تی-آی۶ای‌ال-۷ان‌بی
کاربردها

با پیشرفت تکنولوژی، هر روزه تقاضا برای مواد فلزی با خواص مطلوب در دستگاه‌های پزشکی و دندانپزشکی به‌طور مداوم افزایش می یابد. در زمینه‌ی پزشکی، علاوه بر تاکید بر روی خواص مکانیکی و استحکام مناسب، خوردگی ایمپلنت‌های فلزی نیز بسیار مهم تلقی می‌شود، زیرا این موضوع می‌تواند بر زیست سازگاری و یکپارچگی مکانیکی ایمپلنت تأثیر منفی بگذارد. غلظت زیاد کاتیون‌های فلزی حاصل از پروتز می‌تواند منجر به ایجاد واکنش‌های نامطلوب بیولوژیکی شده و این امر ممکن است منجر به شکست مکانیکی ایمپلنت در درون بدن انسان شود. در سال‌های اخیر، آلیاژهای زیست‌سازگار با تأکید زیادی بر رفتار خوردگی، خواص سطحی و زیست‌سازگاری در ایمپلنت‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. در این بین، تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل مقاومت مکانیکی و خوردگی بسیار خوب و زیست‌سازگاری عالی، از دیرباز به عنوان مواد کاشت (ایمپلنت) مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در ابتدا، بیشترین استفاده در کاربردهای زیستی مربوط به تیتانیوم خالص تجاری (CP-Ti) بود. با این حال این آلیاژ دارای معایبی از جمله استحکام کم، مشکل در پرداخت سطح و مقاومت ضعیف در برابر سایش است که همین موضوع استفاده از تیتانیوم خالص را برای کاربردهای تحت تنش مثل پروتزهای فک انسان محدود می‌کند. بدین ترتیب محققان روی به استفاده از آلیاژ معروف Ti-6Al-4V به عنوان جایگزینی برای تیتانیوم خالص آوردند. Ti-6Al-4V پراستفاده‌ترین آلیاژ تیتانیوم است که به صورت گسترده از آن در صنعت هوافضا استفاده می‌شود. این آلیاژ با ساختار (α+β) اولین آلیاژ تیتانیوم بود که به عنوان ماده ایمپلنت در استانداردهای ASTM ثبت شد.
با این حال اگرچه در گذشته از آلیاژ Ti-6Al-4V به‌طور گسترده در پزشکی نیز استفاده شده‌است، اما خواص این آلیاژ باید با خواص استخوان و سایر شرایط بیومکانیکی تطبیق داده شود. ضمن اینکه بر اساس مشاهدات بالینی، اخیرا تعامل نامطلوب عناصر آلومینیوم و وانادیم با بدن انسان کشف شده است. وانادیم باعث واکنش‌های سیتوتوکسیک و در نتیجه اختلالات نوروژنیک می‌شود، در حالی که آلومینیوم بر نرم شدن استخوان‌ها تأثیر می‌گذارد، به سلول‌های عصبی آسیب رسانده و ممکن است باعث بیماری‌های مغزی و عروقی شود. از این رو، فردی به نام سملیچ با تیم تحقیقاتی خود آلیاژهای تیتانیومی دارای عناصری به جز وانادیم را به تفصیل مورد مطالعه قرار دادند، که در نتیجه‌ی کار آنها وانادیوم از آلیاژ حذف شد و با نیوبیم و تانتالیوم جایگزین گردید. سملیچ متوجه شد که آلیاژ به دست آمده، علاوه بر داشتن خواص خوردگی بهتر نسبت به Ti-6Al-4V، خواص مکانیکی مطلوبتری را برای استفاده در ایمپلنت‌های پزشکی از خود نشان می‌دهد. اگرچه استحکام کششی Ti-6Al-7Nb کمی پایین‌تر از Ti-6Al-4V است، اما در تست کشش این آلیاژ حدود 40 درصد تغییر شکل بیشتری را از خود نشان می‌دهد. علاوه بر این، Ti-6Al-7Nb در مجاورت محیط‌های اسیدی مقدار یون تیتانیوم کمتری را در مقایسه با Ti-6Al-4V آزاد می‌نماید.
تفاوت اصلی آلیاژ Ti-6Al-7Nb با Ti-6Al-4V حذف وانادیوم و جایگزینی آن با نیوبیم می‌باشد. این عنصر و اکسیدهای آن از جمله Nb2O3 از گروه ترکیبات بی‌اثر نسبت به جسم انسان هستند. علاوه بر این، به دلیل واکنش پذیری بیشتر، ترکیبات Nb با O2 راحت تر از ترکیبات Al با O2 تشکیل می شوند. اکسیدهای Nb در طی فرایند غیرفعال سازی، ساختار فشرده‌ای از لایه سطحی را تشکیل می‌دهند که در برابر خوردگی در محیط بافت‌ها و مایعات بدن مقاوم‌تر است و در نتیجه عوارض پس از کاشت را کاهش می‌دهد. اما علیرغم مقاومت به خوردگی بالا، Ti-6Al-7Nb در مقابل سایش ضعیفتر از Ti-6Al-4V می‌باشد، بنابراین آلیاژهای Ti-6Al-7Nb برای استفاده در بدن انسان نیاز به طی مراحل آماده‌سازی سطحی مختلفی دارند. به‌طور کلی، امروزه از Ti-6Al-7Nb به‌طور گسترده‌ای در علم پزشکی و جایگزینی اعضای بدن با ایمپلنت‌های مصنوعی مانند: بافت سخت استخوان شکسته شده، مفاصل مصنوعی ران، مفاصل مصنوعی زانو، صفحات استخوانی، پیچ‌های تثبیت شکستگی، پروتزهای دریچه قلب، ضربان سازها، قلب مصنوعی، ایمپلنت دندان، وسایل و کاربردهای دندانپزشکی و مواد هواپیما استفاده می‌شود.
مدل لگن سه‌بعدی، ساخته شده با پرینت 3بعدی از آلیاژ Ti6Al7Nb
تصویر میکروسکوپی ریزساختار Ti6Al7Nb (سمت چپ) در مقایسه با Ti6Al4V (سمت راست)