1Requisiti fondamentali dei materiali per impianti medici: biocompatibilità, compatibilità meccanica e sicurezza a lungo termine
Gli impianti umani devono soddisfare i seguenti requisiti:
Non tossicità e allergenicità: i materiali non possono rilasciare sostanze nocive o indurre risposte immunitarie;
Compatibilità meccanica: la resistenza dell'impianto e il modulo elastico devono essere vicini al tessuto osseo per evitare lo "scudo da stress" che porta all'atrofia ossea;
Resistente alla corrosione dei liquidi corporei: rimane stabile nell' ambiente degli elettroliti umani (liquido del sangue e dei tessuti con pH 7,3-7,4).
2Biocompatibilità delle fusioni in titanio: base scientifica per una "coesistenza armoniosa" con il corpo umano
Capacità di integrazione della superficie inerte e dell'osso
Titanioforma un film di ossido di TiO2 su scala nanometrica in un ambiente fisiologico e la sua composizione chimica è simile a quella dell'idrossiapatite (Ca10(PO4) 6 ((OH) 2) delle ossa umane,che possono indurre l' attaccamento e la proliferazione degli osteoblastiI dati clinici mostrano che:
La forza di legame traTitaniogli impianti e il tessuto osseo possono raggiungere 15-25 MPa (equivalente al 70% della resistenza dell'interfaccia ossea naturale);
La deposizione di nuovo tessuto osseo sulTitaniola superficie può essere osservata 6-8 settimane dopo l' intervento chirurgico (rispetto a più di 12 settimane per gli impianti in acciaio inossidabile).
Nessun rischio di rilascio di ioni metallici
Il potenziale standard dell'elettrodo diTitanioè -1,63V, che è in stato passivato nell'ambiente del corpo umano, e il rilascio di ioni è < 0,1 μg/L (molto inferiore ai 5 μg/L specificati nella norma ISO 10993).Gli impianti in acciaio inossidabile possono rilasciare ioni allergenici quali Ni2+ e Cr3+, che provoca dermatite da contatto (l' incidenza è di circa il 5% - 10%).
3. ApplicazioneFuse di titanioin protesi ortopediche: soluzioni a tutte le dimensioni dalla sostituzione articolare alla fissazione spinale
1Articulazioni artificiali: una linea di salvezza che sostituisce l'"usura"
Protesi dell'articolazione dell'anca: le coppe acetabolari e gli steli femorali fonduti con leghe di titanio (come Ti-6Al-4V ELI) presentano le seguenti caratteristiche:
resistenza all'usura: dopo che la superficie è stata spruzzata con plasma con rivestimento di idrossiapatite, il tasso di usura è inferiore a 0,1 mm/anno (meglio di una lega di cobalto-cromo-molibdeno);
Crescita ossea: il rivestimento di titanio poroso (porosità 60%-70%, dimensione dei pori 300-500μm) può promuovere la crescita delle cellule ossee per formare un "blocco meccanico".
Caso: il sistema di sostituzione dell'anca Mako assistito da robot di Zimmer Biomet utilizza protesi di fusione in titanio con un tasso di sopravvivenza di 10 anni superiore al 95%.
Protesi delle articolazioni del ginocchio: gli altopiani tibiali e i condili femorali realizzati con fusioni in titanio possono ottenere un design di superficie curva complesso attraverso la fusione di investimento, adattandosi alla struttura anatomica umana,e ridurre il rischio di concentrazione di stress.
2Sistema di fissaggio interno spinale: rimodellare la stabilità spinale
gabbia in titanio: utilizzata per la fusione lombare, la struttura a maglia della gabbia in titanio fuso può essere riempita con osso autologo e il suo modulo di elasticità (110 GPa) è vicino all'osso cancelloso (1-10 GPa),riducendo lo schermo di stress delle vertebre adiacenti;
Vitruccio a pedicolo: la precisione di progettazione del filo delle viti di fusione in titanio può raggiungere ± 0,05 mm e il danno alla corteccia ossea durante l'impianto è inferiore del 30% a quello delle viti in acciaio inossidabile.
3- riparazione del trauma: "supporto invisibile" per la fissazione delle fratture
Piastre ossee e viti: le fusioni in titanio possono essere realizzate in piastre ultra sottili (spessore 1,5-2 mm), adatte per piccole fratture ossee nelle mani e nei piedi.L' evoluzione post-operatoria dei raggi X è chiara e non influenza la diagnosi per immagini;
Chiodo intramedullare: la resistenza alla torsione delle unghie intramedullari in lega di titanio è superiore del 20% a quella dell'acciaio inossidabile,che è adatto per la fissazione di fratture ossee lunghe (come le fratture dell'albero femorale).
IV. Applicazione di fusioni in titanio negli impianti orali: "Ricostruzione funzionale" dal dente singolo al restauro della bocca intera
1Impianto dentale singolo: "simulazione meccanica" paragonabile a denti reali
Corpo dell'impianto: impianti cilindrici o conici realizzati in fusioni di titanio, dopo che la superficie è stata trattata con incisione acida da sabbiatura (SLA), il tempo di legame osseo può essere ridotto a 3-4 settimane.Per esempio::
Il tasso di sopravvivenza a 5 anni degli impianti di Swiss Straumann (Ti-6Al-4V ELI) è > 98% e il tasso di successo è superiore del 5%-8% a quello degli impianti di titanio puro;
Connessione di pilastro: la precisione di connessione del pilastro di fusione in titanio e dell'impianto è di 50 μm, che può ridurre la crescita batterica causata da micro-gap.
2Impianti della bocca piena e restauri mascillo-facciali: fusione di precisione di strutture complesse
All-on-4 supporto per impianti a bocca piena: i supporti in lega di titanio sono fabbricati con tecnologia di fusione di investimento, che può fissare 4-6 impianti alla volta per supportare il ripristino della protesi,e ridurre il peso del 40% rispetto ai tradizionali restauri segmentati;
Restaurazioni mascillo-facciali: le fusioni in titanio possono essere personalizzate per produrre restauri di difetti mascillo-facciali complessi come ossa e mandibole zigomatiche.Le protesi maxillo-facciali in titanio della società tedesca BEGO sono modellate con dati di TAC, e l'errore di adattamento è inferiore a 0,3 mm.
5Altre applicazioni innovative delle fusioni in titanio nel campo medico
Impianti cardiovascolari:
Leghe di titanio e nichel(lega di memoria) vengono utilizzati per la produzione di stent vascolari, che ripristinano la forma prestabilita alla temperatura corporea e supportano il diametro interno del vaso sanguigno.La loro flessibilità è 5 volte superiore a quella degli stent in acciaio inossidabile;
Impianti uditivi:
Le catene ossicolari artificiali realizzate in fusioni di titanio pesano solo 0,1-0,3 g e la loro efficienza di conduzione sonora è del 30% superiore a quella degli impianti di plastica.Sono adatti ai pazienti con perdita di udito conduttiva;
Riparazione dei tessuti molli:
Titanio- i cerotti rivestiti sono usati per la riparazione dell'ernia della parete addominale.La loro struttura porosa può favorire la crescita del tessuto fibroso e ridurre il rischio di spostamento del cerotto (il tasso di spostamento dei cerotti tradizionali in polipropilene è di circa l'8%-12%).
VI. Tendenze future: dalla "sostituzione funzionale" all'"integrazione biologicamente attiva"
Aggiornamento della tecnologia di modifica della superficie:
La superficie delle fusioni in titanio è rivestita di vetro bioattivo (come 45S5 Bioglass®), che può rilasciare ioni Ca2+ e PO43- per favorire la mineralizzazione ossea e accelerare l'integrazione ossea;
3D-printing e fusione:
Prima di tutto, utilizzare la tecnologia SLM per stampare porosoTitanioscaffold, e quindi riempire conchiglie di titanio dense attraverso fusione di investimento per ottenere una struttura composita di "superficie porosa + nucleo denso",mentre soddisfa le esigenze di crescita ossea e supporto meccanico;
Ricerca e sviluppo di leghe di titanio degradabili:
Legato di magnesioTitanio(come Ti-2Mg-3Zn) può essere degradato lentamente nel corpo, rilasciando ioni di magnesio per promuovere l' osteogenesi, ed è adatto per la fissazione a breve termine (come la fissazione delle fratture nei bambini).
Conclusione: le fusioni in titanio sono diventate il "materiale d'oro" nel campo degli impianti medici grazie alla loro eccellente biocompatibilità, proprietà meccaniche e capacità di stampaggio preciso.Dalle grandi articolazioni ortopediche ai micro-impianti orali, i suoi vantaggi non sono solo nella sostituzione dei tessuti danneggiati, ma anche nel promuovere lo sviluppo della medicina rigenerativa attraverso l'"interazione armoniosa" tra i materiali e il corpo umano.Con innovazioni nell'ingegneria delle superfici e nella progettazione delle leghe, l'applicazione delle fusioni in titanio nella medicina personalizzata e nei trattamenti di precisione continuerà ad approfondirsi, fornendo ai pazienti soluzioni di impianto più durevoli e più confortevoli.
1Requisiti fondamentali dei materiali per impianti medici: biocompatibilità, compatibilità meccanica e sicurezza a lungo termine
Gli impianti umani devono soddisfare i seguenti requisiti:
Non tossicità e allergenicità: i materiali non possono rilasciare sostanze nocive o indurre risposte immunitarie;
Compatibilità meccanica: la resistenza dell'impianto e il modulo elastico devono essere vicini al tessuto osseo per evitare lo "scudo da stress" che porta all'atrofia ossea;
Resistente alla corrosione dei liquidi corporei: rimane stabile nell' ambiente degli elettroliti umani (liquido del sangue e dei tessuti con pH 7,3-7,4).
2Biocompatibilità delle fusioni in titanio: base scientifica per una "coesistenza armoniosa" con il corpo umano
Capacità di integrazione della superficie inerte e dell'osso
Titanioforma un film di ossido di TiO2 su scala nanometrica in un ambiente fisiologico e la sua composizione chimica è simile a quella dell'idrossiapatite (Ca10(PO4) 6 ((OH) 2) delle ossa umane,che possono indurre l' attaccamento e la proliferazione degli osteoblastiI dati clinici mostrano che:
La forza di legame traTitaniogli impianti e il tessuto osseo possono raggiungere 15-25 MPa (equivalente al 70% della resistenza dell'interfaccia ossea naturale);
La deposizione di nuovo tessuto osseo sulTitaniola superficie può essere osservata 6-8 settimane dopo l' intervento chirurgico (rispetto a più di 12 settimane per gli impianti in acciaio inossidabile).
Nessun rischio di rilascio di ioni metallici
Il potenziale standard dell'elettrodo diTitanioè -1,63V, che è in stato passivato nell'ambiente del corpo umano, e il rilascio di ioni è < 0,1 μg/L (molto inferiore ai 5 μg/L specificati nella norma ISO 10993).Gli impianti in acciaio inossidabile possono rilasciare ioni allergenici quali Ni2+ e Cr3+, che provoca dermatite da contatto (l' incidenza è di circa il 5% - 10%).
3. ApplicazioneFuse di titanioin protesi ortopediche: soluzioni a tutte le dimensioni dalla sostituzione articolare alla fissazione spinale
1Articulazioni artificiali: una linea di salvezza che sostituisce l'"usura"
Protesi dell'articolazione dell'anca: le coppe acetabolari e gli steli femorali fonduti con leghe di titanio (come Ti-6Al-4V ELI) presentano le seguenti caratteristiche:
resistenza all'usura: dopo che la superficie è stata spruzzata con plasma con rivestimento di idrossiapatite, il tasso di usura è inferiore a 0,1 mm/anno (meglio di una lega di cobalto-cromo-molibdeno);
Crescita ossea: il rivestimento di titanio poroso (porosità 60%-70%, dimensione dei pori 300-500μm) può promuovere la crescita delle cellule ossee per formare un "blocco meccanico".
Caso: il sistema di sostituzione dell'anca Mako assistito da robot di Zimmer Biomet utilizza protesi di fusione in titanio con un tasso di sopravvivenza di 10 anni superiore al 95%.
Protesi delle articolazioni del ginocchio: gli altopiani tibiali e i condili femorali realizzati con fusioni in titanio possono ottenere un design di superficie curva complesso attraverso la fusione di investimento, adattandosi alla struttura anatomica umana,e ridurre il rischio di concentrazione di stress.
2Sistema di fissaggio interno spinale: rimodellare la stabilità spinale
gabbia in titanio: utilizzata per la fusione lombare, la struttura a maglia della gabbia in titanio fuso può essere riempita con osso autologo e il suo modulo di elasticità (110 GPa) è vicino all'osso cancelloso (1-10 GPa),riducendo lo schermo di stress delle vertebre adiacenti;
Vitruccio a pedicolo: la precisione di progettazione del filo delle viti di fusione in titanio può raggiungere ± 0,05 mm e il danno alla corteccia ossea durante l'impianto è inferiore del 30% a quello delle viti in acciaio inossidabile.
3- riparazione del trauma: "supporto invisibile" per la fissazione delle fratture
Piastre ossee e viti: le fusioni in titanio possono essere realizzate in piastre ultra sottili (spessore 1,5-2 mm), adatte per piccole fratture ossee nelle mani e nei piedi.L' evoluzione post-operatoria dei raggi X è chiara e non influenza la diagnosi per immagini;
Chiodo intramedullare: la resistenza alla torsione delle unghie intramedullari in lega di titanio è superiore del 20% a quella dell'acciaio inossidabile,che è adatto per la fissazione di fratture ossee lunghe (come le fratture dell'albero femorale).
IV. Applicazione di fusioni in titanio negli impianti orali: "Ricostruzione funzionale" dal dente singolo al restauro della bocca intera
1Impianto dentale singolo: "simulazione meccanica" paragonabile a denti reali
Corpo dell'impianto: impianti cilindrici o conici realizzati in fusioni di titanio, dopo che la superficie è stata trattata con incisione acida da sabbiatura (SLA), il tempo di legame osseo può essere ridotto a 3-4 settimane.Per esempio::
Il tasso di sopravvivenza a 5 anni degli impianti di Swiss Straumann (Ti-6Al-4V ELI) è > 98% e il tasso di successo è superiore del 5%-8% a quello degli impianti di titanio puro;
Connessione di pilastro: la precisione di connessione del pilastro di fusione in titanio e dell'impianto è di 50 μm, che può ridurre la crescita batterica causata da micro-gap.
2Impianti della bocca piena e restauri mascillo-facciali: fusione di precisione di strutture complesse
All-on-4 supporto per impianti a bocca piena: i supporti in lega di titanio sono fabbricati con tecnologia di fusione di investimento, che può fissare 4-6 impianti alla volta per supportare il ripristino della protesi,e ridurre il peso del 40% rispetto ai tradizionali restauri segmentati;
Restaurazioni mascillo-facciali: le fusioni in titanio possono essere personalizzate per produrre restauri di difetti mascillo-facciali complessi come ossa e mandibole zigomatiche.Le protesi maxillo-facciali in titanio della società tedesca BEGO sono modellate con dati di TAC, e l'errore di adattamento è inferiore a 0,3 mm.
5Altre applicazioni innovative delle fusioni in titanio nel campo medico
Impianti cardiovascolari:
Leghe di titanio e nichel(lega di memoria) vengono utilizzati per la produzione di stent vascolari, che ripristinano la forma prestabilita alla temperatura corporea e supportano il diametro interno del vaso sanguigno.La loro flessibilità è 5 volte superiore a quella degli stent in acciaio inossidabile;
Impianti uditivi:
Le catene ossicolari artificiali realizzate in fusioni di titanio pesano solo 0,1-0,3 g e la loro efficienza di conduzione sonora è del 30% superiore a quella degli impianti di plastica.Sono adatti ai pazienti con perdita di udito conduttiva;
Riparazione dei tessuti molli:
Titanio- i cerotti rivestiti sono usati per la riparazione dell'ernia della parete addominale.La loro struttura porosa può favorire la crescita del tessuto fibroso e ridurre il rischio di spostamento del cerotto (il tasso di spostamento dei cerotti tradizionali in polipropilene è di circa l'8%-12%).
VI. Tendenze future: dalla "sostituzione funzionale" all'"integrazione biologicamente attiva"
Aggiornamento della tecnologia di modifica della superficie:
La superficie delle fusioni in titanio è rivestita di vetro bioattivo (come 45S5 Bioglass®), che può rilasciare ioni Ca2+ e PO43- per favorire la mineralizzazione ossea e accelerare l'integrazione ossea;
3D-printing e fusione:
Prima di tutto, utilizzare la tecnologia SLM per stampare porosoTitanioscaffold, e quindi riempire conchiglie di titanio dense attraverso fusione di investimento per ottenere una struttura composita di "superficie porosa + nucleo denso",mentre soddisfa le esigenze di crescita ossea e supporto meccanico;
Ricerca e sviluppo di leghe di titanio degradabili:
Legato di magnesioTitanio(come Ti-2Mg-3Zn) può essere degradato lentamente nel corpo, rilasciando ioni di magnesio per promuovere l' osteogenesi, ed è adatto per la fissazione a breve termine (come la fissazione delle fratture nei bambini).
Conclusione: le fusioni in titanio sono diventate il "materiale d'oro" nel campo degli impianti medici grazie alla loro eccellente biocompatibilità, proprietà meccaniche e capacità di stampaggio preciso.Dalle grandi articolazioni ortopediche ai micro-impianti orali, i suoi vantaggi non sono solo nella sostituzione dei tessuti danneggiati, ma anche nel promuovere lo sviluppo della medicina rigenerativa attraverso l'"interazione armoniosa" tra i materiali e il corpo umano.Con innovazioni nell'ingegneria delle superfici e nella progettazione delle leghe, l'applicazione delle fusioni in titanio nella medicina personalizzata e nei trattamenti di precisione continuerà ad approfondirsi, fornendo ai pazienti soluzioni di impianto più durevoli e più confortevoli.
