سبائك التيتانيوم لاستبدال المفاصل: درجات CP، Ti-6Al-4V ELI والهياكل المسامية
Oct 18, 2024
لماذا أصبح التيتانيوم المادة المرجعية لمفاصل المحامل-.
يجب أن تتحمل كل غرسة مفصلية محملة بالحمل-ما يقرب من مليون دورة مشية سنويًا دون ارتخاء أو تآكل أو إثارة استجابة مناعية. التيتانيوم يفعل الثلاثة. يشكل المعدن طبقة مستقرة من ثاني أكسيد التيتانيوم تبلغ سماكتها بضعة نانومترات خلال أجزاء من الثانية من التعرض للهواء أو سائل الجسم، وهذه الطبقة خاملة كيميائيًا في البيئة الغنية بالكلوريد- والقلوية قليلاً للسائل الخلالي. لا يوجد إطلاق للنيكل، ولا تأليب، ولا يوجد زوج كلفاني مع عظم.
السبب الثاني ميكانيكي تزن غرسات التيتانيوم ما يقرب من نصف وزن مكون كروم الكوبالت- المكافئ من نفس الحجم، ويتراوح معامل مرونتها من 100 إلى 114 جيجا باسكال، وهو أقرب بكثير إلى 10 إلى 30 جيجا باسكال للعظم القشري مقارنة بـ 200 جيجا باسكال وما فوق للفولاذ المقاوم للصدأ الجراحي أو سبائك الكوبالت. لا تزال هذه الفجوة مهمة، ولكنها ضيقة بما يكفي لتقليل درع الضغط - وهو ارتشاف العظم الذي يحدث عندما تحمل الزرعة الحمل الذي يجب أن يحمله العظم.
مجموعة السبائك-من فئة الزرع
يعتمد تصنيع الغرسة على مجموعة صغيرة يتم التحكم فيها بإحكام من مواد التيتانيوم. تغطي الدرجات النقية تجاريًا من 1 إلى 4 المكونات التي تهيمن عليها مقاومة التآكل وقابلية التشكيل. يوفر الدرجة 4 أعلى قوة من العائلة الخالية من السبائك، ويستخدم في الأصداف الحقية وألواح العظام ومكونات الأسنان. تعد سبيكة ألفا-بيتا Ti-6Al-4V في شكلها الخلالي المنخفض- الإضافي هي المعيار للسيقان الفخذية والصواني الظنبوبية، كما تعمل سبيكة Ti-6Al-7Nb الخالية من الفاناديوم كبديل عندما تكون حساسية الفاناديوم مثيرة للقلق.
| مادة الزرع | المعايير الحاكمة | تسمية UNS | معامل مرن | مكون مشترك نموذجي |
|---|---|---|---|---|
| تيتانيوم CP درجة 4 | أستم F67، إسو 5832-2 | R50700 | 100 إلى 105 جيجا باسكال | قذائف الحق، لوحات العظام، تركيبات الأسنان |
| Ti-6Al-4V ELI، الصف 23 | أستم F136، إسو 5832-3 | R56407 | 110 إلى 114 جيجا باسكال | سيقان الفخذ، الصواني الظنبوبية، والقضبان الشوكية |
| تي-6Al-7Nb | أستم F1295، إسو 5832-11 | R56700 | حوالي 110 جيجا باسكال | السيقان، لوحات الصدمة، مسامير |
| هياكل التيتانيوم المسامية | مواصفات مسحوق ASTM F1580 | لا ينطبق | فعال من 1 إلى 10 جيجا باسكال | أسطح نمو العظام-على الأكواب والأقماع |
التحكم الكيميائي هو ما يفصل درجة الزرع عن الدرجة الصناعية. يحدد ASTM F67 نسبة الأكسجين بنسبة 0.18 بالمائة للصف الأول و0.40 بالمائة للصف الرابع، بينما يحمل ASTM F136 Ti-6Al-4V ELI إلى 0.13 بالمائة أكسجين و0.25 بالمائة حديد و0.0125 بالمائة هيدروجين. هذه الحدود صارمة لأن المحتوى الخلالي يتحكم في الليونة وبدء صدع التعب، والساق الذي يفشل في التعب بعد عشر سنوات يعد فشلًا سريريًا بغض النظر عن مدى نجاحه في اختبار الشد عند الولادة.
حل عدم تطابق الصلابة مع الهياكل المسامية والشبكية
لا يزال التيتانيوم الصلب أصلب أربع مرات تقريبًا من العظم الذي يحل محله. وكان جواب الصناعة هو جعل عملية الزرع أقل استمرارية. يمكن ضبط مناطق الشبكة المصنعة بشكل إضافي باستخدام دمج طبقة مسحوق الليزر مع مسحوق الدرجة 23 على معامل فعال يتراوح بين 1 و10 جيجا باسكال، ضمن نطاق العظم التربيقي، بينما لا يزال اللب الصلب لنفس المكون يحمل الحمل الهيكلي. كما تمنح الشبكة العظام شيئًا ينمو فيه، مما يحول التثبيت من واجهة ميكانيكية بحتة إلى واجهة بيولوجية.
الانضباط الهندسي المطلوب مهم. تعد أقطار الدعامات من 200 إلى 400 ميكرومتر شائعة، وعلى هذا النطاق، تهيمن إزالة المسحوق وخشونة السطح والعيوب الداخلية على أداء الكلال. عادةً ما يتم تطبيق الضغط المتساوي التضاغط الساخن، وتتم كتابة معايير القبول وفقًا لكيمياء ASTM F136 مع متطلبات الكثافة والبنية المجهرية الإضافية المتفق عليها مع الشركة المصنعة للجهاز.
هندسة الأسطح للتثبيت والتآكل
تمثل ثلاث معالجات سطحية معظم حجم الإنتاج. تعمل الأسطح-المنفوخة بالحصى والمحفورة بالحمض- على إنشاء تضاريس خشنة - دقيقة تدعم الارتباط المبكر للأوستيوبلاست. تعمل طبقات الطلاء-المرشوشة بالتيتانيوم، والتي يتم إنتاجها من مسحوق يتوافق مع كيمياء ASTM F1580، على بناء طبقة مسامية يتراوح سمكها من 50 إلى 200 ميكرومتر للتشابك طويل الأمد-. تضيف طبقات الهيدروكسيباتيت طبقة موصلة للعظام تعمل على تسريع الأسابيع الأولى من التثبيت.
عندما يتمفصل مكون التيتانيوم مقابل سطح محمل آخر، فإنه عادة ما يكون السطح المضاد الأكثر ليونة، وبالتالي ليس المادة الحاملة نفسها. تجمع التصميمات الحديثة بين جذع التيتانيوم ومحمل من السيراميك أو -متصل من البولي إيثيلين، مما يحافظ على التيتانيوم في الدور الأكثر ملاءمة له: الدعم الهيكلي في بيئة متآكلة ومحملة دوريًا. يتبع التنظيف والتخميل قبل التعبئة ASTM F86 لإعداد سطح الغرسات المعدنية، ويتم توثيق تقييم التوافق الحيوي وفقًا لسلسلة ISO 10993.
التعقيم والتتبع وسلسلة الشهادات
يتم تعقيم الغرسات عن طريق تشعيع جاما أو أكسيد الإيثيلين أو البخار، ويتحمل التيتانيوم هذه العناصر الثلاثة دون فقدان خصائصه، على عكس البوليمرات التي -تتشابك أو تتحلل. ومع ذلك، يجب أن تظل شهادة المادة على نفس الرحلة التي تمر بها القطعة. تربط حزمة الإصدار المتوافقة الجهاز النهائي بحرارة معينة للقضيب أو الأسلاك من خلال سلسلة موثقة: شهادة المطحنة مع النتائج الكيميائية والميكانيكية، وتوثيق EN 10204 النوع 3.1، وسجلات الفحص بالموجات فوق الصوتية أو الإشعاعية، وأرقام مجموعة المعالجة الحرارية والتحقق النهائي من الأبعاد والسطح.
يجب على المشترين الذين يحددون شريط التيتانيوم لتصنيع الآلات المزروعة أن يطلبوا تعيين UNS، ورقم معيار ASTM أو ISO، وحالة التلدين، وحدود الأكسجين والهيدروجين وبيان البنية المجهرية الذي يؤكد ألفا متساوي المحاور مع عدم وجود دليل على حالة ألفا. حالة ألفا هي العيب الأكثر شيوعًا للهروب من الفحص البصري والأكثر ضررًا على تعب الحياة.
الأسئلة المتداولة
Q:ما هو الفرق بين Ti-6Al-4V وTi-6Al-4V ELI؟
ج: يشير ELI إلى الإعلانات البينية المنخفضة جدًا-. يقيد ASTM F136 نسبة الأكسجين إلى 0.13 بالمائة والحديد إلى 0.25 بالمائة بدلاً من المستويات الأعلى المسموح بها للصف 5 القياسي. وتزيد الأجزاء البينية السفلية من صلابة الكسر وليونته، ولهذا السبب تكون مادة ELI إلزامية للكسر-الغرسات الحرجة مثل سيقان الفخذ.
Q:هل يسبب التيتانيوم الحساسية؟
ج: يعتبر التيتانيوم نفسه من بين أكثر المعادن المستخدمة توافقًا حيويًا. يرتبط التحسس بشكل أساسي بالنيكل والكوبالت، وهو أحد أسباب استبدال سبيكة الفاناديوم-المحملة أحيانًا بـ Ti-6Al-7Nb وفقًا لمعيار ASTM F1295 وISO 5832-11 للمرضى الذين يعانون من حساسية معروفة للمعادن.
Q:لماذا لا تكون غرسات المفاصل مصنوعة بالكامل من التيتانيوم المسامي؟
ج: المسامية تقلل من قوة التعب بشكل حاد. قد يؤدي الجذع المسامي بالكامل إلى خطر فشل الكلال في ظل لحظات الانحناء أثناء المشي العادي، لذلك تستخدم التصميمات قلب محمل كثيف-مع منطقة مسامية تقتصر على واجهة التثبيت.
Q:كيف يتم تحديد التيتانيوم CP الصف 4 للزرعات؟
ج: بموجب ASTM F67 للتيتانيوم غير المخلوط والمعيار ISO 5832-2 دوليًا. يحمل الصف 4 أعلى حدود الأكسجين والحديد لعائلة غير السبائك، مما يزيد من القوة على حساب بعض الليونة مقارنة بالصف 1.
Q:ما الوثائق التي يجب أن تصاحب شريط التيتانيوم-المصنف المزروع؟
ج: شهادة مطحنة توضح رقم الحرارة، والكيمياء الكاملة بما في ذلك الأكسجين والهيدروجين، ونتائج الشد والإنتاج، ومعيار ASTM أو ISO المطبق، وحالة التلدين، وإمكانية التتبع EN 10204 type 3.1، وعند الاقتضاء، تقرير بنية مجهرية يؤكد عدم وجود حالة ألفا.
Q:هل يمكن إعادة تعقيم غرسات التيتانيوم-؟
ج: نعم. يتحمل التيتانيوم دورات البخار وغاما وأكسيد الإيثيلين المتكررة دون فقدان خصائص قابلة للقياس، ولهذا السبب تظل الأدوات الجراحية المصنوعة من التيتانيوم القابلة لإعادة الاستخدام والمكونات التجريبية في الخدمة لسنوات عديدة.
