1Podstawowe wymagania dotyczące materiałów implantów medycznych: biokompatybilność, dopasowanie mechaniczne i bezpieczeństwo długoterminowe
Implanty ludzkie muszą spełniać następujące wymagania:
Nietoksyczność i alergeniczne działanie: materiały nie mogą uwalniać szkodliwych substancji ani wywoływać reakcji immunologicznych;
Kompatybilność mechaniczna: wytrzymałość implantu i moduł elastyczny muszą być blisko tkanki kostnej, aby uniknąć "obronności naprężeniowej" prowadzącej do zaniku kości;
Odporny na korozję płynów ciała: pozostaje stabilny w środowisku elektrolitowym człowieka (płyn krwi i tkanek o pH 7,3-7,4).
2Biokompatybilność odlewów tytanowych: naukowa podstawa "harmonijnego współistnienia" z ciałem ludzkim
Możliwość integracji powierzchni obojętnej i kości
Tytaniumtworzy w środowisku fizjologicznym folie tlenku TiO2 w nanoskali, a jej skład chemiczny jest podobny do składów hydroxypatytu (Ca10(PO4) 6 ((OH) 2) ludzkich kości,które mogą powodować przyłączenie i proliferację osteoblastówDane kliniczne pokazują, że:
Siła wiązania międzytytanuImplanty i tkanka kostna mogą osiągać 15-25 MPa (co odpowiada 70% wytrzymałości naturalnego kościanego interfejsu);
Odłożenie nowej tkanki kostnej natytanuw ciągu 6 do 8 tygodni po zabiegu (w porównaniu z ponad 12 tygodniami w przypadku implantów ze stali nierdzewnej).
Brak ryzyka uwolnienia jonów metalowych
Standardowy potencjał elektrodytytanujest -1,63V, który znajduje się w stanie pasywnym w środowisku ludzkiego ciała, a uwalnianie jonów wynosi < 0,1 μg/l (znacznie niższe niż 5 μg/l określone w normie ISO 10993).Implanty ze stali nierdzewnej mogą uwalniać alergenyczne jony, takie jak Ni2+ i Cr3+, powodujących zapalenie skóry kontaktowej (częstość występowania wynosi około 5% - 10%).
3. Stosowanieodlewy z tytanuw ortopedycznych protezach: pełnowymiarowe rozwiązania od wymiany stawów po mocowanie kręgosłupa
1Sztuczne stawy: życiowa linia, która zastępuje zużycie
Protezy stawów biodrowych: kubki acetabularne i łodygi kości udowej odlewane ze stopów tytanu (takich jak Ti-6Al-4V ELI) mają następujące właściwości:
Odporność na zużycie: po opryskaniu powierzchni powłoką wodorotlenkową, szybkość zużycia jest mniejsza niż 0,1 mm/rok (lepsza niż stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego);
Wzrost komórek kostnych: porowaty powłokę tytanu (porowatość 60%-70%, wielkość porów 300-500 μm) może promować wzrost komórek kostnych w celu utworzenia "bloku mechanicznego".
Przypadek: system wymiany biodra z pomocą robota Mako firmy Zimmer Biomet wykorzystuje protety z titanu z 10-letnim współczynnikiem przeżycia ponad 95%.
Protezy stawów kolanowych: płaskowyżyny kości piersiowej i kondyle kości udowej wykonane z odlewów tytanowych mogą osiągnąć złożony projekt krzywej powierzchni poprzez odlewanie inwestycyjne, dopasowując się do struktury anatomicznej człowieka,i zmniejszyć ryzyko koncentracji stresu.
2System wewnętrznego mocowania kręgosłupa: przekształcenie stabilności kręgosłupa
klatka tytanowa: stosowana do fuzji lędźwiowej, struktura siatkowa klatki tytanowej odlewanej może być wypełniona kością autologiczną, a jej moduł elastyczności (110 GPa) jest zbliżony do kości kancerowej (1-10 GPa),zmniejszenie osłony naprężeniowej sąsiednich kręgów;
Śruby na wierzchołku: Dokładność konstrukcji nitki śrub odlewanych z tytanu może osiągnąć ± 0,05 mm, a uszkodzenie kory kostnej podczas implantacji jest o 30% mniejsze niż w przypadku śrub ze stali nierdzewnej.
3- Naprawa urazów: "niewidzialne wsparcie" do utrzymania złamań
Płyty i śruby kostne: Odlewy z tytanu mogą być wytwarzane na ultracienkie płyty (grębokość 1,5-2 mm), które nadają się do drobnych złamań kości w dłoniach i stopach.Pooperacyjny rozwój radiologiczny jest wyraźny i nie wpływa na diagnozę obrazową;
Paznokcie wewnątrzpęcherzowe: wytrzymałość skrętowa paznokci wewnątrzpęcherzowych ze stopu tytanu jest o 20% wyższa niż w stali nierdzewnej,który jest odpowiedni do utrwalania złamań długich kości (takich jak złamania wału udowego).
IV. Zastosowanie odlewów tytanowych w implantach jamy ustnej: "Rekonstrukcja funkcjonalna" od pojedynczego zęba do całej restauracji jamy ustnej
1. implant zęba pojedynczego: "symulacja mechaniczna" porównywalna z prawdziwymi zębami
Ciało implantu: implanty cylindryczne lub stożkowe wykonane z odlewów tytanu, po obróbce powierzchni etsu kwasem piaskowym (SLA), czas wiązania kości może zostać skrócony do 3-4 tygodni.Na przykład::
5-letnia przeżywalność szwajcarskich implantów Straumanna (Ti-6Al-4V ELI) wynosi > 98%, a wskaźnik sukcesu jest o 5% - 8% wyższy niż w przypadku implantów z czystego tytanu;
Połączenie pionowe: dokładność połączenia pionowego odlewu tytanu i implantu wynosi 50 μm, co może zmniejszyć wzrost bakterii spowodowany mikroprzerwami.
2Implanty pełnej jamy ustnej i odbudowy szczęki i twarzy: Precyzyjne odlewanie złożonych struktur
All-on-4 wspornik implantów pełnoustnych: wsporniki z stopów tytanu są wytwarzane za pomocą technologii odlewu inwestycyjnego, które mogą przymocować 4-6 implantów naraz, aby wspierać przywracanie protezy,i zmniejszyć wagę o 40% w porównaniu z tradycyjnymi segmentowanymi restauracjami;
Restauracje szczęki i twarzy: Odlewy tytanowe mogą być dostosowywane do produkcji złożonych odlewów szczęki i twarzy, takich jak kości zygomatyczne i szczęki.Protetyki szczękowo-twarzowe wykonane z tytanu, produkowane przez niemiecką firmę BEGO, są modelowane za pomocą danych z tomografii, a błąd dopasowania jest mniejszy niż 0,3 mm.
5Inne innowacyjne zastosowania odlewów tytanu w dziedzinie medycyny
Implanty układu krążenia:
Zestaw tytanu i niklu(stopy pamięci) są wykorzystywane do produkcji stentów naczyniowych, które przywracają ustawiony wcześniej kształt w temperaturze ciała i wspierają wewnętrzną średnicę naczyń krwionośnych.Ich elastyczność jest pięciokrotnie wyższa niż stentów ze stali nierdzewnej;
Implanty ucha:
Sztuczne łańcuchy kostne wykonane z odlewów tytanowych ważą zaledwie 0,1-0,3 g, a ich wydajność przewodzenia dźwięku jest o 30% wyższa niż w przypadku implantów z tworzyw sztucznych.Są odpowiednie dla pacjentów z utratą słuchu przewodzącego;
Naprawa tkanek miękkich:
Tytanium- Plastry z powłoką są stosowane do naprawy przepukliny ściany brzusznej.Ich porowata struktura może sprzyjać wzrostowi tkanki włóknistej i zmniejszać ryzyko przemieszczania się plastry (stopień przemieszczania się tradycyjnych plastry z polipropylenu wynosi około 8%-12%).
VI. Przyszłe trendy: od "zastąpienia funkcjonalnego" do "integracji biologicznie aktywnej"
Modyfikacja technologii powierzchni:
Powierzchnia odlewów tytanowych jest pokryta bioaktywnym szkłem (takim jak 45S5 Bioglass®), który może uwalniać jony Ca2+ i PO43- w celu promowania mineralizacji kości i przyspieszenia integracji kości;
3D drukowanie i odlewanie:
Po pierwsze, użyj technologii SLM do drukowania porowatychtytanurusztowania, a następnie wypełniać gęste powłoki tytanowe poprzez odlewanie inwestycyjne w celu uzyskania kompozytowej struktury "porowatej powierzchni + gęstego rdzenia",jednocześnie spełniając potrzeby wzrostu kości i wsparcia mechanicznego;
Badania i rozwój podlegających degradacji stopów tytanu:
Zestawy magnezutytanu(np. Ti-2Mg-3Zn) może być powoli rozkładany w organizmie, uwalniając jony magnezu w celu promowania osteogenezy i nadaje się do krótkoterminowej fiksacji (np. fiksacji złamań u dzieci).
Wniosek: Odlewy z tytanu stały się "złotym materiałem" w dziedzinie implantów medycznych ze względu na doskonałą biokompatybilność, właściwości mechaniczne i precyzyjne możliwości formowania.Od ortopedycznych dużych stawów po doustne mikroimplanty, jego zaletami jest nie tylko zastąpienie uszkodzonych tkanek, ale także promowanie rozwoju medycyny regeneracyjnej poprzez "harmonijną interakcję" między materiałami a ciałem ludzkim.Z innowacjami w dziedzinie inżynierii powierzchni i projektowania stopów, stosowanie odlewów tytanowych w medycynie spersonalizowanej i leczeniu precyzyjnym będzie się nadal pogłębiać, zapewniając pacjentom bardziej trwałe i wygodne rozwiązania implantologiczne.
1Podstawowe wymagania dotyczące materiałów implantów medycznych: biokompatybilność, dopasowanie mechaniczne i bezpieczeństwo długoterminowe
Implanty ludzkie muszą spełniać następujące wymagania:
Nietoksyczność i alergeniczne działanie: materiały nie mogą uwalniać szkodliwych substancji ani wywoływać reakcji immunologicznych;
Kompatybilność mechaniczna: wytrzymałość implantu i moduł elastyczny muszą być blisko tkanki kostnej, aby uniknąć "obronności naprężeniowej" prowadzącej do zaniku kości;
Odporny na korozję płynów ciała: pozostaje stabilny w środowisku elektrolitowym człowieka (płyn krwi i tkanek o pH 7,3-7,4).
2Biokompatybilność odlewów tytanowych: naukowa podstawa "harmonijnego współistnienia" z ciałem ludzkim
Możliwość integracji powierzchni obojętnej i kości
Tytaniumtworzy w środowisku fizjologicznym folie tlenku TiO2 w nanoskali, a jej skład chemiczny jest podobny do składów hydroxypatytu (Ca10(PO4) 6 ((OH) 2) ludzkich kości,które mogą powodować przyłączenie i proliferację osteoblastówDane kliniczne pokazują, że:
Siła wiązania międzytytanuImplanty i tkanka kostna mogą osiągać 15-25 MPa (co odpowiada 70% wytrzymałości naturalnego kościanego interfejsu);
Odłożenie nowej tkanki kostnej natytanuw ciągu 6 do 8 tygodni po zabiegu (w porównaniu z ponad 12 tygodniami w przypadku implantów ze stali nierdzewnej).
Brak ryzyka uwolnienia jonów metalowych
Standardowy potencjał elektrodytytanujest -1,63V, który znajduje się w stanie pasywnym w środowisku ludzkiego ciała, a uwalnianie jonów wynosi < 0,1 μg/l (znacznie niższe niż 5 μg/l określone w normie ISO 10993).Implanty ze stali nierdzewnej mogą uwalniać alergenyczne jony, takie jak Ni2+ i Cr3+, powodujących zapalenie skóry kontaktowej (częstość występowania wynosi około 5% - 10%).
3. Stosowanieodlewy z tytanuw ortopedycznych protezach: pełnowymiarowe rozwiązania od wymiany stawów po mocowanie kręgosłupa
1Sztuczne stawy: życiowa linia, która zastępuje zużycie
Protezy stawów biodrowych: kubki acetabularne i łodygi kości udowej odlewane ze stopów tytanu (takich jak Ti-6Al-4V ELI) mają następujące właściwości:
Odporność na zużycie: po opryskaniu powierzchni powłoką wodorotlenkową, szybkość zużycia jest mniejsza niż 0,1 mm/rok (lepsza niż stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego);
Wzrost komórek kostnych: porowaty powłokę tytanu (porowatość 60%-70%, wielkość porów 300-500 μm) może promować wzrost komórek kostnych w celu utworzenia "bloku mechanicznego".
Przypadek: system wymiany biodra z pomocą robota Mako firmy Zimmer Biomet wykorzystuje protety z titanu z 10-letnim współczynnikiem przeżycia ponad 95%.
Protezy stawów kolanowych: płaskowyżyny kości piersiowej i kondyle kości udowej wykonane z odlewów tytanowych mogą osiągnąć złożony projekt krzywej powierzchni poprzez odlewanie inwestycyjne, dopasowując się do struktury anatomicznej człowieka,i zmniejszyć ryzyko koncentracji stresu.
2System wewnętrznego mocowania kręgosłupa: przekształcenie stabilności kręgosłupa
klatka tytanowa: stosowana do fuzji lędźwiowej, struktura siatkowa klatki tytanowej odlewanej może być wypełniona kością autologiczną, a jej moduł elastyczności (110 GPa) jest zbliżony do kości kancerowej (1-10 GPa),zmniejszenie osłony naprężeniowej sąsiednich kręgów;
Śruby na wierzchołku: Dokładność konstrukcji nitki śrub odlewanych z tytanu może osiągnąć ± 0,05 mm, a uszkodzenie kory kostnej podczas implantacji jest o 30% mniejsze niż w przypadku śrub ze stali nierdzewnej.
3- Naprawa urazów: "niewidzialne wsparcie" do utrzymania złamań
Płyty i śruby kostne: Odlewy z tytanu mogą być wytwarzane na ultracienkie płyty (grębokość 1,5-2 mm), które nadają się do drobnych złamań kości w dłoniach i stopach.Pooperacyjny rozwój radiologiczny jest wyraźny i nie wpływa na diagnozę obrazową;
Paznokcie wewnątrzpęcherzowe: wytrzymałość skrętowa paznokci wewnątrzpęcherzowych ze stopu tytanu jest o 20% wyższa niż w stali nierdzewnej,który jest odpowiedni do utrwalania złamań długich kości (takich jak złamania wału udowego).
IV. Zastosowanie odlewów tytanowych w implantach jamy ustnej: "Rekonstrukcja funkcjonalna" od pojedynczego zęba do całej restauracji jamy ustnej
1. implant zęba pojedynczego: "symulacja mechaniczna" porównywalna z prawdziwymi zębami
Ciało implantu: implanty cylindryczne lub stożkowe wykonane z odlewów tytanu, po obróbce powierzchni etsu kwasem piaskowym (SLA), czas wiązania kości może zostać skrócony do 3-4 tygodni.Na przykład::
5-letnia przeżywalność szwajcarskich implantów Straumanna (Ti-6Al-4V ELI) wynosi > 98%, a wskaźnik sukcesu jest o 5% - 8% wyższy niż w przypadku implantów z czystego tytanu;
Połączenie pionowe: dokładność połączenia pionowego odlewu tytanu i implantu wynosi 50 μm, co może zmniejszyć wzrost bakterii spowodowany mikroprzerwami.
2Implanty pełnej jamy ustnej i odbudowy szczęki i twarzy: Precyzyjne odlewanie złożonych struktur
All-on-4 wspornik implantów pełnoustnych: wsporniki z stopów tytanu są wytwarzane za pomocą technologii odlewu inwestycyjnego, które mogą przymocować 4-6 implantów naraz, aby wspierać przywracanie protezy,i zmniejszyć wagę o 40% w porównaniu z tradycyjnymi segmentowanymi restauracjami;
Restauracje szczęki i twarzy: Odlewy tytanowe mogą być dostosowywane do produkcji złożonych odlewów szczęki i twarzy, takich jak kości zygomatyczne i szczęki.Protetyki szczękowo-twarzowe wykonane z tytanu, produkowane przez niemiecką firmę BEGO, są modelowane za pomocą danych z tomografii, a błąd dopasowania jest mniejszy niż 0,3 mm.
5Inne innowacyjne zastosowania odlewów tytanu w dziedzinie medycyny
Implanty układu krążenia:
Zestaw tytanu i niklu(stopy pamięci) są wykorzystywane do produkcji stentów naczyniowych, które przywracają ustawiony wcześniej kształt w temperaturze ciała i wspierają wewnętrzną średnicę naczyń krwionośnych.Ich elastyczność jest pięciokrotnie wyższa niż stentów ze stali nierdzewnej;
Implanty ucha:
Sztuczne łańcuchy kostne wykonane z odlewów tytanowych ważą zaledwie 0,1-0,3 g, a ich wydajność przewodzenia dźwięku jest o 30% wyższa niż w przypadku implantów z tworzyw sztucznych.Są odpowiednie dla pacjentów z utratą słuchu przewodzącego;
Naprawa tkanek miękkich:
Tytanium- Plastry z powłoką są stosowane do naprawy przepukliny ściany brzusznej.Ich porowata struktura może sprzyjać wzrostowi tkanki włóknistej i zmniejszać ryzyko przemieszczania się plastry (stopień przemieszczania się tradycyjnych plastry z polipropylenu wynosi około 8%-12%).
VI. Przyszłe trendy: od "zastąpienia funkcjonalnego" do "integracji biologicznie aktywnej"
Modyfikacja technologii powierzchni:
Powierzchnia odlewów tytanowych jest pokryta bioaktywnym szkłem (takim jak 45S5 Bioglass®), który może uwalniać jony Ca2+ i PO43- w celu promowania mineralizacji kości i przyspieszenia integracji kości;
3D drukowanie i odlewanie:
Po pierwsze, użyj technologii SLM do drukowania porowatychtytanurusztowania, a następnie wypełniać gęste powłoki tytanowe poprzez odlewanie inwestycyjne w celu uzyskania kompozytowej struktury "porowatej powierzchni + gęstego rdzenia",jednocześnie spełniając potrzeby wzrostu kości i wsparcia mechanicznego;
Badania i rozwój podlegających degradacji stopów tytanu:
Zestawy magnezutytanu(np. Ti-2Mg-3Zn) może być powoli rozkładany w organizmie, uwalniając jony magnezu w celu promowania osteogenezy i nadaje się do krótkoterminowej fiksacji (np. fiksacji złamań u dzieci).
Wniosek: Odlewy z tytanu stały się "złotym materiałem" w dziedzinie implantów medycznych ze względu na doskonałą biokompatybilność, właściwości mechaniczne i precyzyjne możliwości formowania.Od ortopedycznych dużych stawów po doustne mikroimplanty, jego zaletami jest nie tylko zastąpienie uszkodzonych tkanek, ale także promowanie rozwoju medycyny regeneracyjnej poprzez "harmonijną interakcję" między materiałami a ciałem ludzkim.Z innowacjami w dziedzinie inżynierii powierzchni i projektowania stopów, stosowanie odlewów tytanowych w medycynie spersonalizowanej i leczeniu precyzyjnym będzie się nadal pogłębiać, zapewniając pacjentom bardziej trwałe i wygodne rozwiązania implantologiczne.
