당신의 발전

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4349(2023) 이 기사 인용

689 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

단일 축 무릎 보철물은 보조 장치 없이도 절단 환자에게 동작을 제공하는 인공 생체 역학 장치입니다. 주로 금속재료로 구성되어 있을 뿐만 아니라, 현재의 상용재료는 장기간 사용하기에 적합한 특성이나 가격에 접근할 수 있는 특성을 갖추지 못했습니다. 이 연구는 단일 축 무릎 보철물로 잠재적으로 사용하기 위한 Ti-(10 -x)Al-xV(x = 0, 2 및 4 중량%) 합금을 생산하고 특성화했습니다. 샘플은 미세 규모에서 합금 원소의 적절한 화학적 혼합으로 밀도 값이 점진적으로 감소하는 것으로 나타났습니다. 상 조성은 Ti-8Al-2V 및 Ti-6Al-4V 샘플에 대해 작은 α' + β 상과 함께 기본 α 상을 나타냈습니다. Ti와 비교하여 원자 반경이 다르기 때문에 합금 원소를 추가하면 셀 매개변수가 변경되었습니다. 선택한 기계적 특성(영률, 비커스 미세 경도 및 감쇠 계수)은 CP-Ti 등급 4보다 더 나은 값을 나타냈습니다. 또한 샘플은 시뮬레이션된 해양 솔루션에 대해 우수한 부식 특성을 나타냈습니다. 샘플의 마찰 부식 저항성은 기준 재료보다 우수했으며, 마모 트랙은 접착제 및 연마 마모로 인한 일부 마찰층과 홈으로 구성되었습니다. Ti-10Al 합금은 단일 축 무릎 보철물로 사용하기에 가장 좋은 특성과 저렴한 비용을 나타냈습니다.

무릎 보철물은 다리 절단 환자가 사용하는 생체 역학적 장치로 보조 장치 없이 걷기, 조깅, 서기 등의 회복을 위한 효율적인 방법입니다. 다리 절단은 부상(교통 또는 작업장 사고) 또는 사지의 외과적 제거가 필요한 질병(만성 또는 연령 관련)으로 인해 발생합니다1. 인공 무릎은 기계식이거나 컴퓨터식일 수 있으며, 환자에게는 첫 번째 무릎이 더 저렴하게 선택됩니다. 기계식 슬관절 보철물 역시 회전축의 수에 따라 단일축, 다축, 다축으로 구분됩니다2. 단일 축은 무릎의 굴곡과 확장만 허용하는 가장 간단한 유형으로, 가난하고 노년층에게 가장 비용 효과적인 옵션입니다2,3. 주요 단점은 안정적인 걷기 및 서기를 유지하는 데 필요한 과도한 근력과 무릎 회전 제어의 어려움으로 인해 보행 패턴에 영향을 미치고 낙상 및 부상의 위험을 초래할 수 있다는 점입니다4. 현재의 스테인레스 스틸 보철물이 임상적 요구를 충족시키지 못한다는 점을 고려하면, 저가형 Ti 기반 합금의 설계는 과도한 비용 증가 없이 이러한 단점을 잠재적으로 극복할 수 있습니다.

Ti와 그 합금은 유리한 기계적, 부식, 마모 및 생물학적 특성으로 인해 주로 생체 의학 재료로 사용되었습니다. 용도는 주로 정형외과, 심장학, 치의학용 임플란트 및 장치로 구성됩니다5. 합금 원소와 적절한 열-기계적 처리의 조합은 α(육각형 밀집 결정 구조, hcp) 및 β 상(체심 입방 결정 구조, bcc)의 비율을 변경하거나 준안정 상(예: 마르텐사이트 α')을 석출시킬 수 있습니다. 및 Ti 특성에 직접 영향을 미칠 수 있는 α″ 또는 Ω)6. 무독성 합금 원소로 Ti 고용체를 형성하는 것은 현재 인체 뼈와의 영률 불일치로 인한 응력 차폐 효과, 체액 부식으로 인한 고장 및 독성과 관련된 한계를 극복하기 위한 현명한 전략으로 확립되었습니다. 마모 메커니즘으로 인해 방출된 이온과 잔해로 인해 발생합니다7. 그러나 모든 임상 요구 사항을 충족하는 새로운 Ti 기반 재료를 개발하는 것은 여전히 ​​​​어려운 일입니다.

CP-Ti 등급 5라고도 불리는 Ti-6Al-4V 합금은 ASTM F136 표준8으로 지정되었으며 현재 전 세계적으로 가장 인기 있는 Ti 합금입니다. 이 소재는 경량, 고강도, 탁월한 파괴인성, 이중 α + β 상 구성으로 인한 우수한 내식성으로 인해 항공기 및 공역의 구조 부품 용도로 1950년대에 개발되었습니다. 1970년대에 이 재료는 특히 정형외과용 임플란트 제조에 생체 재료로 사용되기 시작했습니다. 그러나 유해하고 독성이 있는 Al 및 V 이온의 이온 방출에 대한 일부 우려는 여전히 의학계에 경고하고 있습니다9,10. 이러한 상황에서 이러한 단점을 극복하고 새로운 응용을 공개하기 위한 몇 가지 전략은 Ti-Al-V-X(X = Fe, Zr 및 Mo) 합금과 같은 합금 원소를 추가하는 것을 기반으로 합니다. 그러나 현재 연구는 현장의 광범위한 요구에도 불구하고 외부 보철물을 고려하지 않고 생체의학 임플란트에 Ti 합금의 잠재적 응용에만 초점을 맞췄습니다.