سبائك التيتانيوم منخفضة المعامل من نوع بيتا بيتا للغرسات الطبية الحيوية

الوصف

تُعد سبائك التيتانيوم منخفضة المعامل من نوع بيتا مهمة في التطبيقات الطبية الحيوية لأنها تتيح التقريب أكثر من السلوك المرن للعظام البشرية. ويُعد انخفاض معامل المرونة مفيداً في الحد من الحماية من الإجهاد.

أهمية معامل يونغ المنخفض في التطبيقات الطبية الحيوية

من المهم استخدام موادذات معامل يونغالمنخفض. يقلل المعامل المنخفض من عدم التطابق بين العظم والغرسة. يقلل مثل هذا التطابق من حجب الإجهاد. يحدث حجب الإجهاد عندما تمتص الغرسة الصلبة ضغطاً أكثر من العظم المحيط بها. يعني انخفاض الصلابة وجود توزيع أكثر تساوياً للأحمال. يفقد المرضى عظاماً أقل ويتعافون بشكل أفضل. وكمثال على ذلك، تحتوي سبيكة التيتانيوم النموذجية على معامل مرونة يبلغ حوالي 110 جيجا باسكال، وهو أعلى بكثير من معامل مرونة العظام. يمكن أن تصل سبيكة التيتانيوم المتفوقة من نوع بيتا إلى هذا الرقم حتى 55 جيجا باسكال. تعمل هذه التركيبة الأكثر تطابقاً على تحسين وظيفة الزرعة وراحة المريض.

اقرأ المزيد: أنواع سبائك التيتانيوم: التصنيفات والاستخدامات

استقرار الطور ومبادئ تصميم السبائك

يُعد استقرار الطور بيتا في التيتانيوم أمراً ضرورياً. يحافظ الاستقرار الطوري العالي على قوة المادة وليونتها. يحسّن التحكم في الطور من الخصائص المرنة للسبائك. أثناء تصميم هذه الأنواع من السبائك، يحقق العلماء التوازن. فهم يحتفظون بمرحلة بيتا المستقرة ويضيفون عناصر تقلل من معامل المرونة. ويتمثل مبدأ التصميم في تجنب المراحل غير المرغوب فيها التي يمكن أن تسبب الهشاشة. إن التوازن الدقيق بين المكونات هو المسؤول عن الاستقرار طويل الأمد في جسم الإنسان.

عناصر استقرار بيتا الشائعة (مثل النيوبيوم والتنتالوم والموليبدينوم والزركونيوم)

تتأثر أطوار ألفا وبيتا في سبائك التيتانيوم بالعناصر الثانوية. ويُعد النيوبيوم والتنتالوم والموليبدينوم والزركونيوم عناصر شائعة لتثبيت بيتا. يقلل النيوبيوم من معامل المرونة ويزيد من الليونة. يوفر التنتالوممقاومة فائقة للتآكل. يعمل الموليبدينومعلى استقرار طور بيتا في ظروف مختلفة. يحسن الزركونيوممن القوة والتوافق الحيوي بشكل عام. استخدام هذه العناصر ضروري. فهي تساعد في توفير الليونة للحصول على الحد الأدنى من المعامل دون المساس بالسبائك.

تقنيات المعالجة والتحكم في البنية المجهرية

يُعد التحكم في البنية المجهرية ميزة مهمة في تحضير السبيكة. تضبط المعالجة الحرارية البسيطة توزيع الطور في المادة. تعمل المعالجة الميكانيكية الحرارية على صقل هياكل الحبيبات. وتنتج بنية مجهرية أفضل معامل مرونة أكثر تجانسًا وأقل مرونة. علاوة على ذلك، يتم تنقية السبيكة من خلال عمليات التشكيل والدرفلة. تنتج المعالجة الخفيفة مواد أقوى وأفضل ليونة. يتم استخدام معالجات التلدين في معظم الحالات لإطلاق الضغوطات المتبقية. تنتج مثل هذه التقنيات مادة غرسة عالية الجودة ذات خواص ميكانيكية مرغوبة.

الخواص الميكانيكية وضبط المعامل المرن

تمتلك سبائك التيتانيوم منخفضة المعامل من نوع بيتا خصائص ميكانيكية ممتازة. ينخفض المعامل دون التأثير بشكل كبير على القوة. ويتم تحقيق ذلك من خلال توازن دقيق من خلال تركيبة السبيكة ومعالجتها. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تغيير تركيز النيوبيوم في السبيكة إلى تقليل المعامل ولكن مع توفير قوة إنتاجية كافية. تضفي هذه العملية على السبائك قوة تزيد عن 700 ميجا باسكال في معظم الحالات. والنتيجة هي منتج ذو سلوك قريب من سلوك العظام الطبيعية ولكنه يظل مرنًا في التحميل. ويُعزى تصميم السبيكة الحساس والمعالجة الموحدة إلى هذه النتائج الإيجابية.

التوافق الحيوي ومقاومة التآكل

يُعدّ التوافق الحيوي مهماً أيضاً مع الغرسات الطبية الحيوية. ومن المعروف أن سبائك التيتانيوم من نوع بيتا متوافقة مع الجسم. وتضيف إضافة عناصر غير سامة مثل النيوبيوم والزركونيوم إلى هذه الخاصية. بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه السبائك بمقاومة عالية للتآكل. وتقلل مقاومة التآكل هذه من فرص فشل الغرسات مع مرور الوقت. ويمكن تحسين خصائص سطحها من خلال طلاءات إضافية. يجعل الثبات الكيميائي والميكانيكي معاً هذه السبائك الخيار الأفضل للاستخدام طويل الأمد في الغرسات.

التطبيقات في زراعة العظام وزراعة الأسنان

تستخدم هذه السبائك على نطاق واسع في زراعة الأسنان وزراعة العظام. يتم دعم التئام العظام في المنطقة المحيطة بها من خلال معامل يونغ المنخفض. بالنسبة لغرسات تقويم العظام، مثل استبدال مفصل الورك والركبة، يقلل المعامل المنخفض من تركيزات الإجهاد. ويؤدي ذلك إلى تعزيز مشاركة الحمل مع العظم. بالنسبة لغرسات الأسنان، يقلل التشابه الوثيق بين عظام الفك من الألم ويعزز التكامل. وتذكر الأدلة السريرية معدلات شفاء أعلى ومضاعفات أقل مع هذه المواد. تعمل مبادئ التصميم المعتمدة على تحسين نتائج المرضى بشكل أكبر.

الخلاصة

توفر سبائك التيتانيوم منخفضة المعامل من نوع بيتا حلاً مناسباً للغرسات الطبية الحيوية. ويساعد المعامل المرن المنخفض على محاكاة صلابة العظام الطبيعية ويقلل من الحماية من الإجهاد مع تعزيز الشفاء. ويُعد ثبات الطور بيتا، بمساعدة عناصر مثل النيوبيوم والتنتالوم والموليبدينوم والزركونيوم، هو مفتاح ذلك. تضمن تقنيات المعالجة البسيطة والتحكّم الدقيق في البنية المجهرية الأداء العام للمادة، كما أن خواصها الميكانيكية المواتية وتوافقها الحيوي ومقاومتها للتآكل جعلتها خياراً أصيلاً في استخدامات تقويم العظام والأسنان. لمزيد من سبائك التيتانيوم، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما هو الدور الذي يلعبه معامل يونغ المنخفض في عمليات الزرع؟

س: إنه يقلل من عدم تطابق الحمل بين الغرسة والعظم، مما يقلل من حماية الإجهاد.

و: ما الذي يتسبب في انخفاض معامل المرونة في سبائك التيتانيوم؟

س: يقلل النيوبيوم والتنتالوم والموليبدينوم والزركونيوم من المعامل ويحسّن التوافق الحيوي.

س: كيف تؤثر طرق المعالجة على أداء السبائك؟

س: تتحكم في البنية المجهرية وتحسّن استقرار الطور لتحسين الخواص الميكانيكية والعمر الافتراضي.