قلع، قدرت آلیاژ های تیتانیوم بیو ایمپلنت را افزایش می دهد

ایمپلنت های پزشکی زیستی به طور گسترده ای برای درمان آسیب استخوان و جایگزینی مفاصل که به دلیل پیری یا بیماری انحطاطی مورد استفاده قرار می گیرند، استفاده می شوند.هدف اصلی ایمپلنت زیستی کمک به فرد آسیب دیده یا بیمار برای بازگشت به زندگی عادی در یک دوره نامناسب از زمان استایمپلنت های قابل قبول بالینی معمولا باید دارای ویژگی های خاصی مانند اتکاء استخوانی، مقاومت در برابر خوردگی، سازگاری مکانیکی و فیزیکی، آسان ساخت،و ثبات در هنگام انجام روش های استریلیزه و همچنین باید مقرون به صرفه باشد.

عفونت یکی از عوامل اصلی شکست ایمپلنت های ارتوپدی یا دندانپزشکی است که پیامدهای عمده ای بر روی بیماران فردی دارد و اغلب نیاز به جراحی تجدید نظر دارد.برداشتن یا جایگزینی ایمپلنتبنابراین، به طور کلی، عفونت های مربوط به ایمپلنت ها بسیار گران هستند و گاهی اوقات می توانند برای بیمار تهدید کننده زندگی باشند [9,10].تشکیل بیوفلیم روی سطح ایمپلنت نقش مهمی در ایجاد عفونت های مکرر دارد و به توپوگرافی سطح و شیمی سطح ایمپلنت حساس است.تشکیل بیوفلیم روی سطح ایمپلنت نقش مهمی در ایجاد عفونت های مکرر دارد و به توپوگرافی سطح و شیمی سطح ایمپلنت حساس است.

آلیاژ های تیتانیوم (Ti) نوع بتا (β) برای مدت طولانی در زمینه علوم مواد به دلیل قدرت استثنایی، قابلیت شکل گیری و مقاومت در برابر محیط های خشن مورد ستایش قرار گرفته اند.خواص برجسته آنها را انتخاب ایده آل برای طیف وسیعی از کاربردهای، از قطعات هوافضا تا ایمپلنت های زیست پزشکی. به ویژه، آلیاژ های Ti نوع β به طور فزاینده ای در ایمپلنت ها و پروتزها مانند جایگزینی مفاصل و استنت ها استفاده می شوند.به دلیل سازگاری زیستی عالی آنهابا این حال، علیرغم این مزایا، یک چالش به وجود آمده است: در شرایط خاص، این آلیاژ ها می توانند فاز شکننده امگا را ایجاد کنند، که یکپارچگی ساختاری آنها را به خطر می اندازد.

پیشرفت های اخیر نشان داده است که اضافه کردن قلع (Sn) به آلیاژ های Ti نوع β می تواند به طور قابل توجهی قدرت و ثبات آنها را با کاهش تشکیل این فاز امگا مشکل ساز بهبود بخشد.در حالی که ثابت شده که اضافه کردن قلع مفید است، مکانیسم های دقیق پشت این بهبود موضوعی برای توطئه و مطالعه باقی مانده است. New research led by Norihiko Okamoto and Tetsu Ichitsubo from Tohoku University's Institute for Materials Research (IMR) has provided critical insights into how tin enhances the performance of β-type Ti alloys، روشن کردن یک تعامل پیچیده از عناصر است که به این پدیده کمک می کند.

چالش مرحله امگا

آلیاژ های تیتانیوم نوع بتا به خاطر خواص مکانیکی قوی و مقاومت در برابر خوردگی شناخته می شوند. آنها عمدتا از تیتانیوم همراه با عناصر مانند وانادیوم، مولیبدنوم،و کرومعلیرغم این مزایا، آلیاژ های Ti نوع β می توانند تحت شرایط خاصی از یک تحول فازی رنج ببرند، که منجر به تشکیل یک فاز شکننده امگا می شود.این تحول معمولا در دمای بالا یا در طول درمان های حرارتی خاص رخ می دهد، که در نتیجه یک ماده است که مستعد شکستگی و شکست است.

فاز امگا نامطلوب است چون قدرت و سختی آلیاژ را به خطر می اندازد.محققان روش های مختلفی را برای تثبیت آلیاژ های Ti نوع β و جلوگیری از تشکیل فاز امگا کشف کرده اندیکی از راه حل های امیدوار کننده اضافه کردن قلع است که پتانسیل قابل توجهی در بهبود خواص مکانیکی آلیاژ نشان داده است.

نقش قلع در تقویت آلیاژ های Ti نوع β

اضافه کردن قلع به آلیاژ های Ti نوع β برای بهبود قدرت و مقاومت آنها در برابر تشکیل فاز امگا شناخته شده است.مکانیسم های دقیق که از طریق آن قلع این اثرات را به دست می آورد تا به تازگی به طور کامل درک نشده بوداینجا جایی است که تحقیقات تحت رهبری اوکاموتو و ایچیتسوبو وارد بازی می شود.

مطالعه آنها بر روی آلایندهای مدل تیتانیوم-وانادیوم (Ti-V) متمرکز بود، یک سیستم نماینده برای درک رفتار آلایندهای Ti نوع β.با ترکیب تکنیک های تجربی با تحلیل های نظری، تیم تحقیقاتی قادر به تجزیه و تحلیل تعاملات بین تیتانیوم، واندیم و قلع در سطح میکروسکوپی بود.

طبق گفته ایچیتسوبو، "یافته های ما نشان می دهد که تعامل چند عنصری بین Ti، V و Sn، همراه با اثر لنگرگذاری اتم های Sn،برای سرکوب کامل تشکیل فاز امگا مضر با هم کار کنید، که نمونه ای از به اصطلاح اثر کوکتل است".

درک اثر کوکتل

The term "cocktail effect" in metallurgy refers to the phenomenon where mixing multiple elements in a well-balanced ratio produces superior material properties that go beyond what would be expected from the individual components aloneاین اثر شبیه به ایجاد یک کوکتل لذت بخش با مخلوط کردن مواد مختلف در نسبت های مناسب برای دستیابی به یک نتیجه هماهنگ و بهبود یافته است.

در مورد آلیاژ های Ti نوع β، اثر کوکتل از طریق تعاملات همبستگی بین تیتانیوم، وانادیوم و قلع رخ می دهد.اتم های قلع نقش مهمی در تثبیت ساختار آلیاژ دارندآنها به عنوان "منقر" در داخل ماتریس آلیاژ عمل می کنند و از تشکیل فاز شکننده امگا جلوگیری می کنند.این ثبات از طریق ترکیبی از تقویت محلول جامد و تغییر تعادل فاز آلیاژ به دست می آید..

با ترکیب قلع در آلیاژ Ti نوع β، گروه تحقیقاتی دریافتند که مقاومت آلیاژ در برابر تحولات فازی به طور قابل توجهی بهبود یافته است.حضور قلع باعث اختلال در شکل گیری فاز امگا می شود، تضمین می کند که آلیاژ حتی در شرایط چالش برانگیز، خواص مکانیکی مطلوب خود را حفظ کند.

پیامدهای آن برای کاربردهای زیست پزشکی

بینش های حاصل از این تحقیق مفاهیم مهمی برای زمینه ایمپلنت های بیولوژیکی و پروتز دارد.قدرت و ثبات بهبود یافته آلیاژ های Ti نوع β با افزودن قلع مناسب بودن آنها را برای استفاده در کاربردهای مختلف پزشکی افزایش می دهدبه عنوان مثال، جایگزینی مفاصل، ایمپلنت های دندانی و استنت های ساخته شده از این آلیاژ های تقویت شده احتمالا طول عمر و قابلیت اطمینان بیشتری را نشان می دهند.به نفع بیمارانی که به این دستگاه ها برای بهبود کیفیت زندگی متکی هستند.

علاوه بر این، درک اثر کوکتل می تواند به توسعه سایر مواد پیشرفته کمک کند.محققان می توانند خواص آلیاژ ها را برای برآورده کردن نیازهای خاص سفارشی کنند، که منجر به نوآوری در علوم مواد و مهندسی می شود.

مسیرهای آینده

در حالی که تحقیقات انجام شده توسط اوکاموتو و ایچیتسوبو یک جهش قابل توجهی در درک نقش قلع در آلیاژ های Ti نوع β ارائه می دهد، هنوز چیزهای زیادی برای کشف باقی مانده است.مطالعات آینده ممکن است بر بهینه سازی بیشتر ترکیب این آلیاژ ها و بررسی اثرات سایر عناصر که می توانند به افزایش خواص آنها کمک کنند، تمرکز کنند.

علاوه بر اين، researchers may explore the long-term performance of tin-enhanced β-type Ti alloys in real-world applications to ensure that the improvements observed in laboratory conditions translate effectively to practical useدرک نحوه عملکرد این آلیاژ ها در شرایط فیزیولوژیکی مختلف برای اجرای موفقیت آمیز آنها در دستگاه های پزشکی بسیار مهم خواهد بود.

کشف این که قلع مقاومت آلیاژ های تیتانیوم نوع β را با سرکوب تشکیل فاز امگا شکننده افزایش می دهد، پیشرفت قابل توجهی در علم مواد است.با روشن کردن مکانیسم های پشت این اثر و نشان دادن اثر کوکتل در عمل، محققان راه های جدیدی را برای بهبود عملکرد کاشت های زیستی و پروتز باز کرده اند.

همانطور که این زمینه همچنان در حال تکامل است، بینش حاصل از این تحقیق بدون شک به توسعه مواد با دوام و قابل اعتماد برای کاربردهای پزشکی کمک خواهد کرد.که در نهایت به نفع بیماران و پیشرفت تکنولوژی پزشکی است..