تیتانیوم در پزشکی

تیتانیوم نقش اساسی در ساخت قطعات اختصاص‌داده‌شده به بخش‌های هوانوردی، فراساحلی، فضا و پزشکی دارد. با داشتن خواص زیست‌سازگاری به طور گسترده تیتانیوم در پزشکی استفاده می‌شود. استحکام مکانیکی در چگالی کم، دمای ذوب بالا، انبساط حرارتی کم و مقاومت در برابر خوردگی آن را به یک ماده مهم برای صنعت و یک جزء آلیاژی مهم تبدیل کرده است. در این محتوا به معرفی فلز تیتانیوم و ویژگی‌های آن، کاربرد خاص آن در زمینه‌ی پزشکی و مزایا و معایب تیتانیوم در پزشکی و سایر کاربردهای تیتانیوم می‌پردازیم.

تیتانیوم چیست؟

تیتانیوم فلز سبک براق و مقاوم در برابر هوا است. این فلز معمولاً از ایلمنیت (FeTiO3) به دست می‌آید که TiCl4 به‌عنوان واسطه‌ای تشکیل می‌شود که به‌صورت متالو گرمایی به این فلز تبدیل می‌شود این فلز در پایان قرن ۱۸ شناسایی شد. استخراج این فلز دشوار، پیچیده و پرهزینه است. استفاده صنعتی تیتانیوم بسیار جدید است و قدمت مصرف آن از دهه ۱۹۱۰ تا ۱۹۳۰ است. به دلیل فرایند تولید پیچیده، تیتانیوم ده برابر گران‌تر از فولاد معمولی است. تیتانیوم یک فلز واسطه است و تمام حالت‌های اکسیداسیون از I تا IV را در ترکیبات خودش تشکیل می‌دهد و مرحله IV پایدارترین آن است. این عنصر الکتروپوزیتیو، به دلیل پتانسیل نرمال منفی آن، یک فلز پایه است. این فلز در برابر اسیدهای معدنی و رطوبت مقاوم است. در دمای ۴۲۶ درجه سانتی‌گراد، استحکام این فلز به‌سرعت کاهش می‌یابد، بنابراین تیتانیوم برای دماهای بالاتر مناسب نیست.

محلول‌های قلیایی، الکل، اسید فرمیک، آمونیاک، اسید تارتاریک و اسید سیتریک این فلز را تخریب نمی‌کند؛ اما در اسیدهای داغ تخریب می‌شود. در دماهای بالاتر، تیتانیوم با اکثر غیر فلزات پیوند می‌خورد. تیتانیوم خالص فلز سبک، بسیار کشش‌پذیر و چکش‌خوار است که به‌راحتی می‌توان آن را حتی در دمای اتاق به‌صورت ورقه درآورد. تعداد آلیاژهای تیتانیوم زیاد است. برخی از آلیاژهای این فلز T40، TA6V Grade، TA6V ELI و غیره است. هر یک از این آلیاژهای تیتانیوم ویژگی‌ها و خواص متفاوتی دارند. تیتانیوم خالص دارای رنگ خاکستری متالیک است. هنگامی که تیتانیوم در معرض اکسیژن و یا تحت واکنش شیمیایی یا حرارتی قرار می‌گیرد، سایه‌های متفاوتی از زرد کم‌رنگ تا بنفش، آبی، سبز یا حتی صورتی در سطح خودش نشان می‌دهد.

چرا تیتانیوم در پزشکی کاربرد دارد؟

تیتانیوم به بخش جدایی‌ناپذیر از فناوری مدرن پزشکی تبدیل شده است. پزشکان در حدود سی‌سال از این فلز برای جایگزینی یا اتصال استخوان‌ها استفاده می‌کنند. تیتانیوم مانند طلا و پلاتین زیست‌سازگار است. به این معنا که بدن انسان و مایعات آن ویژگی‌های این فلز را تغییر نمی‌دهند یا آن را تخریب نمی‌کند. سبکی و مقاومت در برابر خوردگی این فلز را به یک ماده ایده‌آل برای پزشکی تبدیل کرده است. علت دیگر مصرف تیتانیوم در پزشکی این است که سم یا خطری برای سلامتی ایجاد نمی‌کند. این ویژگی‌ها کاربرد تیتانیوم در پزشکی برای ایمپلنت و پروتز (پروتزهای دندانی و پیچ‌های قابل‌کاشت)، ابزار جراحی و ایمپلنت‌های ارتوپدی از جمله تعویض مفصل ران و زانو، ایمپلنتولوژی فک و صورت، قلب و عروق مناسب می‌کند.

در جراحی مغز و اعصاب، گیره‌های تیتانیوم (برای عمل‌های آنوریسم) به دلیل خواص مطلوب تا حد زیادی جایگزین گیره‌های فولادی ضدزنگ هستند. در جراحی گوش میانی، تیتانیوم ماده انتخابی برای پروتزهای استخوانی و لوله‌های تمپانوستومی است. همچنین تیتانیوم در تولید عدسی عینک نازک باقدرت انکسار بالا استفاده می‌شود. تیتانیوم در پزشکی در ارتوپدی جراحی برای پروتزهای فلزی ساق پا (پروتز مفصل ران) و تعویض سر استخوان ران، تعویض مفصل زانو بعد از آرتروز به طور انبوه استفاده می‌شود. تیتانیوم در ایمپلنت‌های ارتوپدی، یکپارچگی استخوان را تقویت می‌کند. در نتیجه بهبود استخوان را تسریع می‌نماید و استحکام نهایی ساختارهای استخوان‌ها را تضمین می‌کند. در واقع لایه اکسید تیتانیوم به استخوان‌ها اجازه می‌دهد تا روی ایمپلنت محکم رشد کنند و بنابراین ایمپلنت مصنوعی به طور دائم در بدن انسان نصب می‌شود.

مزایا و معایب تیتانیوم در پزشکی

تیتانیوم در ایمپلنت‌های دندانی و ابزار جراحی در برابر استریلیزاسیون مکرر بدون تخریب باقی می‌مانند. مزایای ایمپلنت‌های دندانی تیتانیوم تحمل بسیار بالا، انعطاف‌پذیری فوق‌العاده، رشد سریع و محکم به داخل استخوان‌ها، قدرت شکستگی و دوام بالا است. خواص ضدمیکروبی تیتانیوم همچنین به کاهش خطر عفونت کمک می‌کند در نتیجه تیتانیوم در پزشکی در جراحی‌ها و کاشت‌های طولانی‌مدت مصرف می‌شود. هیچ واکنش رد ایمونولوژیک (آلرژی به ایمپلنت تیتانیوم) وجود ندارد. از معایب تیتانیوم در پزشکی هزینه‌های بالای آن است. تولید تیتانیوم خالص پیچیده است و بنابراین گران‌تر از آلیاژهای فولادی جایگزین است.

تیتانیوم در چه بخشهایی کاربرد دارد؟

تیتانیوم فلز سبک و قوی با خواص منحصربه‌فردی است که آن را به ماده‌ای انتخابی تبدیل می‌کند که بسیار متفاوت از سایر فلزات است. مقاومت مکانیکی تیتانیوم در دماهای بسیار پایین (۵۰- درجه سانتیگراد) و بسیار بالا (+۴۰۰ درجه سانتیگراد) بدون تغییر باقی می‌ماند. این خواص تیتانیوم را به ماده‌ای مناسب برای محیط‌های شدید و تغییرات دما در بخش هوافضا تبدیل می‌کند. تیتانیوم علاوه بر سبکی دارای چندین ویژگی قابل‌توجه است. اول‌ازهمه، در برابر خوردگی مقاوم است. این ویژگی آن را به یک انتخاب ایده‌آل برای محیط‌های تهاجمی یا محیط‌های در معرض رطوبت تبدیل می‌کند. علاوه بر این، این فلز دارای استحکام مکانیکی عالی است. استحکام ویژه آن (نسبت استحکام کششی به چگالی) بهتر از آلومینیوم و فولاد است.

تیتانیوم در صنعت هوافضا برای ساخت اجزای حیاتی استفاده می‌شود. استحکام بالا، سبکی، مقاومت در برابر خوردگی و در نهایت طول عمر این فلز، آن را به ماده‌ای مطلوب برای سازه‌های هواپیما تبدیل می‌کند. موتورها و پره‌های توربین و همچنین سایر قطعاتی که تحت‌فشار زیاد قرار می‌گیرند، از این فلز ساخته می‌شوند. تیتانیوم به دلیل استحکام بالا و وزن کم، ماده‌ای ارزشمند برای تولید اشیای فنی برای هواپیماهای مافوق‌صوت، ساخت کشتی و زیردریایی، موتور موشک و فناوری رآکتور است. آلیاژهای تیتانیوم مانند فولاد تیتانیوم برای صنایع شیمیایی، غذایی، نساجی و کاغذ کاربرد دارند. سایر کاربردهای این فلز در ساخت جواهرات تیتانیومی (ساعت و فریم عینک)، جلیقه‌های ضدگلوله، آبکاری به‌عنوان پشتیبانی برای اکسیداسیون آندی آلومینیوم، در تولید اندیکاتورهای سطح و شناور، فنر در شاسی وسایل نقلیه موتوری، خمیردندان، لوازم آرایشی مانند کرم‌های ضدآفتاب و بدنه کشتی، قاب دوچرخه و غیره است.

سوالات متداول تیتانیوم در پزشکی

۱- بزرگ‌ترین کشور تولیدکننده تیتانیوم چیست؟

چین بزرگ‌ترین تولیدکننده تیتانیوم در جهان است. بر اساس گزارش سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) چین با ۲۱۰۰۰۰ تن در سال گذشته ۵۷ درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص دارد. ژاپن تقریباً ۱۷ درصد و روسیه تقریباً ۱۳ درصد رتبه بعدی قرار دارد.

۲- تفاوت فولاد و تیتانیوم چیست؟

تیتانیوم فلزی به استحکام فولاد است، اما چگالی آن تنها ۶۰ درصد است؛ بنابراین ۴۰ درصد سبک‌تر از فولاد است. کار با تیتانیوم آسان است، بنابراین به‌عنوان ماده‌ای برای جواهرات و ساعت‌سازی استفاده می‌شود.

۳- ویژگی‌های منحصربه‌فرد Ti چیست؟

تیتانیوم در برابر مواد شیمیایی بسیار مقاوم است و بالاترین نسبت استحکام به وزن را در بین هر فلزی دارد. این ویژگی‌های منحصربه‌فرد، تیتانیوم را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می‌کند.

۴- علت استفاده از Ti در جواهرات چیست؟

تیتانیوم فلز بسیار سخت است و در برابر خش مقاوم است. همچنین رنگ مایل به سفید و براق، آن را به ماده‌ای جذاب برای صنعت جواهرسازی تبدیل می‌کند. جواهراتی که از این فلز ساخته می‌شوند راحت، بادوام، ماندگار و بدون آلرژی است.

۵- چگالی Ti چقدر است؟

چگالی تیتانیوم تقریباً ۴.۵ گرم بر سانتی‌متر مربع یا ۴۰ درصد کمتر از چگالی فولاد است. همچنین چگالی تیتانیوم آن را به یکی از سبک‌ترین فلزات تبدیل می‌کند و در کاربردهای سبک به‌ویژه در صنعت هوانوردی و فضایی بسیار محبوب است.