生体医療用チタン合金の材料と用途

生物医学用途向けのチタン合金材料は、生物医学工学、特に外科用インプラントや整形外科用装置の製造に使用される機能性構造材料の一種です。チタン合金の製造と準備には、冶金、加圧加工、複合材料、化学産業が含まれており、世界ではハイテク製品として認識されています。チタンおよびチタン合金は、航空宇宙、航空、防衛産業から徐々に民間消費者分野に参入しつつあります。ヘルスケア産業のインプラント、医療機器など。スポーツ・レジャー業界では、チタンゴルフクラブやチタンメガネフレーム、チタン時計、チタン自転車などのチタン加工材料の需要が高まっています。バイオテクノロジーの活発な発展と大きな進歩により、生体用金属材料および製品産業は世界経済の柱産業に発展するでしょう。中でもチタンおよびその合金は、軽量、低弾性率、無毒、非磁性、耐食性、高強度、良好な靭性など総合的な性能に優れており、近年急速かつ着実に需要が高まっています。同時に、チタン合金が整形外科やその他の新たな潜在的な市場需要の分野に参入し始めると、チタン合金市場の将来はさらに急速に成長すると思われます。
1 医療用チタン合金の研究進捗
1.1 医療用チタン合金の分類
チタン合金は、材料の微細構造のタイプに応じて、-タイプ、+ -タイプ、および-タイプのチタン合金の3つのカテゴリに分類できます。
1.2 医療用チタン合金の開発動向
文献調査によると、国内外の研究者や学者は、医療用チタン合金の開発は 3 つの象徴的な段階を経ていることに同意しています。第 1 段階は純チタンと Ti-6Al-4V 合金で代表されます。第 2 段階は、Ti-5A1-2.5Fe、Ti-6A1-7Nb を含む新しい + 合金で表されます。第三段階は、より優れた生体適合性とより低い弾性率を備えた + 合金の開発です。第三段階は、より優れた生体適合性とより低い弾性率を備えた + 合金を開発することです。より低い弾性率 - チタン合金。理想的な生体用チタン合金材料は、次の条件を満たさなければなりません: 良好な生体適合性、低弾性率、低密度、良好な耐食性、非毒性、高降伏強度、長い疲労寿命、室温での大きな可塑性、成形が容易、鋳造が容易。インプラント材料に広く使用されている重要な合金は、Ti-6A1-4V と Ti-6A1-4VELI です。文献では、V 元素は人体に有毒な副作用をもたらす悪性組織反応を引き起こす可能性があり、Al は骨粗鬆症や精神障害、その他の障害を引き起こす可能性があると報告されています。この問題を解決するために、現在の生体材料科学者は、V と Al を含まない新しい生体医療用チタン合金の探索と研究に取り組んでいます。この問題を解決するために、現在の生体材料科学者は、Vを含まない医療用の新しい生体材料、Alチタン合金の探索と研究に取り組んでいますが、その前に、どのような合金元素がVを含まないものを添加するのに適しているかを把握する必要があります。 -有毒で生体適合性があります。モリブデン、ニオブ、タンタル、ジルコニウムなどの無害な元素を含むチタン合金は、安定化元素の含有量が高く、+ チタン合金と比較して弾性率 (E {{ 19}} ~ 80GPa) に加え、せん断特性と靱性が優れているため、インプラントとして人体に埋め込むのに適しています。

2 チタン合金の応用
2.1 チタン合金の医学的根拠
チタンおよびチタン合金を人間のインプラントとして使用する利点は主に次のとおりです。(1) 密度 (20 度)=4.5g/cm3、軽量。人体に埋め込む場合：人体の負荷を軽減するため、医療機器として：医療従事者の作業負荷を軽減する場合。 (2)低弾性率の純チタンは108,500MPaで、体内に埋め込まれます。人体の自然な骨に近く、骨移植に役立ち、インプラントに対する骨の応力シールド効果を軽減します。 (3)非磁性のため、電磁界や雷雨の影響を受けず、使用後の人体の安全に有利です。 (4)非毒性で、インプラントとして人体に有害な副作用はありません。 (5) 耐食性（生体不活性金属材料）、人間の血液浸漬環境における優れた耐食性。人間の血液および細胞組織との良好な適合性を確保し、インプラントは人間の汚染を生じないため、アレルギー反応は起こりません。チタンおよびチタン合金の条件を適用するための基礎となります。 (6) 高強度、良好な靭性、外傷、腫瘍、および骨、関節の損傷につながるその他の要因により、しっかりとした骨のサポートを確立するには、湾曲したプレート、ネジ、人工骨および関節の助けを借りて使用する必要があります。など、これらのインプラントは体内に長期間放置される必要があり、人体の曲げ、ねじり、押し出し、筋肉の収縮などの役割を受けるため、高い強度と靭性を備えたインプラントが求められます。

2.2 チタン合金の医療・整形外科分野
市場状況は、チタン合金、チタンの種類、価格の低下に伴い、民生産業におけるチタンの用途が飛躍的に増加しています。 CFDAは、安全性の高いものから低いものまで、医療機器を3つのクラスに分類し、それぞれ政府の3つのレベルの監督管理により、チタンおよびチタン合金材料のインプラントは第3クラスの医療機器に属し、高価値の医療機器に分類されます。消耗品クラス。サブセグメント市場シェアは、体外診断、心臓、画像診断、整形外科、眼科、整形外科の 6 つの主要セグメントを含むサブ業界の 5% 以上を占めています。中でも、体外診断、整形外科、心臓インターベンションは、中国で最も急速に成長している高額消耗品です。生体医療用チタンとその合金の応用は 3 つの画期的な段階を経ました。1950 年代初頭の初期の応用では、まず英国と米国で、商業用純チタンが骨プレート、ネジ、髄内釘、股関節の製造に使用されました。 。 Swiss Mathys 社はまた、Ti{6}}A1-7Nb 合金を使用して、非拡張髄内釘システム (脛骨、上腕骨、大腿骨を含む) や大腿骨頸部骨折の治療用の中空ネジを製造しました。多孔質 Ni-Ti (PNT) 合金生体活性材料製造の頸椎、腰椎体間固定術 (ケージ) カナダの BIORTHEX 社は、整形外科脊髄損傷治療用の頸椎、腰椎体間固定術を製造する多孔質 Ni-Ti 合金特許素材 ACTIPOREORE ガンマの使用を開発しました。新しいベータチタン合金は、整形外科、歯科、血管インターベンション、および先端材料のその他の用途を考慮に入れることができます。整形外科用医療機器業界は世界の医療機器市場シェアの9%以上を占めており、依然として急速な成長を続けています。整形外科用医療機器市場は、外傷、関節、脊椎などの 4 つの主要セグメントに分かれています。その中で、トラウマは外国企業が主要な市場シェアを占めていない唯一の分野である。その主な理由は、この分野の製品はローテクで、模倣が容易で、操作がそれほど難しくなく、多くの第二、第三の製品であるためである。レベルの病院は実施できるため、外資系企業は完全にはカバーできません。外傷製品は、内固定装置と外固定装置、髄内釘、プレート、ネジなどを含む内固定外傷製品に分けられます。2012 年、外傷は国内の整形外科市場の 34%、関節の 28%、整形外科市場の 20% を占めました。脊椎、その他の 18%。大型関節は技術的な障壁が高い高級医療機器です。現在、主流の病院は主に整形外科材料を輸入しており、技術、設計、研究開発、材料、表面処理プロセスの点で国内製品と輸入製品の間には依然としてギャップがあります。人工関節は主に人工膝関節、股関節、肘、肩、指、足の関節などに分類され、その中で最も重要な関節置換術には股関節と膝関節があり、合わせて世界の関節置換市場の95％以上を占めています。 。脊椎インプラントデバイスには、胸腰椎ネイルプレートシステム、頚椎ネイルプレートシステム、固定システムなどが含まれます。そのうち椎間板固定システムは主に椎間板置換術の治療に使用され、約半分を占める最も重要なセグメントでもあります。脊椎インプラント市場全体の中で。
チタン合金の優れた性能により、医療分野で主導的な地位を確立しています。チタン合金の材料設計と製造技術は、バイオテクノロジーの進歩と医療用途への大きな需要により急速に発展しました。現在生産されている医療用チタン合金は主に+型チタン合金です。製造プロセスの観点から見ると、現在 TC4 (TC4ELI) の生産が主要な市場シェアを占めています。タイプのチタン合金は、生体適合性と機械的適合性の利点により、新しい医療用チタン合金の研究のホットスポットとなっており、医療用インプラントの分野で最も有望な技術です。将来的には、チタン合金の製造技術は、低弾性率、高強度、良好な生体適合性、機械的適合性の方向に開発される必要があります。開発動向から見ると、β型チタン合金が将来の開発方向となり、医療用チタン合金市場の主流となると考えられます。