Biyomedikal Titanyum Alaşımları Nedir ve Hangi Alanlarda Kullanılır?

Biyomedikal titanyum alaşımları, biyouyumluluk, korozyon direnci, yeterli mukavemet ve nispeten düşük yoğunluğu bir arada sundukları için implantlarda ve tıbbi cihazlarda kullanılmaktadır. Ticari olarak saf titanyum ve Ti-6Al-4V, yaygın olarak kullanılan malzemelerdir; buna karşın, kemikle olan sertlik uyumsuzluğunu azaltmak amacıyla düşük modüllü β alaşımları üzerinde çalışmalar sürdürülmektedir. Bu malzemelerin kullanım alanları ve malzeme seçimleri aşağıda karşılaştırılmıştır.

Biyomedikal Titanyum Alaşımı Nedir?

Biyomedikal malzemeler, doku ve organların teşhis edilmesi, tedavisi, onarımı veya değiştirilmesi ya da işlevlerinin iyileştirilmesi amacıyla biyolojik sistemlerle etkileşime girer. Bunlar arasında tıbbi metaller, polimerler ve seramikler yer alır. Metaller, özellikle ortopedik ve kardiyovasküler ürünlerde büyük önem taşır. Titanyum, olumlu bir biyolojik tepki sergiler, doku ile iyi bir uyum gösterir ve doğal olarak manyetik özellik taşımaz; bu özellikleri, tıbbi alanda yaygın kullanımını desteklemektedir.

Biyomedikal titanyum alaşımları, biyouyumluluk, mekanik performans, korozyon direnci ve düşük yoğunluğu bir araya getirir. Yüksek mukavemet ve nispeten düşük elastik modül, gerilim kalkanlamasını azaltabilir ve kemik iyileşmesini destekleyebilir. Titanyum, fizyolojik ortamlarda biyoinert ve korozyona dayanıklıdır. Yoğunluğu paslanmaz çeliğin yaklaşık 56%'si kadardır, bu da implantın ağırlığını azaltır. Geliştirme çalışmaları, ticari olarak saf titanyum ve Ti-6Al-4V'den modifiye alaşımlara ve düşük modüllü β titanyum alaşımlarına doğru ilerlemiştir.

Sınıflandırma ve Mekanik Özellikler

Biyomedikal titanyum alaşımları, mikroyapılarına göre α, α+β veya β alaşımları olarak sınıflandırılır. Ticari olarak saf titanyum ve Ti-6Al-4V, klinik uygulamalarda hâlâ yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyouyumluluğu artırılmış, daha düşük modüllü β alaşımları, araştırmaların ana odak noktalarından biridir.

İkinci ve üçüncü nesil alaşımlar genellikle daha düşük elastik modüle sahiptir ve giderek artan miktarlarda niyobyum içerir. Ti-35Nb-7Zr-5Ta ve ilgili Ti-Nb-Ta-Zr sistemleri, burada tabloda yer alan en düşük modüllü malzemeler arasındadır. Ti-35Nb-7Zr-5Ta için listelenen elastik modül 55 GPa iken, kemik için bu değer yaklaşık 30 GPa'dır. Ti-Nb süperelastik β alaşımları özellikle kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.

Yeni β alaşımları arasında Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr ve Ti-Ta sistemleri yer almaktadır. Potansiyel olarak zararlı olan V, Al, Ni ve Cr, giderek biyouyumlu Nb, Zr, Ta, Sn, Pt ve Mo ile yer değiştirilmektedir. Ti-Nb alaşımları düşük elastik modül sunar, alüminyum ve vanadyum içermez ve tıbbi metaller olarak yaygın olarak araştırılmaktadır.

Biyomedikal Özellikler

Yüksek Özgül Mukavemet

Titanyum alaşımlarının yoğunluğu 4,51 g/cm civarındadır³, çeliğin yaklaşık 60% katıdır. Saf titanyum, sıradan çeliğin mukavemetine yaklaşırken, yüksek mukavemetli titanyum alaşımları birçok yapısal çeliği geride bırakır. Yüksek mukavemet-yoğunluk oranı, sağlam, sert ve hafif bileşenlerin üretilmesini sağlar. Geleneksel tıbbi α alaşımları, daha yüksek elastik modülleri nedeniyle gerilim kalkanı oluşumuna neden olabilir. Alaşımlama, plastik deformasyon ve çözelti işlemi, kristal yapıyı değiştirebilir ve implant modülünü azaltabilir.

Korozyon Direnci

Titanyum alaşımları, nemli hava ve deniz suyunda paslanmaz çeliğe göre daha iyi performans gösterir ve çukurlaşmaya, asit saldırısına ve gerilme korozyonuna karşı dirençlidir. Ayrıca alkalilere, klorürlere, klorlu organik maddelere, nitrik aside ve sülfürik aside karşı da dirençlidir; ancak bazı indirgeyici veya kromat içeren ortamlarda performansları daha düşüktür.

1. Ti-39Nb, fizyolojik salin içinde saf titanyumla karşılaştırılabilir düzeyde korozyon-bozulma davranışı sergilerken, florür içeren ortamlarda önemli ölçüde daha iyi performans gösterir.
2. Ti-10Nb-10Zr, 3.5% NaCl ve yapay tükürük ortamlarında iyi performans gösterir; özellikle yapay tükürükte bozunma oranı oldukça düşüktür.
3. Ti-26Nb-4Zr-3Mn ve Ti-26Nb-4Zr-5Mn, Hank çözeltisinde yüksek korozyon potansiyelleri ve düşük akım yoğunlukları sergilemektedir; bu da iyi bir korozyon direncine işaret etmektedir.