의료용 티타늄 분석
중요한 기능성 소재인 티타늄 금속은 저밀도, 높은 비강도, 우수한 내식성 등의 장점으로 인해 항공우주, 에너지 산업, 의료 용품 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 의료용 티타늄 및 티타늄 합금의 개발 과정은 크게 세 시기로 나눌 수 있습니다.
첫 번째 기간은 순수 티타늄과 Ti-6AI-4V로 표시됩니다. 두 번째 기간은 Ti-5A1-2.5Fe 및 Ti-6Al-7Nb로 표시되는 유형 합금입니다. 세 번째 기간은 더 나은 생물학적 특성과 탄력성 발달입니다. 모듈러스가 낮은 베타 티타늄 합금이 주요 방어선입니다. 새로운 티타늄 합금 소재의 적용은 현재 주류 의료기기의 발전 방향이 될 것입니다.
우리나라의 의료용 티타늄 합금 소재에 대한 연구는 1970년대에 시작되었습니다. 노스웨스트 비철금속 연구소에서는 Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr(TAMZ)을 개발했습니다. 1990년대에는 독립적인 지적재산권을 보유한 Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr(TAMZ)이 개발되었습니다. -6Al-4V, Ti-Al-2.5Fe 및 Ti-6Al-7}Nb 재료. 중국과학원은 또한 새로운 베타 티타늄 합금 Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn을 개발했습니다. 현재 우리나라의 티타늄 합금 개발은 주로 신소재의 획기적인 발전과 티타늄 합금 재료의 적극적인 응용을 목표로 하고 있습니다.
티타늄의 부식
티타늄은 표준 전극 전위가 -1.63V인 상대적으로 음의 부동태화 전위를 갖는 열역학적으로 불안정한 금속입니다. 따라서 대기 및 수용액 중에서 부동태화 특성을 지닌 산화막을 형성하기 쉽고 내식성이 우수합니다.
다양한 매체에서 티타늄의 내식성
의료용 재료의 내식성을 연구하는 것은 매우 중요합니다. 한편, 이식된 물질의 일부 금속 이온이나 부식 생성물은 생물학적 조직에 침투하여 다양한 정도의 생리적 반응을 유발할 수 있습니다. 반면에 체액의 존재로 인해 일부 재료의 성능이 심각하게 저하되어 급격한 손상이나 심지어 고장이 발생할 수 있습니다. 인체 환경은 상대적으로 복잡하여 미량 원소의 용해를 일으키고 산화물 층의 안정성을 변화시킬 가능성이 더 높습니다. 약간의 마찰로 인해 티타늄 표면에 형성된 보호막이 다양한 수준으로 손상될 수 있습니다. 예를 들어, 산소가 부족한 환경에서는 산화물층의 안정성이 약화됩니다. 손상되면 즉시 수리할 수 없거나 새로운 산화층이 형성되어 부식이 발생하기 쉽습니다. 이러한 상황은 인체의 반복적인 움직임과 장비 사용 시 거의 불가피합니다. 소성 변형은 재료의 구조적 상태를 변화시켜 재료의 부식 성능에 영향을 미칩니다. 다양한 소성 변형 정도는 재료의 부식 특성에 매우 다른 영향을 미칩니다. 소성 변형 과정에서 내부 응력이 집중되어 계면과 결정립에 결함이 발생합니다. 따라서 소성 변형은 재료의 내식성을 약화시킵니다.
티타늄 부식 메커니즘
티타늄은 IVB족의 전이원소입니다. 화학적 성질은 상대적으로 활성적이며 산소와의 친화력이 높습니다. 모든 산소 함유 매체에서는 티타늄 표면에 치밀한 부동태막이 쉽게 형성됩니다. 이 패시베이션 필름은 매우 얇으며 일반적으로 두께가 수 나노미터에서 수십 나노미터에 이릅니다. 티타늄 합금 부동태막이 존재하면 표면 활성 용해 면적이 줄어들고 용해 속도가 느려지므로 용해로 인한 손상을 방지할 수 있습니다. 또한, 패시베이션막을 자동으로 복구할 수 있으며, 손상 시 새로운 보호막을 신속하게 형성할 수 있다. 따라서 티타늄은 내식성이 우수합니다. 생체에 이식된 티타늄 금속의 부식 형태는 공식(pitting) 부식, 응력 부식, 틈새 부식, 갈바닉 부식, 마모 부식으로 나눌 수 있습니다.
응력 부식이란 인장 응력과 부식이 동시에 작용하여 금속 균열이 발생하는 현상을 말합니다. 일반적인 과정은 다음과 같습니다. 인장 응력의 작용으로 인해 금속 표면에 형성된 보호막이 파열되어 구멍 부식 또는 틈새 부식의 균열 원인이 형성되어 더 깊게 진행됩니다. 동시에 인장 응력의 작용으로 인해 보호 필름에 반복적으로 균열이 발생하여 인장 응력 방향에 수직인 균열이 형성됩니다. 균열이나 심지어 파손.
티타늄 합금의 응력 부식에 영향을 미치는 요인
티타늄 합금 SCC의 발생은 환경, 응력 및 재료라는 세 가지 요소의 상호 작용의 결과입니다. SCC는 매우 선택적입니다. 위 3가지 요소 중 어느 하나라도 변하면 SCC는 발생하지 않습니다.
티타늄 합금은 수용액, 증류수, 유기 용액, 뜨거운 염분 등과 같은 다양한 매체의 작용으로 응력 부식 균열이 발생할 수 있습니다. 다양한 매체의 SCC 메커니즘은 다릅니다.
티타늄 합금 SCC에 대한 pH 값의 영향에는 여전히 큰 차이가 있습니다. 일반적으로 pH 값이 증가하면 티타늄 합금의 SCC 민감도는 감소합니다. pH 값이 13-14이면 SCC가 억제되는 경우가 많습니다. 그러나 SCC가 변하는 국부균열 앞부분에서는 pH 2~3 정도의 강한 부식환경이 형성되기도 한다.
SCC 정도에 대한 전위의 영향은 매우 중요합니다. 합금과 매체로 구성된 부식 시스템은 다르며 SCC 감도 잠재력도 다릅니다. 예를 들어, 할로겐화물을 함유한 수용액의 B-티타늄 합금에서 SCC는 전위가 약 -600mV일 때 증가합니다. 과부동화 전위에서도 균열이 발생합니다. 그러나 -1000mV보다 낮은 전위에서는 균열이 발생하지 않습니다. 금이 가다. Cl- 및 Br-를 함유한 수용액에서 Ti8Al1Mo1V의 SCC 감도 전위는 -500mV{{10}}mV입니다. I-를 함유한 수용액에서 민감한 전위 영역은 0mV 이상입니다.
온도는 티타늄 합금에서 SCC 발생에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다. 일반적으로 온도가 증가하면 SCC의 민감도도 증가합니다. {{0}} 정도의 뜨거운 염분 환경에서 Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn 합금의 응력 부식은 450도 이상의 SCC에 더 민감합니다. 200도에서 H2S CO2 NaCl S 용액에 일정량의 Pd 또는 Mo를 첨가한 Ti6Al4V 합금의 SCC 감도는 250도의 SCC 감도보다 낮습니다. 그러나 인체에 이식된 물질은 온도에 대한 민감도가 제한적입니다.
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 및 Ti6AI4V는 Hanks 용액에서 강력한 틈새 부식 저항성을 갖습니다. .
마모 부식은 금속이 매체와 접촉하여 상대 이동 속도가 커서 금속 표면이 마모되어 금속의 부식이 가속화되는 것입니다. 티타늄을 임플란트로 심을 경우 수술기구에 의해 어느 정도 마모되어 표면에 존재하는 산화막이 파괴되는 현상이 발생합니다. 이 산화막을 제때에 복구할 수 없으면 주입된 금속이 더욱 부식되거나 심지어 파손될 수도 있습니다.
생체의료재료는 현대 임상의학의 비약적인 발전을 위한 중요한 소재기반이자 21세기 재료연구의 주요 화두이다. 티타늄은 새로운 내식성 소재로 큰 발전을 이루었으며 우수한 생체 적합성과 내식성으로 인해 생체 의학 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 티타늄을 인간 환경에 적용하기 위해서는 아직 해결해야 할 문제가 많다. 따라서, 생체의학 재료의 보다 빠른 개발을 설계하고 시작하기 위해서는 티타늄 재료의 특성에 대한 다양한 측면에 대한 심층적인 연구를 수행하는 것이 필요합니다.
인용하다:
[1] 진잉, 왕샤오안. 티타늄 및 티타늄 합금 치과용 임플란트의 부식 특성에 관한 연구 [J]. 국제 구강 의학 저널, 2008, 35(4): 255-258.
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