در طول کاشت 30٪ کمتر از پیچ های فولاد ضد زنگ است.
3- ترمیم صدمات: "حمایت نامرئی برای تثبیت شکستگی"
صفحه های استخوانی و پیچ ها: ریخته های تیتانیوم را می توان به صفحه های بسیار نازک (ضخامت 1.5-2.0 میلی متر) تبدیل کرد که برای شکستگی استخوان های کوچک در دست ها و پاها مناسب است.توسعه اشعه ایکس بعد از عمل واضح است و بر تشخیص تصویر تاثیر نمی گذارد;
ناخن داخل مغز: قدرت پیچ و خم ناخن های داخل مغز از آلیاژ تیتانیوم 20 درصد بیشتر از فولاد ضد زنگ است.که برای تثبیت شکستگی استخوان های بلند (مانند شکستگی ساقه ران) مناسب است.
IV. استفاده از تیتانیوم در ایمپلنت های دهان: "تعمیر عملکردی" از یک دندان تک تا بازسازی دهان کامل
1• ایمپلنت یک دندان: شبیه سازی مکانیکی مشابه دندان های واقعی
بدن ایمپلنت: ایمپلنت های استوانه ای یا مخروطی ساخته شده از ریخته های تیتانیوم، پس از درمان سطح با سنگ زنی اسید شن (SLA) ، زمان اتصال استخوان می تواند به 3-4 هفته کاهش یابد.برای مثال:
میزان بقای 5 ساله ایمپلنت های استراومن سوئیس (Ti-6Al-4V ELI) >98٪ است و میزان موفقیت 5-8٪ بالاتر از ایمپلنت های تیتانیوم خالص است.
اتصال ستون: دقت اتصال ستون تیتانیوم ریخته شده و ایمپلنت 50μm است که می تواند رشد باکتری ناشی از شکاف های کوچک را کاهش دهد.
2ایمپلنت های دهان کامل و بازسازی های فک و صورت: ریختن دقیق ساختارهای پیچیده
براکت ایمپلنت تمام روی 4 دهان: براکت های آلیاژ تیتانیوم با استفاده از فناوری ریخته گذاری سرمایه گذاری ساخته می شوند که می توانند 4-6 ایمپلنت را در یک زمان برای پشتیبانی از بازسازی دندان مصنوعی،و وزن را 40 درصد در مقایسه با بازسازی های سنتی تقسیم شده کاهش می دهد;
بازسازی های فک صورت: ریخته های تیتانیوم را می توان برای تولید بازسازی های نقص های پیچیده فک صورت مانند استخوان های زایگوماتیک و فک صورت سفارشی کرد. به عنوان مثال:پروتز های فک و صورت تیتانیوم از شرکت BEGO آلمان با استفاده از داده های سی تی مدل سازی می شوند، و خطا مناسب کمتر از 0.3mm است.
5سایر کاربردهای نوآورانه تیتانیوم در زمینه پزشکی
ایمپلنت های قلبی عروقی
آلیاژ تیتانیوم-نیکل(آلیاژ حافظه) برای ساخت استنت های عروقی استفاده می شود، که شکل پیش تعیین شده را در دمای بدن بازیابی می کنند و از قطر داخلی رگ خون پشتیبانی می کنند.انعطاف پذیری آنها 5 برابر بیشتر از استنت های فولادی است;
ایمپلنت های گوش:
زنجیره های استخوانی مصنوعی ساخته شده از تیتانیوم تنها 0.1-0.3g وزن دارند و بهره وری هدایت صوتی آنها 30٪ بالاتر از ایمپلنت های پلاستیکی است.براي بيماران مبتلا به از دست دادن شنوايي رسانا مناسب هستند;
ترمیم بافت نرم:
تیتاناز پچ های پوشش داده شده برای تعمیر فتق دیواره شکم استفاده می شود.ساختار متخلخل آنها می تواند رشد بافت فیبری را ترویج دهد و خطر جابجایی پچ را کاهش دهد (تعداد جابجایی پچ های سنتی پلی پروپیلن حدود 8-12٪ است).
VI. روند آینده: از "تعویض عملکردی" به "همگام سازی فعال بیولوژیکی"
ارتقاء تکنولوژی اصلاح سطح:
سطح تیتانیوم ریخته شده با شیشه زیست فعال (مانند 45S5 Bioglass®) پوشش داده شده است که می تواند یون های Ca2+ و PO43 را آزاد کند تا مینرال سازی استخوان را ترویج دهد و ادغام استخوان را تسریع کند.
ترکیبی از چاپ سه بعدی و ریخته گری:
اول، از تکنولوژی SLM برای چاپ متخلخل استفاده کنیدتیتانیومداربست ها و سپس پر کردن پوسته های متراکم تیتانیوم از طریق ریخته گذاری سرمایه برای دستیابی به یک ساختار ترکیبی از "سطح متراکم + هسته متراکم"،در حالی که نیازهای رشد استخوان و پشتیبانی مکانیکی را برآورده می کند;
تحقیق و توسعه آلیاژ های تیتانیوم قابل تجزیه:
آلیاژ منیزیمتیتانیوم(مانند Ti-2Mg-3Zn) می تواند به آرامی در بدن تجزیه شود و یون های منیزیم را برای ترویج استئوجنسیس آزاد کند و برای تثبیت کوتاه مدت (مانند تثبیت شکستگی در کودکان) مناسب است.
نتیجه گیری: ریخته های تیتانیوم با سازگاری بیولوژیکی عالی، خواص مکانیکی و قابلیت قالب گیری دقیق، به "مواد طلایی" در زمینه ایمپلنت های پزشکی تبدیل شده اند.از مفاصل بزرگ ارتوپدی تا میکرو ایمپلنت های دهانی، مزایای آن نه تنها در جایگزینی بافت های آسیب دیده، بلکه در ترویج توسعه پزشکی بازسازی از طریق "تفاعل هماهنگ" بین مواد و بدن انسان است.با نوآوری در مهندسی سطح و طراحی آلیاژ، کاربرد تیتانیوم در طب شخصی و درمان دقیق همچنان عمیق تر خواهد شد و بیماران را با راه حل های ایمپلنت طولانی مدت و راحت تر فراهم می کند.
