ניתוח תכונות קורוזיה של טיטניום רפואי

עם ההתקדמות החברתית וההתפתחות הכלכלית, במיוחד ההתקדמות של המדע והטכנולוגיה, הגורם הרפואי השיג הישגים מדהימים. ביניהם, לחומרי המוצרים הרפואיים שפותחו בשנים האחרונות תפקיד שאין לו תחליף בטיפול ותיקון רקמות אנושיות ושיפור תפקוד רקמות ואיברים אנושיים, וסגסוגות טיטניום וסגסוגות רצועות נמצאות בשימוש נרחב. להלן, מאמר זה מנתח בקצרה את העמידות בפני קורוזיה של טיטניום רפואי.

כחומר פונקציונלי חשוב, טיטניום נמצא בשימוש נרחב בתעופה וחלל, בתעשיית האנרגיה, באספקה ​​רפואית ובתחומים אחרים בגלל הצפיפות הנמוכה שלו, חוזק ספציפי גבוה ועמידות טובה בפני קורוזיה. ניתן לחלק באופן גס את הפיתוח של טיטניום רפואי וסגסוגות טיטניום לשלוש תקופות:

השלב הראשון מיוצג על ידי טיטניום טהור ו-Ti-6AI-4V; התקופה השנייה היא: + Ti-5a1-2.5fe ו-Ti-6Al-7Nb הן סגסוגות מייצגות; השלב השלישי הוא פיתוח מוצרים עם ביצועים ביולוגיים טובים יותר ומודול אלסטי נמוך יותר. סוג סגסוגת טיטניום היא קו ההגנה העיקרי. היישום של חומרים מסגסוגת טיטניום חדשים יהיה כיוון הפיתוח של מכשירים רפואיים מיינסטרים הנוכחיים.

מחקר על חומרי סגסוגת טיטניום רפואית החל בסין בשנות ה-70 כאשר פותחה ti-2.5al-2.5mo-2.5zr (TAMZ). בשנות ה-90 פותחו ברציפות Ti-6Al-4V, ti-al-2.5fe ו-ti-6 עם זכויות קניין רוחני עצמאיות

חומר Al-7nb. האקדמיה הסינית למדעים פיתחה גם סגסוגת טיטניום חדשה ti-24nb-4zr-7.6sn. נכון לעכשיו, הפיתוח של סגסוגת טיטניום בסין מתמקד בעיקר בפריצת הדרך של חומרים חדשים ויישום פעיל של חומרים מסגסוגת טיטניום.

1, קורוזיה של טיטניום

טיטניום היא מתכת לא יציבה מבחינה תרמודינמית, ופוטנציאל ההקהה שלה שלילי. פוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי הוא -1.63v. לכן, קל ליצור סרט תחמוצת עם תכונת פסיבציה באטמוספרה ותמיסה מימית, עם עמידות טובה בפני קורוזיה

1. עמידות בפני קורוזיה של טיטניום במדיות שונות

חשוב מאוד ללמוד את עמידותם בפני קורוזיה של חומרים רפואיים. מצד אחד, כמה יוני מתכת או תוצרי קורוזיה של חומרים מושתלים חודרים לתוך רקמות ביולוגיות, מה שיכול לעורר תגובות פיזיולוגיות בדרגות שונות; מצד שני, עקב נוכחותם של נוזלי גוף, הביצועים של חומרים מסוימים עלולים להיפגע בצורה רצינית, וכתוצאה מכך לנזק מהיר או אפילו לכישלון שלהם. סביבת גוף האדם מורכבת יחסית, מה שסביר יותר לגרום להתמוססות של יסודות קורט ולשנות את היציבות של שכבת התחמוצת. חיכוך קל עלול לפגוע בסרט הפסיבציה שנוצר על פני הטיטניום בדרגות שונות. לדוגמה, בסביבה דלת חמצן נחלשת היציבות של שכבת התחמוצת, וכאשר היא ניזוקה, לא ניתן לתקן אותה מיד או ליצור שכבת תחמוצת חדשה, שסביר יותר לגרום לקורוזיה. בקושי ניתן למנוע מצב מסוג זה בתנועה חוזרת ונשנית של גוף האדם ובשימוש בכלים. דפורמציה פלסטית תשנה את המצב המבני של חומרים, ולאחר מכן תשפיע על ביצועי הקורוזיה של חומרים. השפעת דפורמציה פלסטית על תכונות הקורוזיה של חומרים שונה. בתהליך של דפורמציה פלסטית מתרחשים פגמים בממשק ובתבואה עקב ריכוז הלחץ הפנימי. לכן, דפורמציה פלסטית תחליש את עמידותם בפני קורוזיה של חומרים.

2. מנגנון קורוזיה של טיטניום

טיטניום הוא יסוד מעבר מקבוצת IVB, שהוא פעיל מבחינה כימית ובעל זיקה רבה לחמצן. בכל תווך המכיל חמצן, קל ליצור סרט פסיביות צפוף על פני השטח של טיטניום, שהוא דק מאוד, ועוביו הוא בדרך כלל כמה ננומטרים עד עשרות ננומטרים. קיומו של סרט פסיבציה מסגסוגת טיטניום מפחית את אזור ההמסה הפעיל על פני השטח ואת קצב הפירוק, ובכך מתנגד לנזק שנגרם מההתמוססות. בנוסף, ניתן גם לתקן את סרט הפסיבציה באופן אוטומטי, וכאשר ניזוק, ניתן להיווצר במהירות סרט מגן חדש. לכן, לטיטניום יש עמידות טובה בפני קורוזיה. ניתן לחלק את צורות הקורוזיה של טיטניום המושתל באורגניזם לקורוזיה בבור, קורוזיה במתח, קורוזיה של חריצים, קורוזיה גלוונית וקורוזיה בלאי.

2.1 קורוזיה פנימית

קורוזית מתח מתייחסת לתופעה שמתכת נסדקת כאשר מתח מתיחה וקורוזיה פועלים בו זמנית. התהליך הכללי הוא כדלקמן: פעולת מתח המתיחה גורמת לשבירת הסרט המגן שנוצר על משטח המתכת, יצירת מקור הסדק של קורוזיה או קורוזיה של חריצים, ומתפתח לעומק. יחד עם זאת, פעולת מתח המתיחה עלולה לגרום לסרט המגן להישבר שוב ושוב, ליצור סדקים בניצב למתח המתיחה, ואף להוביל לשבר.

2.1.1 סיבות המשפיעות על תגובת הלחץ של סגסוגת טיטניום

SCC מסגסוגת טיטניום היא תוצאה של סביבה, מתח וחומר. SCC הוא סלקטיבי ביותר, כל עוד אחד משלושת הגורמים לעיל משתנה, SCC לא יתרחש.

1) סביבה

(1) בינוני

SCC של סגסוגת טיטניום עשוי להתרחש תחת פעולתם של אמצעים רבים כגון תמיסה מימית, מים מזוקקים, תמיסה אורגנית ומלח חם. מנגנון SCC שונה במדיות שונות.

(2) ערך PH

השפעת ערך ה-pH על SCC של סגסוגת טיטניום עדיין שונה למדי. באופן כללי, רגישות ה-SCC של סגסוגת טיטניום יורדת עם עליית ערך ה-pH. כאשר ערך ה-pH הוא 13-14, לעתים קרובות ניתן לדכא SCC. עם זאת, סביבה קורוזיבית חזקה עם ערך pH של 2-3 יכולה אפילו להיווצר בחלק הקדמי של סדקים מקומיים שבהם מתרחשים שינויים ב-SCC.

(3) פוטנציאל

השפעת הפוטנציאל על מידת SCC היא מכרעת. הפוטנציאל הרגיש ל-SCC של סגסוגת שונה עם מערכת הקורוזיה המורכבת מסגסוגת ומדיום. לדוגמה, כאשר הפוטנציאל של סגסוגת b-טיטניום בתמיסה המימית המכילה הליד הוא סביב - 600mV, SCC מחמיר; תחת פוטנציאל הפסיבציה המוגזם, מתרחשים גם סדקים; עם זאת, כאשר הפוטנציאל נמוך מ-- 1000mV, אין סדק. בתמיסה המימית המכילה Cl - ו-Br -, הפוטנציאל הרגיש ל-SCC של ti8al1mo1v הוא - 500mv - - 600mV. בתמיסה המימית המכילה I -, הפוטנציאל הרגיש הוא מעל 0mV.

(4) טמפרטורה

טמפרטורה היא אחד הגורמים החשובים המשפיעים על יצירת SCC בסגסוגות טיטניום. באופן כללי, רגישות SCC עולה עם עליית הטמפרטורה. בסביבת אוויר מלח חם של 300-500 מעלות, קורוזית הלחץ של סגסוגת ti6al3mo2zr0.5sn רגישה יותר ל-SCC מעל 450 מעלות. בתמיסה של H2S + CO2 + NaCl + s, רגישות SCC של סגסוגת Ti6Al4V עם כמות מסוימת של PD או Mo נמוכה ב-200 מעלות מאשר ב-250 מעלות. אבל לחומרים המושתלים בגוף האדם יש רגישות מוגבלת לטמפרטורה.

(5) ריכוז יוני Cl

ככל שריכוז Cl - בתמיסה גבוה יותר, כך רגישות SCC גדולה יותר.

2) מתח

תאונות SCC הנגרמות על ידי הלחץ השיורי של סגסוגת במהלך עבודה קרה, פרזול, ריתוך, טיפול בחום או הרכבה מהוות 40% מכלל תאונות SCC. בנוסף, הלחץ החיצוני שנוצר במהלך הפעולה, הלחץ החיצוני הנגרם מהשפעת הנפח של מוצרי קורוזיה, או הלחץ הלא אחיד הנגרם מהשפעת הנפח של מוצרי הקורוזיה הם כל מקורות הלחץ של SCC. ככל שרמת הלחץ גבוהה יותר, זמן ה-SCC קצר יותר.

3) חומרים

באותו מדיום סביבתי, אם ההרכב הכימי, ההפרדה, המבנה, גודל הגרגרים, פגמי הגביש, המאפיינים, טיפול החום ומצב פני השטח של חומרים שונים, גם התנהגות ודרגת קורוזיה במתח שלהם שונים. הוספת כמות קטנה של PD, Mo או Ru לסגסוגת טיטניום יכולה להפחית את הרגישות שלו לקורוזיה. רגישות ה-SCC של סגסוגות Ti6Al4V ו-ti15v3cr3al3sn לאחר טיפול בהזדקנות שיא גבוהה מזו של סגסוגות מחושלות. כאשר תכולת החמצן בסגסוגת Ti6Al4V נמוכה מ-0.13%, ניתן להפחית מאוד את רגישות ה-SCC.

2.1.2 פתרונות נפוצים

ניתן להשתמש בשיטות הבאות כדי לחסל או להפחית את רגישות SCC של סגסוגת טיטניום במדיה מסוימת:

1) הסר לחץ שיורי

ניתן לבטל את הלחץ השיורי המקומי שנוצר לאחר ייצור החלקים באמצעות חישול כולל או חישול מקומי. בשלב זה, יש לשקול את ההשפעה השלילית של טיפול בחום על החוזק, הפלסטיות או הקשיחות של החומר.

2) סגסוגת

עבור סגסוגות מסורתיות, ניתן להוסיף לסגסוגת כמות מתאימה של PD, Mo או Ru בהתאם למצב כדי לשפר את עמידות ה-SCC שלה.

3) טיפול פני השטח

על ידי שיפור איכות פני השטח של סגסוגת טיטניום, ניתן לשפר את התאימות הביולוגית ואת ההתנגדות לבלאי של החומר, ולהפחית ולדחות את הזמן והמהירות של יצירת הסדקים.

קורוזיה של 2.2 חריצים

כאשר המדיום נמצא ברווח שנוצר בין חלק המתכת למתכת או לא-מתכת, הוא יכול להאיץ את הקורוזיה של המתכת במרווח, מה שנקרא מרווח קורוזיה. קורוזיה של חריצים היא סוג של קורוזיה מקומית. כאשר יש פער בטיטניום ובסגסוגת טיטניום, בגלל היעדר חומרים מחמצנים בפער, הוא הופך לאנודה ומחליד, והורס את סרט הפסיבציה. בדרך כלל, קורוזיה של חרקים עוברת שלושה שלבים: ① צריכת חמצן בנקיק; ② יצירת סוללת מאקרו, וערך ה-pH יורד; ③ סרט הפסיבציה מופעל ומומס עד שהוא נהרס לחלוטין. נמצא שדרגת קורוזיה של החריצים של החומר בתמיסה של הנקס ב-37 מעלות היא NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti; ל-Ti ול-Ti6AI4V עמידות חזקה בפני קורוזיה של חריצים בפתרון של הנקס.

2.3 בלאי וקורוזיה

קורוזיה בלאי היא שכאשר מתכת ומדיום נמצאים במגע אחד עם השני, מהירות התנועה היחסית גדולה, מה שגורם למשטח המתכת לסבול מבלאי, ואז גורם לקורוזיה מואצת של המתכת. כאשר טיטניום מושתל כשתל, הוא יישחק עם מכשירי ההפעלה במידה מסוימת, מה שיהרוס את סרט התחמוצת שעל פני השטח. אם לא ניתן לתקן את סרט התחמוצת הזה בזמן, המתכת המושתלת תתקלקל עוד יותר או אפילו תיכשל.

חומרים ביו-רפואיים הם הבסיס החומרי החשוב להתפתחות המהירה של הרפואה הקלינית המודרנית, והם הנושאים העיקריים של מחקר החומרים במאה ה-21. טיטניום, כסוג חדש של חומר עמיד בפני קורוזיה-, התקדם מאוד. בגלל התאימות הביולוגית הטובה שלו ועמידותו בפני קורוזיה, נעשה בו שימוש נרחב בתחום הביו-רפואי. עם זאת, יש עדיין בעיות רבות שצריך לפתור ביישום טיטניום בסביבת האדם. לכן, יש ללמוד לעומק את הביצועים של חומרי טיטניום בכל ההיבטים כדי לתכנן ולהתחיל בפיתוח מהיר יותר של חומרים ביו-רפואיים.