Con il progresso sociale e lo sviluppo economico, in particolare con il progresso della scienza e della tecnologia, la causa medica ha ottenuto risultati notevoli. Tra questi, i materiali dei prodotti medici sviluppati negli ultimi anni svolgono un ruolo insostituibile nel trattamento e nella riparazione dei tessuti umani e nel miglioramento delle funzioni dei tessuti e degli organi umani, e le leghe di titanio e nastri sono ampiamente utilizzate. Di seguito, questo articolo analizza brevemente la resistenza alla corrosione del titanio medicale.
Essendo un importante materiale funzionale, il titanio è ampiamente utilizzato nell'industria aerospaziale, energetica, nelle forniture mediche e in altri campi grazie alla sua bassa densità, all'elevata resistenza specifica e alla buona resistenza alla corrosione. Lo sviluppo del titanio medicale e delle leghe di titanio può essere approssimativamente suddiviso in tre periodi:
Il primo stadio è rappresentato dal titanio puro e dal Ti-6AI-4V; Il secondo periodo è: + Ti-5a1-2.5fe e Ti-6Al-7Nb sono leghe rappresentative; La terza fase è quella di sviluppare prodotti con migliori prestazioni biologiche e modulo elastico inferiore. La lega di titanio di tipo a è la principale linea di difesa. L'applicazione di nuovi materiali in lega di titanio costituirà la direzione di sviluppo degli attuali dispositivi medici tradizionali.
La ricerca sui materiali in lega di titanio per uso medico è iniziata in Cina negli anni '70 quando è stato sviluppato il ti-2.5al-2.5mo-2.5zr (TAMZ). Negli anni '90 furono sviluppati successivamente Ti-6Al-4V, ti-al-2.5fe e ti-6 con diritti di proprietà intellettuale indipendenti
Materiale Al-7nb. L'Accademia cinese delle scienze ha anche sviluppato una nuova lega di titanio ti-24nb-4zr-7.6sn. Allo stato attuale, lo sviluppo della lega di titanio in Cina si concentra principalmente su nuovi materiali innovativi e sull’applicazione attiva di materiali in lega di titanio.
1, Corrosione del titanio
Il titanio è un metallo termodinamicamente instabile e il suo potenziale di smorzamento è negativo. Il potenziale dell'elettrodo standard è -1,63 V. Pertanto è facile formare un film di ossido con proprietà di passivazione nell'atmosfera e in soluzione acquosa, con buona resistenza alla corrosione
1. Resistenza alla corrosione del titanio in diversi mezzi
È molto importante studiare la resistenza alla corrosione dei materiali medici. Da un lato alcuni ioni metallici o prodotti della corrosione dei materiali impiantati penetrano nei tessuti biologici e possono innescare reazioni fisiologiche di diverso grado; D'altro canto, a causa della presenza di fluidi corporei, le prestazioni di alcuni materiali possono essere gravemente ridotte, provocandone un rapido danneggiamento o addirittura il guasto. L'ambiente del corpo umano è relativamente complesso, il che ha maggiori probabilità di causare la dissoluzione degli oligoelementi e modificare la stabilità dello strato di ossido. Un leggero attrito può danneggiare in varia misura il film di passivazione formatosi sulla superficie del titanio. Ad esempio, in un ambiente povero di ossigeno, la stabilità dello strato di ossido è indebolita e, quando è danneggiato, non può essere riparato immediatamente o si forma un nuovo strato di ossido, che ha maggiori probabilità di causare corrosione. Questo tipo di situazione difficilmente può essere evitata nei movimenti ripetuti del corpo umano e nell'uso di strumenti. La deformazione plastica cambierà lo stato strutturale dei materiali e quindi influenzerà le prestazioni di corrosione dei materiali. L'influenza della deformazione plastica sulle proprietà di corrosione dei materiali è diversa. Nel processo di deformazione plastica, si verificano difetti nell'interfaccia e nella grana a causa della concentrazione dello stress interno. Pertanto, la deformazione plastica indebolirà la resistenza alla corrosione dei materiali.
2. Meccanismo di corrosione del titanio
Il titanio è un elemento di transizione del gruppo IVB, che è chimicamente attivo e ha grande affinità con l'ossigeno. In qualsiasi mezzo contenente ossigeno-, è facile formare un denso film di passivazione sulla superficie del titanio, che è molto sottile e il suo spessore è solitamente compreso tra diversi nanometri e decine di nanometri. L'esistenza di un film di passivazione in lega di titanio riduce l'area di dissoluzione tensioattiva e la velocità di dissoluzione, resistendo così al danno causato dalla dissoluzione. Inoltre, il film di passivazione può anche essere riparato automaticamente e, in caso di danneggiamento, si può formare rapidamente un nuovo film protettivo. Pertanto, il titanio ha una buona resistenza alla corrosione. Le forme di corrosione del titanio impiantato nell'organismo possono essere suddivise in corrosione per vaiolatura, corrosione sotto sforzo, corrosione interstiziale, corrosione galvanica e corrosione da usura.
2.1 corrosione interna
La tensocorrosione si riferisce al fenomeno per cui il metallo si rompe quando lo stress da trazione e la corrosione agiscono contemporaneamente. Il processo generale è il seguente: l'azione delle sollecitazioni di trazione provoca la rottura del film protettivo formatosi sulla superficie del metallo, formando la fessura fonte di vaiolatura o corrosione interstiziale, e sviluppandosi in profondità. Allo stesso tempo, l'azione dello sforzo di trazione può causare la rottura ripetuta del film protettivo, formando crepe perpendicolari allo sforzo di trazione, fino a provocare la frattura.
2.1.1 ragioni che influenzano la reazione allo stress della lega di titanio
L'SCC della lega di titanio è il risultato dell'ambiente, dello stress e del materiale. L'SCC è altamente selettivo, finché uno qualsiasi dei tre fattori sopra indicati viene modificato, l'SCC non si verificherà.
1) Ambiente
(1) Medio
La SCC della lega di titanio può formarsi sotto l'azione di molti mezzi come soluzioni acquose, acqua distillata, soluzione organica e sale caldo. Il meccanismo SCC è diverso a seconda dei media.
(2) Valore del pH
L'influenza del valore pH sull'SCC della lega di titanio è ancora abbastanza diversa. In generale, la sensibilità SCC della lega di titanio diminuisce con l'aumento del valore del pH. Quando il valore del pH è 13-14, l'SCC può spesso essere soppresso. Tuttavia, un ambiente fortemente corrosivo con un valore di pH compreso tra 2 e 3 può formarsi anche davanti alle fessure locali in cui si verificano cambiamenti SCC.
(3) Potenziale
L’effetto del potenziale sul grado di SCC è cruciale. Il potenziale sensibile all'SCC della lega è diverso con il sistema di corrosione composto da lega e mezzo. Ad esempio, quando il potenziale della lega di b-titanio nella soluzione acquosa contenente alogenuro è intorno a - 600mV, l'SCC è aggravato; Sotto il potenziale di passivazione eccessiva si verificano anche crepe; Tuttavia, quando il potenziale è inferiore a - 1000mV, non si verifica alcuna crepa. Nella soluzione acquosa contenente Cl - e Br -, il potenziale sensibile SCC di ti8al1mo1v è - 500mv - - 600mV. Nella soluzione acquosa contenente I -, il potenziale sensibile è superiore a 0 mV.
(4) Temperatura
La temperatura è uno dei fattori importanti che influenzano la generazione di SCC nelle leghe di titanio. In generale, la sensibilità dell'SCC aumenta con l'aumento della temperatura. Nell'ambiente con aria salina calda di 300-500 gradi, la tensocorrosione della lega ti6al3mo2zr0.5sn è più sensibile all'SCC superiore a 450 gradi. Nella soluzione di H2S + CO2 + NaCl + s, la sensibilità SCC della lega Ti6Al4V con una certa quantità di PD o Mo è inferiore a 200 gradi rispetto a 250 gradi. Ma i materiali impiantati nel corpo umano hanno una sensibilità limitata alla temperatura.
(5) Concentrazione di ioni Cl
Maggiore è la concentrazione di Cl - nella soluzione, maggiore è la sensibilità SCC.
2) Stress
Gli incidenti SCC causati dallo stress residuo della lega durante la lavorazione a freddo, la forgiatura, la saldatura, il trattamento termico o l'assemblaggio rappresentano il 40% dell'intero incidente SCC. Inoltre, lo stress esterno generato durante il funzionamento, lo stress esterno causato dall'effetto volume dei prodotti della corrosione o lo stress irregolare causato dall'effetto volume dei prodotti della corrosione sono tutte fonti di stress dell'SCC. Maggiore è il livello di stress, minore è il tempo di SCC.
3) Materiali
Nello stesso mezzo ambientale, se la composizione chimica, la segregazione, la struttura, la dimensione dei grani, i difetti cristallini, le proprietà, il trattamento termico e lo stato superficiale dei materiali sono diversi, anche il loro comportamento e il grado di tensocorrosione sono diversi. L'aggiunta di una piccola quantità di PD, Mo o Ru alla lega di titanio può ridurne la sensibilità alla tensocorrosione. La sensibilità SCC delle leghe Ti6Al4V e ti15v3cr3al3sn dopo il trattamento di invecchiamento di picco è superiore a quella delle leghe ricotte. Quando il contenuto di ossigeno nella lega Ti6Al4V è inferiore allo 0,13%, la sensibilità SCC può essere notevolmente ridotta.
2.1.2 soluzioni comuni
I seguenti metodi possono essere utilizzati per eliminare o ridurre la sensibilità alla SCC della lega di titanio in determinati mezzi:
1) Eliminare lo stress residuo
La tensione residua locale generata dopo la produzione delle parti può essere eliminata mediante ricottura totale o ricottura locale. A questo punto, è necessario considerare l'effetto negativo del trattamento termico sulla resistenza, plasticità o tenacità del materiale.
2) Lega
Per le leghe tradizionali, è possibile aggiungere alla lega una quantità adeguata di PD, Mo o Ru a seconda della situazione per migliorarne la resistenza all'SCC.
3) Trattamento superficiale
Migliorando la qualità della superficie della lega di titanio, è possibile migliorare la biocompatibilità e la resistenza all'usura del materiale e ridurre e ritardare il tempo e la velocità di generazione delle cricche.
2.2 corrosione interstiziale
Quando il mezzo si trova nello spazio formato tra la parte metallica e il metallo o il non-metallo, può accelerare la corrosione del metallo nello spazio, chiamata corrosione dello spazio. La corrosione interstiziale è una sorta di corrosione locale. Quando c'è una fessura nel titanio e nella lega di titanio, a causa della mancanza di sostanze ossidanti nella fessura, diventa un anodo e si corrode, distruggendo il film di passivazione. Generalmente, la corrosione interstiziale attraversa tre fasi: ① consumo di ossigeno nell'interstizio; ② Si forma una batteria macro e il valore del pH diminuisce; ③ Il film di passivazione viene attivato e sciolto fino alla completa distruzione. Si è riscontrato che il grado di corrosione interstiziale del materiale nella soluzione di Hanks a 37 gradi è NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti; Ti e Ti6AI4V hanno una forte resistenza alla corrosione interstiziale nella soluzione di Hanks.
2.3 usura e corrosione
La corrosione da usura avviene quando il metallo e il mezzo sono in contatto tra loro, la velocità di movimento relativa è elevata, il che provoca l'usura della superficie metallica e quindi la corrosione accelerata del metallo. Quando il titanio viene impiantato come impianto, si usura in una certa misura con gli strumenti operatori, distruggendo la pellicola di ossido sulla superficie. Se questo film di ossido non può essere riparato in tempo, il metallo impiantato si corroderà ulteriormente o addirittura cederà.
I materiali biomedici rappresentano l’importante base materiale per il rapido sviluppo della moderna medicina clinica e sono i principali argomenti della ricerca sui materiali nel 21° secolo. Il titanio, come nuovo tipo di materiale resistente alla corrosione-, ha fatto grandi progressi. Grazie alla sua buona biocompatibilità e resistenza alla corrosione, è stato ampiamente utilizzato in campo biomedico. Tuttavia, ci sono ancora molti problemi da risolvere nell’applicazione del titanio nell’ambiente umano. Pertanto, le prestazioni dei materiali in titanio sotto tutti gli aspetti dovrebbero essere studiate in modo approfondito per progettare e avviare uno sviluppo più rapido di materiali biomedici.
