Medizinische Titananalyse
Als wichtiges Funktionsmaterial wird Titanmetall aufgrund seiner Vorteile wie geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Energieindustrie, der medizinischen Versorgung und anderen Bereichen eingesetzt. Der Entwicklungsprozess von medizinischem Titan und Titanlegierungen lässt sich grob in drei Phasen einteilen:
Die erste Periode wird durch reines Titan und Ti-6AI-4V repräsentiert; Die zweite Periode sind Legierungen vom Typ -, dargestellt durch Ti-5A1-2.5Fe und Ti-6Al-7Nb; Die dritte Periode ist bessere biologische Eigenschaften und Elastizitätsentwicklung. Beta-Titanlegierungen mit niedrigerem Modul sind die Hauptverteidigungslinie. Die Anwendung neuer Titanlegierungsmaterialien wird die Entwicklungsrichtung aktueller Mainstream-Medizingeräte sein.
Die Forschung zu medizinischen Titanlegierungsmaterialien begann in meinem Land in den 1970er Jahren. Das Northwest Nonferrous Metal Research Institute hat Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) entwickelt. In den 1990er Jahren wurde Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten entwickelt. -6Al-4V-, Ti-Al-2.5Fe- und Ti-6Al-7Nb-Materialien. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften hat außerdem eine neue Beta-Titanlegierung Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn entwickelt. Derzeit zielt die Entwicklung von Titanlegierungen in meinem Land hauptsächlich auf Durchbrüche bei neuen Materialien und aktive Anwendungen von Titanlegierungsmaterialien ab.
Korrosion von Titan
Titan ist ein thermodynamisch instabiles Metall mit einem relativ negativen Passivierungspotential und einem Standardelektrodenpotential von -1,63 V. Daher bildet sich in der Atmosphäre und in wässrigen Lösungen leicht ein Oxidfilm mit Passivierungseigenschaften und weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf.
Korrosionsbeständigkeit von Titan in verschiedenen Medien
Es ist sehr wichtig, die Korrosionsbeständigkeit medizinischer Materialien zu untersuchen. Einerseits dringen einige Metallionen oder Korrosionsprodukte implantierter Materialien in biologische Gewebe ein und können physiologische Reaktionen unterschiedlichen Ausmaßes auslösen; Andererseits kann die Leistung einiger Materialien aufgrund der Anwesenheit von Körperflüssigkeiten stark beeinträchtigt werden, was zu schnellen Schäden oder sogar zum Ausfall führen kann. Die Umgebung des menschlichen Körpers ist relativ komplex, was eher zur Auflösung von Spurenelementen und zur Veränderung der Stabilität der Oxidschicht führt. Leichte Reibung führt zu unterschiedlich starken Schäden am Passivierungsfilm, der sich auf der Titanoberfläche bildet. Beispielsweise wird in einer sauerstoffarmen Umgebung die Stabilität der Oxidschicht geschwächt. Bei Beschädigung kann eine sofortige Reparatur nicht erfolgen oder es kann sich eine neue Oxidschicht bilden, wodurch es leichter zu Korrosion kommen kann. Diese Situation ist bei wiederholten Bewegungen des menschlichen Körpers und der Verwendung von Geräten nahezu unvermeidlich. Eine plastische Verformung verändert den strukturellen Zustand des Materials und beeinträchtigt dadurch die Korrosionsleistung des Materials. Unterschiedliche Grade der plastischen Verformung haben sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die Korrosionseigenschaften von Werkstoffen. Während des plastischen Verformungsprozesses konzentrieren sich die inneren Spannungen, was zu Defekten in der Grenzfläche und in den Körnern führt. Daher schwächt eine plastische Verformung die Korrosionsbeständigkeit des Materials.
Titan-Korrosionsmechanismus
Titan ist ein Übergangselement der Gruppe IVB. Die chemischen Eigenschaften sind relativ aktiv und weisen eine große Affinität zu Sauerstoff auf. In jedem sauerstoffhaltigen Medium bildet sich leicht ein dichter Passivierungsfilm auf der Titanoberfläche. Dieser Passivierungsfilm ist extrem dünn und beträgt üblicherweise nur wenige Nanometer bis hin zu mehreren zehn Nanometern. Das Vorhandensein eines Passivierungsfilms aus einer Titanlegierung verringert den Bereich der oberflächenaktiven Auflösung und verlangsamt die Auflösungsrate, wodurch der durch die Auflösung verursachte Schaden verhindert wird. Darüber hinaus kann der Passivierungsfilm automatisch repariert werden und bei Beschädigung schnell ein neuer Schutzfilm gebildet werden. Daher weist Titan eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Die Korrosionsformen von in lebenden Organismen implantiertem Titanmetall können in Lochfraßkorrosion, Spannungskorrosion, Spaltkorrosion, galvanische Korrosion und Verschleißkorrosion unterteilt werden.
Unter Spannungskorrosion versteht man das Phänomen von Metallrissen, wenn Zugspannung und Korrosion gleichzeitig wirken. Der allgemeine Prozess ist: Durch die Einwirkung von Zugspannung beginnt der auf der Metalloberfläche gebildete Schutzfilm zu reißen, wodurch eine Rissquelle für Lochfraß oder Spaltkorrosion entsteht, die sich tiefer entwickelt. Gleichzeitig kommt es durch die Einwirkung der Zugspannung dazu, dass die Schutzfolie immer wieder reißt und Risse senkrecht zur Richtung der Zugspannung entstehen. Risse oder sogar Brüche.
Faktoren, die die Spannungskorrosion von Titanlegierungen beeinflussen
Das Auftreten von Spannungsrissen bei Titanlegierungen ist das Ergebnis des Zusammenspiels von drei Faktoren: Umgebung, Belastung und Material. SCC ist äußerst selektiv. Solange sich einer der oben genannten drei Faktoren ändert, tritt SCC nicht auf.
Titanlegierungen können unter der Einwirkung verschiedener Medien wie wässriger Lösung, destilliertem Wasser, organischer Lösung, heißem Salz usw. Spannungsrisskorrosion erleiden. Die SCC-Mechanismen in verschiedenen Medien sind unterschiedlich.
Es gibt immer noch große Unterschiede im Einfluss des pH-Werts auf den SCC von Titanlegierungen. Im Allgemeinen nimmt die SCC-Empfindlichkeit von Titanlegierungen mit steigendem pH-Wert ab. Bei einem pH-Wert von 13-14 kann SCC oft gehemmt werden. Allerdings kann sich im vorderen Bereich lokaler Risse, wo sich die SCC ändert, sogar ein stark korrosives Milieu mit einem pH-Wert von 2 bis 3 bilden.
Der Einfluss des elektrischen Potenzials auf den Grad des Plattenepithelkarzinoms ist entscheidend. Die aus Legierungen und Medien bestehenden Korrosionssysteme sind unterschiedlich und auch ihre SCC-Empfindlichkeitspotentiale sind unterschiedlich. Beispielsweise steigt bei B-Titanlegierungen in wässrigen Lösungen, die Halogenide enthalten, der SCC an, wenn das Potential etwa -600mV beträgt; Risse treten auch bei Überpassivierungspotentialen auf; aber bei Potentialen unter -1000mV treten keine Risse auf. Riss. In wässrigen Lösungen, die Cl- und Br- enthalten, beträgt das SCC-Empfindlichkeitspotential von Ti8Al1Mo1V -500mV{{10}}mV. In einer wässrigen Lösung, die I- enthält, liegt der empfindliche Potentialbereich über 0 mV.
Die Temperatur ist einer der wichtigen Faktoren, die das Auftreten von Spannungsrissen in Titanlegierungen beeinflussen. Im Allgemeinen steigt mit steigender Temperatur die Anfälligkeit für Plattenepithelkarzinome. In einer heißen Salzluftumgebung von {{0}} Grad ist die Spannungskorrosion der Ti6Al3Mo2Zr0,5Sn-Legierung oberhalb von 450 Grad empfindlicher gegenüber Spannungsrisskorrosion. Die SCC-Empfindlichkeit der Ti6Al4V-Legierung mit einer bestimmten Menge an Pd oder Mo zugesetzt in einer H2S CO2 NaCl S-Lösung ist bei 200 Grad geringer als bei 250 Grad. Allerdings weisen in den menschlichen Körper implantierte Materialien eine begrenzte Temperaturempfindlichkeit auf.
When the medium is in the gap formed between the metal component and the metal or non-metal, it can accelerate the corrosion of the metal in the gap, which is called crevice corrosion. Crevice corrosion is a type of localized corrosion. When there are gaps in titanium and titanium alloys, due to the lack of oxidized substances in the gaps, they become anodes and corrode, destroying the passivation film. Generally, crevice corrosion goes through three stages: ① The consumption of oxygen in the crevice; ② The formation of macro cells and the reduction of pH value; ③ The passivation film is activated and dissolved until it is completely destroyed. The study found that in Hanks solution at 37°C, the crevice corrosion degree of the materials in descending order is: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti; Ti und Ti6AI4V weisen in Hanks-Lösung eine starke Spaltkorrosionsbeständigkeit auf. .
Verschleißkorrosion liegt vor, wenn Metall mit dem Medium in Kontakt kommt und die relative Bewegungsgeschwindigkeit groß ist, wodurch die Metalloberfläche abgenutzt wird, was wiederum zu einer beschleunigten Korrosion des Metalls führt. Wenn Titan als Implantat implantiert wird, kommt es bei chirurgischen Instrumenten zu einem gewissen Verschleiß, wodurch der auf der Oberfläche vorhandene Oxidfilm zerstört wird. Wenn dieser Oxidfilm nicht rechtzeitig repariert werden kann, wird das implantierte Metall weiter korrodieren oder sogar versagen.
Biomedizinische Materialien stellen eine wichtige materielle Grundlage für die rasante Entwicklung der modernen klinischen Medizin dar und sind das Hauptthema der Materialforschung im 21. Jahrhundert. Titan hat als neues korrosionsbeständiges Material große Fortschritte gemacht und wird aufgrund seiner guten Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit häufig im biomedizinischen Bereich eingesetzt. Für die Anwendung von Titan in der menschlichen Umwelt müssen jedoch noch viele Probleme gelöst werden. Daher ist es notwendig, eingehende Untersuchungen zu verschiedenen Aspekten der Eigenschaften von Titanmaterialien durchzuführen, um eine schnellere Entwicklung biomedizinischer Materialien zu entwerfen und einzuleiten.
beziehen auf:
[1] Qin Ying, Wang Shaoan. Forschung zu den Korrosionseigenschaften von Zahnimplantaten aus Titan und Titanlegierungen [J]. International Journal of Oral Medicine, 2008, 35(4): 255-258.
[2] Huang Yongguang. Titanlegierungsmaterialien für die chirurgische Implantation und ihre Standardisierung [J]. Fortschritte in der Titanindustrie, 2002, (1): 36-39
