تیتانیوم و آلیاژهای آن

مقدمه
با بهبود استانداردهای زندگی و گسترش دانش و فناوری، زیست مواد به سرعت بهبود یافته و به بهبود کیفیت زندگی و طول عمر انسان به خوبی کمک کرده اند. زیست مواد فلزی، بیشترین قدمت را در بین انواع زیست مواد دارد. فولاد زنگنزن، وایتالیم، تیتانیم خالص، آلیاژهای تیتانیم، زیرکونیم خالص و آلیاژهای زیرکونیم به طور گسترده به عنوان مفصل ران مصنوعی، صفحات استخوانی، زانوی مصنوعی، کاشتنی های دندانی، استنت های قلبی عروقی و غیره استفاده شده اند. در این میان تیتانیوم به صورت خالص و آلیاژی به طور گستردهای در پزشکی استفاده میشود. نخستین تلاش برای استفاده از تیتانیم به عنوان کاشتنی در سال 1930 میلادی با جاگذاری تیتانیم در استخوان ران گربه انجام گرفت که نتایجی مطلوب نظیر فولاد زنگنزن و آلیاژ کبالت کرم بدست آمد و خواص مطلوب تیتانیوم وآلیاژهای آن سبب تمایل دانشمندان برای استفاده از این فلز در مصارف دندانپزشکی و پزشکی شده است.

در ادامه به برخی از خواص ، آلیاژها و انواع متداول تیتانیوم مورد استفاده در صنعت پزشکی و کاربردهای آن اشاره میگردد.

تیتانیوم و آلیاژهای آن

تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم بر حسب مقدار فاز های آلفا و بتا در دمای محیط به چهار دسته اصلی تقسیم میشوند:

⦁ تیتانیوم خالص تجاری
⦁ تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا
⦁ آلیاژهای تیتانیوم آلفا – بتا
⦁ آلیاژهای تیتانیوم بتا

تیتانیوم خالص در دمای محیط ساختار کریستالی هگزاگونال (شش وجهی) آلفا (α) فشرده داشته که در دمای تقریبا 885 درجه سانتیگراد تبدیل به ساختار bcc بتا (β) میشود. این دمای انتقال به عنوان تبدیل β شناخته می شود که بسته به نوع و مقادیر ناخالصی یا افزودنی های آلیاژی میتواند کاهش یا افزایش یابد. بر اساس این تقسیم بندی آلیاژهای آلفا در دمای محیط تنها دارای فاز آلفا هستند. در حالی که آلیاژهای نزدیک به آلفا مقدار کمی فاز بتا دارند. آلیاژهای آلفا-بتا آلیاژهایی دوفازی هستند که هر دو فاز آلفا و بتا را شامل میشوند. در دمای محیط تیتانیوم خالص تجاری به شکل فاز آلفا می باشد. با افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم، مقادیر هر فاز و دمای تبدیل بتا تغییر میکند. برخی از رایجترین انواع و آلیاژهای تیتانیوم در پزشکی در جدول آورده شده است.

جدول خواص مکانیکی تیتانیوم و آلیاژهای آن

ماده مدول یانگ (GPa) استحکام کششی نهایی (MPa) استحکام تسلیم (MPa) الانگیشن (%) دانسیته (g/cc) نوع آلیاژ
Cp Ti گرید 1 102 240 170 24 4.5 α
Cp Ti گرید 2 102 345 275 20 4.5 α
Cp Ti گرید 3 102 450 380 18 4.5 α
Cp Ti گرید 4 104 550 483 15 4.5 α
Ti6Al4V ELI 113 860 795 10 4.4 αβ+
Ti6Al4V 113 930 860 10 4.4 αβ+
Ti6Al7Nb 114 900-1050 880-950 8-15 4.4 αβ+
Ti5Al2.5Fe 112 1020 895 15 4.4 αβ+
Ti15Zr4Nb2Ta0.2Pd 94-99 715-919 693-806 18-28 4.4 αβ+
Ti29Nb13Ta4.6Zr 80 911 864 13.2 4.4 β

خواص تیتانیوم

تیتانیوم فلزی سبک، با نسبت استحکام به وزن بالاست. مدول یانگ نسبتا پایین این فلز نسبت به سایر فلزات رایج نظیر فولاد زنگنزن و و آلیاژ کبالت-کروم، و نزدیک بودن مدول یانگ آن به استخوان قشری یا فشرده، سبب کاهش پدیده سپر تنشی و مشکل شل شدن کاشتنی شده است. تنوع خواص مکانیکی آلیاژهای تیتانیوم سبب شده است تا هر آلیاژ برای کاربردی خاص مناسب گردد.

کاربردهای تیتانیوم در پزشکی

در پزشکی، تیتانیوم و آلیاژهای آن به عنوان مفصل هیپ مصنوعی، مفصل زانو مصنوعی، صفحات استخوانی، پیچهای تثبیتکننده، پروتزهای دریچه قلب، ضربانساز و قلب مصنوعی استفاده شده است. در میان آلیاژهای تیتانیوم، Ti-6Al-4V کاربرد بیشتری یافته است. هرچند، به علت حضور عناصر آلیاژی نظیر V و Al که رهش آنها احتمال ایجاد سمیت افزایش مییابد، تحقیقات را به سمت استفاده از سایر آلیاژهای تیتانیوم و جایگزینی عناصر سمی برده است. آلیاژهای جدید شامل موارد زیر است:
⦁ Ti-6Al-7Nb (ASTM F1295)
⦁ Ti-13Nb-13Zr (ASTM F1713)
⦁ Ti-12Mo- 6Zr (ASTM F1813)

کاربرد تیتانیم در مفصل هیپ
کاربرد تیتانیم در مفصل هیپ

از خواص فیزیکی اصلی تیتانیوم، می توان به هدایت الکتریکی پایین، مقاومت به خوردگی بالا در pH بدن و تشکیل یون پایین در محیط آبی میتوان اشاره کرد. این خواص مسئول اصلی زیستسازگاری نیز به شمار میآیند.

کاربرد تیتانیوم در دندانپزشکی

تیتانیوم و آلیاژهای آن همچنین در تجهیزات پزشکی نظیر تاج، کاشتنی، پل، سیم اورتودنسی و اجزای پروتز ایمپلنت نظیر پیچ و ابونتمنت کاربرد دارد. تیتانیوم خالص تجاری ترجیحا برای کاشتنی دندانی اندوس بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. چهار گرید از تیتانیوم خالص تجاری و یک آلیاژ تیتانیوم به طور تجاری برای کاربردهای دندانپزشکی استفاده شدهاند. مطابق با استاندارد ASTM ، گرید 1 تا 4 تیتانیوم خالص بوده و گرید 5 آن با 6درصد آلومنیوم و 4 درصد وانادیوم است.

تصویری از یک کاشتنی دندانی از جنس تیتانیوم
تصویری از یک کاشتنی دندانی از جنس تیتانیوم

تیتانیوم گرید 1 بیشترین خلوص و کمترین استحکام و بهترین داکتلیتی در دمای اتاق را دارد و گرید 2 تیتاینوم بیشترین کاربرد را در صنعت دندانپزشکی به خود اختصاص داده است. گرید 3 و 4 به ترتیب بیشترین استحکام را در میان انواع خالص دارند. نوع 5 اگرچه در کاربردهای پزشکی رایج است اما در دندانپزشکی کاربرد چندانی ندارد.



دیدگاهتان را بنویسید