لماذا يهيمن التيتانيوم على مواد الزرع؟
يقع التيتانيوم عند النقطة التي تلتقي فيها القوة الميكانيكية ومقاومة التآكل والاستجابة البيولوجية. تتشكل طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم السلبية في غضون ميلي ثانية في الهواء أو سوائل الجسم وتصلح على الفور إذا تم خدشها، لذلك لا يطلق المعدن أيونات بمعدل يثير تفاعل الأنسجة. كثافته التي تبلغ حوالي 4.5 جم/سم مكعب تحافظ على إضاءة الأدوات والأجهزة، ومعامل مرونته، حوالي 110 جيجا باسكال لـ Ti-6Al-4V، هو الأدنى بين المعادن المزروعة هيكليًا على الرغم من أنه يظل أعلى من 10 إلى 30 جيجا باسكال للعظم القشري.
هذه الفجوة في المعامل هي مشكلة الهندسة المركزية. تحمل الغرسة الأكثر صلابة حملًا أكبر من العظم المحيط بها، ويستجيب العظم من خلال إعادة التشكيل وفقدان الكثافة. وقد تم تطوير سبائك بيتا من التيتانيوم ذات معامل منخفض لسد الفجوة، ويعوض تصميم الجهاز من خلال الهياكل المسامية والهندسة.
عائلات الصف والمعايير الحاكمة
| مادة | معيار | يسلط الضوء على التكوين |
|---|---|---|
| نقي تجاريًا من الدرجة 1 إلى 4 | أستم F67، إسو 5832-2 | O من 0.18% كحد أقصى للصف الأول إلى 0.40% كحد أقصى للصف الرابع |
| Ti-6Al-4V، الصف 5 | أستم F1472، إسو 5832-3 | آل 5.5 – 6.75%، الخامس 3.5 – 4.5%، يا 0.20% كحد أقصى |
| Ti-6Al-4V ELI، الصف 23 | أستم F136، إسو 5832-3 | نفس القاعدة، O 0.13% كحد أقصى، Fe 0.25% كحد أقصى |
| تي-6Al-7Nb | أستم F1295، إسو 5832-11 | النيوبيوم يحل محل الفاناديوم |
إن الدرجة الخلالية-المنخفضة- الإضافية ليست سبيكة مختلفة ولكنها تحليل أكثر صرامة. يؤدي انخفاض الأكسجين والحديد إلى زيادة صلابة الكسر ومقاومة نمو صدع التعب، وهو أمر مهم بالنسبة للساق أو اللوحة أو المسمار الذي سيشهد تحميلًا دوريًا لسنوات. يتم استخدام درجات تحمل الفاناديوم-الحرة والنيوبيوم-حيثما تستبعد سياسة التوافق الحيوي المحددة الفاناديوم.
الأداء الميكانيكي في شروط التصميم
يتم تحديد التيتانيوم النقي من الدرجة الثانية بقوة شد تبلغ 345 ميجا باسكال تقريبًا ويستخدم للمكونات التي تحتاج إلى قابلية التشكيل بدلاً من القوة. يصل الصلب من الدرجة 5 إلى حوالي 895 ميجا باسكال من الشد و828 ميجا باسكال مع استطالة 10%، ويتم تحديد درجة ELI بالقرب من 860 ميجا باسكال من الشد مع إنتاجية 795 ميجا باسكال مع تقديم صلابة أفضل. تصل قوة الكلال لمادة Ti-6Al-4V المصقولة إلى ما يقرب من 40 إلى 50% من قوة الشد عند عشرة ملايين دورة، لذا فإن تشطيب السطح، وليس اختيار السبائك، هو العامل المحدد المعتاد للغرسة الحقيقية.
تتم معالجة المنتجات المطاوع حراريًا حتى تصلب بالطحن أو تتم معالجتها بمحلول وتعتيق حسب توازن الخاصية المطلوبة، ويتم تسجيل المعالجة على الشهادة مع نتائج الشد والصلابة.
النماذج وحالة التسليم
شريط وقضيب لتصنيع البراغي والألواح والمسامير ومكونات الأجهزة.
سلك لأسلاك كيرشنر والكابلات والدبابيس الجراحية.
ورقة وشريط لألواح الجمجمة والشبكات وصواني العظام.
مخزون تزوير لسيقان الورك ومكونات الركبة وأجهزة العمود الفقري.
أنبوب للقنيات والأدوات طفيفة التوغل.
يتم تسليم المواد المزروعة في حالة ملدنة أو معالجة بالمحلول مع شهادة توضح الكيمياء وفقًا لحدود ASTM أو ISO المطبقة، والخواص الميكانيكية، وحالة البنية المجهرية حيثما تم تحديدها، ورقم الحرارة الذي يسمح بالتتبع الكامل. يتم التحكم في حالة السطح: عادةً ما يكون القضيب أرضيًا بلا مركز ومصقولًا، ويتم توفير الصفائح منزوعة الترسبات ومسطحة.
متطلبات المعالجة التي تحمي الأداء
تتبع التصنيع القواعد العادية للتيتانيوم، باستخدام أدوات كربيد حادة ومبرد مناسب وسوائل خالية من الكلوريد-، نظرًا لأن بقايا الكلوريد تخلق خطر التآكل الناتج عن الإجهاد. بعد التشكيل أو اللحام، يتم تنظيف الأجزاء وتخليلها وتخميلها بموجب إجراءات مثل ASTM B600 لإزالة الترسبات والتنظيف وASTM F86 لإعداد سطح الزرعة. يتم تجنب التلوث بالحديد الناتج عن الأدوات الفولاذية أو الكربون الناتج عن أقلام التحديد، لأن كلاهما يخلق مواقع للتآكل الموضعي. يتم اللحام تحت غاز خامل مع التدريع الكامل للمعدن الساخن، ويتم التحكم في التقاط الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين من خلال هذا الإجراء.
مراقبة الجودة والأخطاء التي يجب تجنبها
يتم إصدار الكثير حول الكيمياء، واختبار الشد، والصلابة، وعند الاقتضاء، تقييم البنية المجهرية والشمول. تحدد الشهادات معيار المادة الدقيق والحالة ومختبر الاختبار، بحيث يمكن للشركة المصنعة للجهاز إغلاق سلسلة التتبع في سجل المريض.
الخطأ الأكثر ضررًا هو شراء درجة التيتانيوم التجارية وافتراض أنها تلبي معيار الزرع. تبدو الدرجة 5 إلى ASTM B348 والدرجة 5 إلى ASTM F1472 متشابهة في الرسم ولكنها تختلف في حدود التحليل وفي التحقق الذي تقوم به الشركة المصنعة. إن استبدال درجة أقل يتم التحكم فيها من خلال الخلالي لتوفير التكلفة أمر محفوف بالمخاطر بنفس القدر، لأن التغيير يظهر على شكل انخفاض في الصلابة بدلاً من انخفاض القوة، وهو ما يصعب اكتشافه في الفحص الروتيني الوارد.
الأسئلة المتداولة
س: ما الفرق بين التيتانيوم من الدرجة 5 والتيتانيوم من الدرجة 23؟
ج: إنها نفس سبيكة Ti-6Al-4V الأساسية، ولكن الدرجة 23 هي عبارة عن مادة خلالية منخفضة للغاية حيث يقتصر الأكسجين على 0.13% والحديد على 0.25%، مما يحسن المتانة وسلوك التعب.
س: ما هو المعيار الذي يغطي التيتانيوم النقي للزرعات؟
ج: ASTM F67 في الولايات المتحدة وISO 5832-2 دوليًا، يغطي الدرجات من 1 إلى 4 مع زيادة الأكسجين والقوة.
س: ما أهمية المعامل المرن بالنسبة للزرعة؟
ج: تعمل الغرسة الأكثر صلابة على حماية العظام المحيطة من الحمل، ومن ثم يتم إعادة تشكيل العظام وترققها. يهدف التصميم واختيار السبائك إلى تقليل عدم التطابق هذا.
س: هل التيتانيوم الخالي من الفاناديوم متاح؟
ج: نعم. يستبدل Ti-6Al-7Nb إلى ASTM F1295 / ISO 5832-11 الفاناديوم بالنيوبيوم ويستخدم على نطاق واسع حيث تفضل سبيكة خالية من الفاناديوم.
س: ما هي حالة الولادة الطبيعية لشريط الزرع؟
ج: ملدنة أو معالجة بالمحلول، أرضية غير مركزية ومصقولة، مع شهادة توضح الكيمياء والخواص الميكانيكية وإمكانية التتبع الكامل بالرقم الحراري.
