医療用チタンの分析
金属チタンは、低密度、高比強度、良好な耐食性などの利点から、重要な機能性材料として航空宇宙、エネルギー産業、医療用品などの分野で広く使用されています。 医療用チタンおよびチタン合金の開発プロセスは、大きく次の3つの時期に分けられます。
最初の期間は純チタンと Ti-6AI-4V で表されます。 第 2 期は、Ti-5A1-2.5Fe および Ti-6Al-7Nb に代表される - 型合金です。 3番目の期間は、生物学的特性と弾力性の発達がより優れています。 弾性率が低いベータチタン合金が主な防御線です。 新しいチタン合金材料の応用は、現在の主流の医療機器の開発の方向性となります。
我が国における医療用チタン合金材料の研究は1970年代に始まりました。 北西非鉄金属研究所は Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) を開発しました。 1990年代に、独立した知的財産権を持つTi-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ)が開発されました。 -6Al-4V、Ti-Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb 材料。 中国科学院はまた、新しいベータチタン合金 Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn を開発しました。 現在、我が国におけるチタン合金の開発は主に新材料のブレークスルーとチタン合金材料の積極的な応用を目的としています。
チタンの腐食
チタンは熱力学的に不安定な金属で、比較的負の不動態化電位を持ち、標準電極電位は -1.63V です。 そのため、大気中や水溶液中で不動態化性の酸化皮膜を形成しやすく、耐食性も良好です。
さまざまな媒体におけるチタンの耐食性
医療材料の耐食性を研究することは非常に重要です。 一方で、一部の金属イオンや埋め込まれた材料の腐食生成物は生体組織に浸透し、さまざまな程度の生理学的反応を引き起こす可能性があります。 一方で、体液の存在により、一部の材料の性能が著しく低下し、急速な損傷や故障を引き起こす可能性があります。 人体の環境は比較的複雑であるため、微量元素の溶解が起こりやすく、酸化層の安定性が変化します。 わずかな摩擦により、チタン表面に形成された不動態皮膜に程度の差はありますがダメージを与えます。 たとえば、酸素が欠乏した環境では、酸化物層の安定性が弱まります。 損傷するとすぐに修復できなかったり、新たな酸化皮膜が形成されて腐食が発生しやすくなります。 この状況は、人体の繰り返しの動きや機器の使用中にほぼ避けられません。 塑性変形により材料の構造状態が変化し、材料の腐食性能に影響を与えます。 塑性変形の程度が異なると、材料の腐食特性に大きく異なる影響が生じます。 塑性変形の過程で内部応力が集中し、界面や結晶粒に欠陥が生じます。 したがって、塑性変形により材料の耐食性が低下します。
チタンの腐食メカニズム
チタンはIVB族の遷移元素です。 化学的性質は比較的活性があり、酸素との親和性が高いです。 酸素を含む媒体では、チタン表面に緻密な不動態膜が容易に形成されます。 このパッシベーション膜は非常に薄く、通常その厚さは数ナノメートルから数十ナノメートルの範囲です。 チタン合金の不動態皮膜の存在により、界面活性溶解領域が減少し、溶解速度が遅くなり、溶解による損傷に耐えられます。 また、不動態皮膜が損傷した場合でも自動的に修復し、新たな保護膜を迅速に形成することができます。 したがって、チタンは耐食性に優れています。 生体内に埋め込まれた金属チタンの腐食形態は、孔食、応力腐食、隙間腐食、電食、摩耗腐食に分けられます。
応力腐食とは、引張応力と腐食が同時に作用したときに金属に亀裂が生じる現象を指します。 一般的なプロセスは、引張応力の作用により金属表面に形成された保護膜が破壊され始め、孔食や隙間腐食の亀裂の発生源となり、さらに深く進展します。 同時に、引張応力の作用により保護膜に亀裂が繰り返し発生し、引張応力の方向と垂直な方向に亀裂が生じます。 亀裂や破損さえあります。
チタン合金の応力腐食に影響を与える要因
チタン合金の SCC の発生は、環境、応力、材質の 3 つの要因の相互作用の結果です。 SCC は選択性が高くなります。 上記 3 つの要素のいずれかが変化する限り、SCC は発生しません。
チタン合金は、水溶液、蒸留水、有機溶液、熱塩などのさまざまな媒体の作用下で応力腐食割れを起こす可能性があります。媒体ごとに SCC メカニズムは異なります。
チタン合金の SCC に対する pH 値の影響には依然として大きな違いがあります。 一般に、pH 値が増加すると、チタン合金の SCC 感受性は減少します。 pH 値が 13-14 の場合、SCC は多くの場合抑制されます。 しかし、SCCが変化する局所的な亀裂の前部では、pH値が2～3の強い腐食環境が形成されることもあります。
SCC の程度に対する電位の影響は非常に重要です。 合金と媒体で構成される腐食システムは異なり、SCC 感受性の可能性も異なります。 たとえば、ハロゲン化物を含む水溶液中の B チタン合金では、電位が -600mV 付近になると SCC が増加します。 亀裂は不動態化が過剰な電位でも発生します。 ただし、-1000mV より低い電位では亀裂は発生しません。 割れ目。 Cl- と Br- を含む水溶液中での Ti8Al1Mo1V の SCC 感度電位は -500mV{{10}}mV です。 I- を含む水溶液では、感応電位領域は 0mV 以上になります。
温度は、チタン合金の SCC の発生に影響を与える重要な要因の 1 つです。 一般に、温度が上昇すると、SCC の影響を受けやすくなります。 {{0}} 度の高温塩空気環境では、Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn 合金の応力腐食は 450 度を超えると SCC に対してより敏感になります。 H2S CO2 NaCl S 溶液中で一定量の Pd または Mo を添加した Ti6Al4V 合金の 200 度での SCC 感度は、250 度での SCC 感度よりも低くなります。 しかし、人体に埋め込まれた材料は温度に対する感度が限られています。
When the medium is in the gap formed between the metal component and the metal or non-metal, it can accelerate the corrosion of the metal in the gap, which is called crevice corrosion. Crevice corrosion is a type of localized corrosion. When there are gaps in titanium and titanium alloys, due to the lack of oxidized substances in the gaps, they become anodes and corrode, destroying the passivation film. Generally, crevice corrosion goes through three stages: ① The consumption of oxygen in the crevice; ② The formation of macro cells and the reduction of pH value; ③ The passivation film is activated and dissolved until it is completely destroyed. The study found that in Hanks solution at 37°C, the crevice corrosion degree of the materials in descending order is: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti; Ti および Ti6AI4V は、ハンクス溶液中での強力な隙間腐食耐性を備えています。 。
摩耗腐食とは、金属と媒体が接触すると相対移動速度が大きくなり、金属表面が摩耗し、金属の腐食が促進される現象です。 チタンをインプラントとして埋め込むと、手術器具によってある程度の摩耗が起こり、表面に存在する酸化皮膜が破壊されてしまいます。 この酸化膜を時間内に修復できない場合、埋め込まれた金属はさらに腐食したり、破損したりする可能性があります。
生物医学材料は、現代の臨床医学の急速な発展にとって重要な材料基盤であり、21 世紀の材料研究の主要なテーマです。 チタンは、新しい耐食材料として大きな進歩を遂げ、その優れた生体適合性と耐食性により、バイオメディカル分野で広く使用されています。 しかし、チタンを人間の環境に応用するには、解決すべき課題がまだ多くあります。 したがって、生体医用材料を設計し、より迅速に開発を開始するには、チタン材料の特性のさまざまな側面について徹底的な研究を行う必要があります。
参照する：
[1] 秦英、王少安。 チタンおよびチタン合金歯科インプラントの腐食特性に関する研究 [J]。 国際口腔医学ジャーナル、2008、35(4): 255-258。
[2]黄永光。 外科的移植用のチタン合金材料とその標準化 [J]。 チタン産業の進歩、2002 年、(1): 36-39
