การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของไทเทเนียมทางการแพทย์

โลหะไททาเนียมเป็นวัสดุใช้งานที่สำคัญ จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมพลังงาน เวชภัณฑ์ และสาขาอื่นๆ เนื่องจากมีข้อดีคือมีความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงจำเพาะสูง และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี การพัฒนาไทเทเนียมทางการแพทย์และโลหะผสมไทเทเนียมแบ่งออกเป็นสามช่วงโดยประมาณ:

ช่วงแรกแสดงด้วยไทเทเนียมบริสุทธิ์และ Ti-6AI-4V; คาบที่สองแสดงด้วยโลหะผสมประเภท + -, Ti-5A1-2.5Fe และ Ti-6Al-7Nb; และช่วงที่สามแสดงโดยการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมประเภทที่มีคุณสมบัติทางชีวภาพที่ดีขึ้นและมีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่าเป็นแนวป้องกันหลัก การใช้วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมใหม่จะเป็นทิศทางปัจจุบันของการพัฒนาอุปกรณ์การแพทย์กระแสหลัก

การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์ในประเทศจีนเริ่มต้นในปี 1970 สถาบันวิจัยโลหะนอกกลุ่มเหล็กตะวันตกเฉียงเหนือได้พัฒนา Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) และในปี 1990 ได้พัฒนาด้วยสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาที่เป็นอิสระของวัสดุ Ti-6Al-4V, Ti-Al-2.5Fe และ Ti-6Al-7Nb นอกจากนี้ Chinese Academy of Sciences ยังได้พัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมใหม่ Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn การพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมในปัจจุบันของจีนเพื่อพัฒนาวัสดุใหม่และวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับการใช้งานในทิศทางหลัก

I. การกัดกร่อนของไทเทเนียม

ไทเทเนียมเป็นโลหะที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ ค่าศักย์ไฟฟ้าในการสร้างฟิล์มเป็นลบมากกว่า ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของอิเล็กโทรดอยู่ที่ -1.63V ดังนั้นในบรรยากาศและสารละลายในน้ำจึงง่ายต่อการสร้างชั้นของฟิล์มออกซิไดซ์ที่มีคุณสมบัติเป็นทู่ ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีขึ้น

1 ความต้านทานการกัดกร่อนของไทเทเนียมในสื่อต่างๆ

การศึกษาความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุทางการแพทย์เป็นสิ่งสำคัญมาก ในด้านหนึ่ง ไอออนของโลหะหรือผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนบางส่วนของวัสดุที่ปลูกฝังจะแทรกซึมเข้าไปในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต ซึ่งสามารถกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาทางสรีรวิทยาในระดับต่างๆ ได้ ในทางกลับกัน เนื่องจากมีของเหลวในร่างกาย ประสิทธิภาพของวัสดุบางชนิดอาจลดลงอย่างมาก ส่งผลให้เกิดความเสียหายอย่างรวดเร็วหรือถึงขั้นล้มเหลวได้ สภาพแวดล้อมที่ค่อนข้างซับซ้อนของร่างกายมนุษย์มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการละลายของธาตุและเปลี่ยนความเสถียรของชั้นออกไซด์ แรงเสียดทานเล็กน้อยอาจทำให้การก่อตัวของฟิล์มทู่ที่พื้นผิวไทเทเนียมได้รับความเสียหายในระดับต่างๆ เช่นในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจน ความเสถียรของชั้นออกไซด์จะลดลง ไม่สามารถซ่อมแซมได้ทันทีเมื่อได้รับความเสียหายหรือการก่อตัวของชั้นออกไซด์ใหม่ มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการกัดกร่อนมากขึ้น สถานการณ์นี้แทบจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ในการเคลื่อนไหวซ้ำๆ ของร่างกายมนุษย์และการใช้เครื่องมือ การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกจะเปลี่ยนสถานะการจัดองค์กรของวัสดุ ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการกัดกร่อนของวัสดุ ระดับการเสียรูปของพลาสติกที่แตกต่างกันต่อประสิทธิภาพการกัดกร่อนของวัสดุนั้นแตกต่างกันอย่างมาก ในกระบวนการเปลี่ยนรูปพลาสติก เนื่องจากความเข้มข้นของความเค้นภายในส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องของส่วนต่อประสานและเกรน ดังนั้นการเปลี่ยนรูปพลาสติกจะทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุลดลง

2 กลไกการกัดกร่อนของไทเทเนียม

ไทเทเนียมเป็นองค์ประกอบการเปลี่ยนแปลงของกลุ่ม IVB ซึ่งเป็นลักษณะทางเคมีของสารที่ออกฤทธิ์มากกว่า และออกซิเจนมีความสัมพันธ์ที่ดี ในสื่อที่ประกอบด้วยออกซิเจน พื้นผิวของไททาเนียมนั้นง่ายต่อการสร้างฟิล์มฟิล์มที่มีความหนาแน่น ฟิล์มฟิล์มฟิล์มมีความบางมาก โดยทั่วไปความหนาจะอยู่ที่ไม่กี่นาโนเมตรถึงหลายสิบนาโนเมตร การมีอยู่ของฟิล์มทู่บนโลหะผสมไททาเนียมส่งผลให้พื้นที่การละลายของพื้นผิวลดลงและอัตราการละลายช้าลง จึงต้านทานความเสียหายที่เกิดจากการละลายได้ นอกจากนี้ฟิล์มทู่ยังสามารถซ่อมแซมอัตโนมัติได้เมื่อเสียหายสามารถสร้างฟิล์มป้องกันใหม่ได้อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ไทเทเนียมมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี โลหะไทเทเนียมที่ฝังอยู่ในสิ่งมีชีวิต รูปแบบของการกัดกร่อนสามารถแบ่งออกเป็นการกัดกร่อนของรูพรุน การกัดกร่อนของความเครียด การกัดกร่อนของรอยแยก การกัดกร่อนของข้อต่อกัลวานิก และการกัดกร่อนของการสึกหรอ

2.1 การกัดกร่อนจากความเค้น

การกัดกร่อนจากความเค้นเป็นปรากฏการณ์ของการแตกของโลหะเมื่อความเค้นดึงและการกัดกร่อนกระทำพร้อมกัน กระบวนการทั่วไปคือ: บทบาทของความเค้นดึงเพื่อให้ฟิล์มป้องกันที่สร้างขึ้นบนพื้นผิวของโลหะเริ่มแตกร้าว การก่อตัวของการกัดกร่อนแบบรูพรุนหรือแหล่งกำเนิดรอยแตกของการกัดกร่อนของรอยแยก จนถึงความลึกตามยาวของการพัฒนา ในเวลาเดียวกัน บทบาทของความเค้นดึงสามารถทำให้ฟิล์มป้องกันแตกออกซ้ำๆ การก่อตัวของรอยแตกตั้งฉากกับทิศทางของความเค้นดึงของรอยแตกหรือแม้กระทั่งนำไปสู่การแตกร้าว

2.1.1 ปัจจัยที่ส่งผลต่อการกัดกร่อนจากความเค้นของโลหะผสมไททาเนียม

การเกิดขึ้นของ SCC บนโลหะผสมไททาเนียมเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของปัจจัยสามประการ: สภาพแวดล้อม ความเค้น และวัสดุ SCC นั้นมีการคัดเลือกอย่างสูง ตราบใดที่มีการเปลี่ยนแปลงปัจจัยใดปัจจัยหนึ่งจากสามปัจจัยข้างต้น SCC จะไม่เกิดขึ้น

(1) สิ่งแวดล้อม

(1) ปานกลาง

โลหะผสมไทเทเนียมอาจผ่าน SCC ในสารละลายที่เป็นน้ำ น้ำกลั่น สารละลายอินทรีย์ และเกลือร้อน ฯลฯ กลไกของ SCC ไม่เหมือนกันในตัวกลางที่ต่างกัน

(2)ค่า pH

ค่า pH ของเอฟเฟกต์ SCC ของโลหะผสมไทเทเนียมมีความขัดแย้งอย่างมาก โดยทั่วไป เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น ความไวของ SCC ของโลหะผสมไททาเนียมจะลดลง เมื่อค่า pH ที่ 13-14 มักจะสามารถยับยั้ง SCC ได้ แต่ในการเปลี่ยนแปลงของ SCC ที่ด้านหน้าของรอยแตกร้าวเฉพาะที่อาจทำให้เกิดการกัดกร่อนที่รุนแรงได้ สภาพแวดล้อมของค่า pH ที่ 2-3

(3) ศักยภาพ

ผลกระทบของศักยภาพต่อระดับของ SCC เป็นสิ่งสำคัญ โลหะผสมและองค์ประกอบปานกลางของระบบการกัดกร่อนจะแตกต่างกัน ศักยภาพที่ไวต่อ SCC ของมันแตกต่างกัน เช่น B - โลหะผสมไทเทเนียมที่มีเฮไลด์ในสารละลายน้ำเมื่อมีศักยภาพในบริเวณใกล้เคียงของ -600mV, การทำให้รุนแรงขึ้น SCC; ในศักยภาพในการทะลุทะลวงมากเกินไปก็ควรเกิดรอยแตกเช่นกัน แต่ในศักยภาพที่ต่ำกว่า -1000mV จะไม่แตกร้าว ในสารละลายในน้ำที่มี Cl- และ Br- ค่าศักย์ที่ไวต่อ SCC ของ Ti8Al1Mo1V คือ -500mV{{10}}mV ในขณะที่สารละลายในน้ำที่มี I-, 0mV หรือมากกว่าคือ พื้นที่ที่มีศักยภาพอ่อนไหว

(4) อุณหภูมิ

อุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ส่งผลต่อ SCC ของโลหะผสมไทเทเนียม โดยทั่วไป อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น ความไวของ SCC จะเพิ่มขึ้น ในสภาพแวดล้อมของเกลือร้อน - อากาศที่ {{0}} องศา การกัดกร่อนของความเครียดโลหะผสม Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn ที่ 450 องศาหรือมากกว่านั้นไวต่อ SCC โลหะผสม Ti6Al4V ที่มี Pd หรือ Mo จำนวนหนึ่งในสารละลายของ H2S+CO2+NaCl+S มีความไวต่อ SCC ที่ 200 องศาน้อยกว่าที่ 250 องศา อย่างไรก็ตาม ความไวต่ออุณหภูมิของวัสดุที่ฝังอยู่ในร่างกายมนุษย์นั้นมีจำกัด

(5)ความเข้มข้นของคลิ-ไอออน

ยิ่งความเข้มข้นของ Cl ในสารละลายสูง ความไวของ SCC ก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย

(2) ความเครียด

อุบัติเหตุ SCC ที่เกิดจากความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานเย็น การตีโลหะ การเชื่อม การรักษาความร้อน หรือการประกอบโลหะผสมคิดเป็น 40% ของอุบัติเหตุ SCC โดยรวม นอกจากนี้ ความเค้นภายนอกที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานหรือจากผลกระทบเชิงปริมาตรของผลิตภัณฑ์ที่มีการกัดกร่อน หรือความเค้นที่ไม่สม่ำเสมออันเนื่องมาจากผลกระทบด้านปริมาตรของผลิตภัณฑ์ที่มีการกัดกร่อน ฯลฯ ต่างก็ล้วนเป็นแหล่งที่มาของความเค้นที่ก่อให้เกิด SCC ยิ่งระดับความเครียดสูง ระยะเวลาที่ SCC จะเกิดขึ้นก็จะยิ่งสั้นลง

3) วัสดุ

ในสื่อด้านสิ่งแวดล้อมเดียวกัน หากองค์ประกอบทางเคมี การแยกส่วน การจัดองค์กร ขนาดเกรน ข้อบกพร่องของคริสตัล คุณสมบัติ การรักษาความร้อน และสภาพพื้นผิว ฯลฯ ของวัสดุแตกต่างกัน พฤติกรรมการกัดกร่อนของความเค้นและระดับก็จะแตกต่างกันเช่นกัน การเติม Pd, Mo หรือ Ru ในปริมาณเล็กน้อยลงในโลหะผสมไทเทเนียมสามารถลดความไวต่อการกัดกร่อนจากความเค้นได้ ความไว SCC ของโลหะผสม Ti6Al4V และ Ti15V3Cr3Al3Sn ที่บำบัดโดยการบ่มสูงสุดจะสูงกว่าของสถานะอบอ่อน เมื่อปริมาณออกซิเจนในโลหะผสม Ti6Al4V ต่ำกว่า 0.13% ความไวของ SCC จะลดลงอย่างมาก

2.1.2 วิธีแก้ปัญหาทั่วไป

หากต้องการกำจัดหรือลดความไวของ SCC ของโลหะผสมไททาเนียมในตัวกลางบางชนิด คุณสามารถใช้วิธีแก้ปัญหาต่อไปนี้ได้

(1) ขจัดความเครียดที่ตกค้าง

สามารถกำจัดออกได้ด้วยการอบอ่อนทั้งหมดหรือวิธีการอบอ่อนเฉพาะที่เพื่อขจัดความเค้นตกค้างเฉพาะจุดที่เกิดขึ้นหลังการผลิตชิ้นส่วน ในเวลานี้ควรคำนึงถึงผลกระทบด้านลบของการอบชุบด้วยความร้อนต่อความแข็งแรง ความเป็นพลาสติก หรือความเหนียวของวัสดุ

(2) การผสม

สำหรับโลหะผสมแบบดั้งเดิม ตามสถานการณ์ในโลหะผสมให้เติม Pd, Mo หรือ Ru ในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงความต้านทาน SCC

3) การรักษาพื้นผิว

โดยการปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวของโลหะผสมไทเทเนียม เพื่อปรับปรุงความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุ ลดและชะลอเวลาและความเร็วของการแตกร้าว

2.2 การกัดกร่อนของรอยแยก

When the medium in the metal parts and metal or non-metallic gap between the formation of the gap, can make the gap in the metal to accelerate corrosion, known as crevice corrosion. Crevice corrosion is a localized corrosion. When titanium and titanium alloy crevice, due to the lack of oxidizing substances within the crevice, so that it becomes anode and corrosion occurs, destroying the passivation film. In general, crevice corrosion undergoes three stages: ① consumption of oxygen within the crevice; ② formation of macro-cells, pH value decreases; ③ activation and dissolution of the passivation film until it is completely destroyed. It is found that in 37℃ Hanks' solution, the crevice corrosion degree of the material in descending order: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4VµTi; Ti และ Ti6AI4V มีความต้านทานการกัดกร่อนของรอยแยกที่แข็งแกร่งในสารละลายของ Hanks

2.3 การสึกหรอ

การกัดกร่อนจากการสึกหรอคือการกัดกร่อนแบบเร่งของพื้นผิวโลหะที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของโลหะเมื่อสัมผัสกับตัวกลางด้วยความเร็วสูง เมื่อใส่ไทเทเนียมเทียม อุปกรณ์ผ่าตัดจะเกิดการเสียดสีในระดับหนึ่ง ซึ่งจะทำลายฟิล์มออกไซด์ที่อยู่บนพื้นผิว หากฟิล์มออกไซด์นี้ไม่ได้รับการซ่อมแซมทันเวลา โลหะที่ฝังไว้ก็จะสึกกร่อนหรือพังต่อไปอีก

บทสรุป

วัสดุชีวการแพทย์เป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการแพทย์ทางคลินิกสมัยใหม่ ซึ่งเป็นหัวข้อหลักของการวิจัยวัสดุในศตวรรษที่ 21 ไทเทเนียมเป็นวัสดุป้องกันการกัดกร่อนชนิดใหม่ที่มีความก้าวหน้าอย่างมาก เนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีขึ้น จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านชีวเวชศาสตร์ อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาอีกมากที่ต้องแก้ไขในการใช้ไทเทเนียมในสภาพแวดล้อมของมนุษย์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติไทเทเนียมในด้านต่างๆ เพื่อออกแบบและเริ่มต้นการพัฒนาวัสดุชีวการแพทย์ที่รวดเร็วยิ่งขึ้น