Główne zastosowania tytanu w medycynie

Tytan jest używany głównie w następujących obszarach:

1. Implanty ortopedyczne
To najbardziej rozległe i ugruntowane zastosowanie tytanu.

• Sztuczne stawy: Stawy biodrowe, kolanowe, barkowe, łokciowe itp. Krytyczne elementy przenoszące obciążenia, takie jak trzony udowe i panewki stawów biodrowych, są w dużej mierze wykonane ze stopów tytanu.

• Naprawa urazów: Płytki kostne, śruby i gwoździe śródszpikowe do wewnętrznej stabilizacji złamań. Urządzenia te stabilizują złamania i wspomagają gojenie kości.

• Fuzja kręgosłupa: Urządzenia do fuzji międzytrzonowej, siatki tytanowe i systemy śrub pedikularnych stosowane w operacjach korekcji skoliozy i wymiany dysków.

2. Implanty i protezy dentystyczne

• Implanty dentystyczne: Implanty tytanowe są "złotym standardem" w stomatologii. Są osadzane w kości szczęki, aby służyć jako sztuczne korzenie, tworząc silne osseointegracja z kością, na której później montowane są korony.

• Szkielety protez: Metalowe szkielety do protez ruchomych, a także podstawy koron i mostów, często wykorzystują tytan ze względu na jego lekkość, trwałość i niską alergenność.

• Aparaty ortodontyczne: Niektóre zamki ortodontyczne i łuki również są wykonane ze stopów tytanu.

3. Urządzenia interwencyjne układu sercowo-naczyniowego

• Obudowy rozruszników serca i defibrylatorów: Obudowy tytanowe zapewniają doskonałe uszczelnienie, chroniąc wewnętrzne precyzyjne elementy elektroniczne, będąc jednocześnie biokompatybilne z tkankami ludzkimi, zmniejszając reakcje odrzucenia.

• Stenty naczyniowe: Chociaż stopy kobaltowo-chromowe i materiały biodegradowalne są obecnie głównym nurtem, stopy niklowo-tytanowe (Nitinol) są używane do samorozprężających się stentów naczyniowych ze względu na ich unikalną superelastyczność i pamięci kształtu, szczególnie w obszarach takich jak tętnice szyjne i kończyn dolnych.

4. Instrumenty i sprzęt chirurgiczny

• Instrumenty chirurgiczne: Tytanowe pęsety, nożyczki, retraktory itp. są lżejsze niż instrumenty ze stali nierdzewnej, oferują wysoką wytrzymałość zmęczeniową i są odporne na korozję, zdolne do wytrzymywania powtarzalnej sterylizacji w wysokiej temperaturze.

• Elementy urządzeń medycznych: Wewnętrzne elementy skanerów MRI, ramiona chirurgiczne robotów itp.  Właściwość tytanu’s niemagnetyczna jest kluczowa dla bezpieczeństwa w środowiskach MRI i unika zakłóceń obrazowania.

5. Rekonstrukcja czaszkowo-twarzowa

• Siatki i płytki tytanowe używane do naprawy ubytków kości czaszki i twarzy spowodowanych urazami lub operacjami. Można je precyzyjnie kształtować, aby przywrócić zarówno funkcję, jak i wygląd.

2. Główne zalety materiałów tytanowych

Niezastąpiona rola tytanu w medycynie wynika z jego wyjątkowych właściwości:

1. Doskonała biokompatybilność
To najważniejsza zaleta tytanu. Jego powierzchnia naturalnie tworzy gęsty, stabilny pasywny film tlenku tytanu, który jest chemicznie obojętny, rzadko reagujący z tkankami lub płynami ludzkimi. Zapobiega to stanom zapalnym, alergiom lub reakcjom odrzucenia. Umożliwia bezpośrednie i funkcjonalne wiązanie z żywą tkanką kostną, znane jako osseointegracja, co ma kluczowe znaczenie dla długotrwałej stabilności implantów.

2. Wysoki stosunek wytrzymałości do masy i niski moduł sprężystości

• Wysoki stosunek wytrzymałości do masy: Wytrzymałość tytanu jest porównywalna z wieloma stalami, ale jego gęstość (~4,5 g/cm³) wynosi tylko około 60% gęstości stali, co sprawia, że implanty są lżejsze i zmniejszają obciążenie pacjenta.

• Niski moduł sprężystości: Moduł sprężystości tytanu (~110 GPa) jest bliższy modułowi kości ludzkiej (10-30 GPa) i znacznie niższy niż stali nierdzewnej lub stopów kobaltowo-chromowych. Zmniejsza to efekt osłony naprężeń—gdzie sztywne implanty przejmują większość naprężeń, powodując, że otaczająca kość staje się porowata i resorbuje się z powodu braku stymulacji mechanicznej. Implanty tytanowe pozwalają na bardziej naturalny transfer naprężeń do kości, wspomagając gojenie i długotrwałą stabilność.

3. Znakomita odporność na korozję
Płyny ustrojowe są środowiskiem korozyjnym zawierającym jony chlorkowe (np. chlorek sodu). Pasywny film tytanu zapewnia mu wyjątkowo wysoką odporność na korozję w środowiskach fizjologicznych, czyniąc go prawie nieprzepuszczalnym dla korozji. Oznacza to:

• Długa żywotność implantu: Brak awarii z powodu korozji.

• Wysoka biokompatybilność: Unika toksyczności tkanek i reakcji alergicznych (np. alergii na nikiel) spowodowanych uwalnianiem jonów metali.

4. Właściwość niemagnetyczna
Tytan jest paramagnetyczny i nie ulega namagnesowaniu w silnych polach magnetycznych. Pozwala to pacjentom z implantami tytanowymi na bezpieczne poddawanie się badaniom MRI bez obaw o nagrzewanie, przemieszczanie lub zakłócanie obrazowania implantu, co jest istotne dla diagnostyki i monitorowania pooperacyjnego.

5. Dobra obrabialność i formowalność
Chociaż czysty tytan jest miękki, stopowanie (np. z aluminium i wanadem w celu utworzenia Ti-6Al-4V) i zaawansowane techniki przetwarzania umożliwiają produkcję implantów o złożonych kształtach, aby spełnić spersonalizowane potrzeby chirurgiczne.  Efekt pamięci kształtu stopów niklowo-tytanowych oferuje unikalne rozwiązania dla zastosowań takich jak samorozprężające się stenty.

Podsumowanie i perspektywy na przyszłość

Przyszłe trendy: