Hợp kim titan bền đến mức nào?
Trong số rất nhiều kim loại, tại sao nó lại gần gũi với xương người đến vậy? Hãy tìm hiểu bài viết dưới đây nhé!
Mô Tả Hợp Kim Titan Bền Đến Mức Nào?
Hợp kim titan được mệnh danh là “anh hùng kim loại” của y học, tích hợp liền mạch với bộ xương người, chống ăn mòn và dị ứng, lớp màng titan dioxide trơ của nó không thể phá hủy, với mô đun đàn hồi gần giống với xương người, ngăn ngừa sự che chắn ứng suất, các nhà khoa học cũng đã cải tiến công thức và công nghệ xử lý bề mặt để làm cho nó an toàn hơn và mô phỏng sinh học hơn, dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi trong khớp, răng và stent tim.
Bạn có biết có một loại kim loại có thể trở thành “người anh em” thực sự của xương, thậm chí tồn tại trong cơ thể bạn suốt đời mà không cần phải lo lắng? Đó chính là hợp kim titan, “kim loại ưa sinh học” của y học và “vệ sĩ vô hình” của phẫu thuật chỉnh hình.
Hãy tưởng tượng “anh hùng kim loại” này ẩn mình trong khớp hông, răng và thậm chí cả hộp sọ của bạn, nhưng nó không bị gỉ sét, không gây dị ứng và tích hợp liền mạch với xương của bạn.
Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là “kỹ năng xã hội” của nó vượt trội hơn hẳn các kim loại khác, khiến nó trở nên không thể thiếu ngay cả đối với van tim và stent mạch máu. Hôm nay, chúng ta hãy cùng tìm hiểu lý do tại sao hợp kim titan lại phổ biến trong cơ thể con người.
Câu chuyện về sự phổ biến của hợp kim titan bắt đầu từ một sự kiện bất ngờ, vào những năm 1940, các nhà khoa học Bothe, Beaton và Davenport, trong khi tiến hành các thí nghiệm trên động vật với titan nguyên chất, đã bất ngờ phát hiện ra rằng nó không bị ăn mòn hay gây viêm trong mô sống, thậm chí còn bỏ qua hệ thống miễn dịch.
Khám phá này đã hoàn toàn đảo lộn hiểu biết của cộng đồng y khoa, trước đây, cấy ghép bằng thép không gỉ thường bị nhiễm trùng, mặc dù hợp kim coban-crom có khả năng chống mài mòn, nhưng các ion kim loại của chúng có thể thấm vào cơ thể qua dịch cơ thể, gây ngộ độc và chóng mặt, khi xuất hiện, hợp kim titan giống như “ba học trò giỏi” của thế giới kim loại, sống sót qua cuộc vây hãm bằng kỹ năng tuyệt vời của mình.
Bí mật của hợp kim titan nằm ở “lớp phủ bảo vệ” của chúng, tất cả các kim loại titan tự động tạo thành một lớp màng trơ titan dioxide (TiO₂), lớp màng này, chỉ dày bằng một phần nghìn sợi tóc người, có thể chịu được sự tấn công của axit và kiềm từ cơ thể người như một pháo đài, vậy thì lớp màng này bền vững đến mức nào? Ngay cả khi ngâm nó trong axit clohydric đậm đặc cũng phải mất hàng giờ mới bị ăn mòn, chứ đừng nói đến tính axit yếu hơn của dịch cơ thể người, uống cola có thể làm mòn răng, nhưng chân răng hợp kim titan vẫn cứng như đá, nhờ lớp phủ không thể phá hủy này.
Nhưng chỉ riêng khả năng chống ăn mòn thôi là chưa đủ, điều thực sự khiến các bác sĩ kinh ngạc chính là “siêu năng lực biến đổi” của titan. trong khi kim loại thông thường hoặc quá cứng (như thép không gỉ) hoặc quá giòn (như hợp kim magiê), hợp kim titan có thể ngụy trang thành “người anh em song sinh” của xương, mô đun đàn hồi của nó (khoảng 110 GPa) vẫn thấp hơn mô đun đàn hồi của xương người (10 đến 30 GPa), nhưng lại dễ kiểm soát hơn nhiều so với mô đun đàn hồi 200 GPa của thép không gỉ.
Vấn đề này đã thúc đẩy các nhà khoa học tổ chức các cuộc họp qua đêm, cuối cùng thay thế các thành phần độc hại bằng niobi (Nb) và tantali (Ta) không độc hại, tạo ra các phiên bản cải tiến như Ti-6Al-7Nb.
Các hợp kim titan loại β mới, chẳng hạn như Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr, thậm chí còn ấn tượng hơn, mô đun đàn hồi của chúng giảm xuống còn 49 GPa, khiến chúng gần như “đồng bộ” với xương, xử lý bề mặt cũng có thể tạo ra một lớp apatit mô phỏng sinh học, đánh lừa tế bào người nghĩ rằng đó là xương của chính chúng.
Sức mạnh thực sự của hợp kim titan nằm ở lớp hoàn thiện bề mặt, các nhà khoa học đã thiết kế nhiều loại “lớp da” cho chúng: một số được phun cát và khắc axit để tạo ra kết cấu mờ, tạo điều kiện cho tế bào bám dính, một số sử dụng phương pháp phun plasma để phủ hydroxyapatite, trực tiếp mô phỏng mô xương, các phương pháp tiên tiến hơn thậm chí còn ghép collagen hoặc peptide kháng khuẩn lên bề mặt, thúc đẩy sự phát triển của tế bào tạo xương và loại bỏ hiệu quả tụ cầu vàng.
Kết luận Hợp Kim Titan Bền Đến Mức Nào?
Gần đây, một nhóm nghiên cứu đã phát triển một “màng lượng tử” bằng cách điều chỉnh cấu trúc điện tử của titan dioxide để tạo ra một lớp phủ kháng khuẩn quang xúc tác có khả năng tiêu diệt vi khuẩn ngay cả khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời vào ban ngày.
Trong lĩnh vực y tế, hợp kim titan đã khẳng định vị thế là một vật liệu chủ chốt, từ mặt dán sứ tại các phòng khám nha khoa đến khớp nhân tạo trong phòng phẫu thuật và stent tim trong các khoa chăm sóc đặc biệt, nó hiện diện ở khắp mọi nơi.
Sự phổ biến của hợp kim titan không phải là một món quà từ thiên đường; đó là kết quả của sự đổi mới không ngừng nghỉ của các nhà khoa học, từ khám phá tình cờ ban đầu cho đến việc cải tiến bề mặt ở cấp độ nano ngày nay, mỗi bước đi đều minh chứng cho sự khéo léo trong cuộc đấu tranh của con người với vật liệu.
Nếu không có sự trợ giúp của hợp kim titan, quá trình tự phục hồi của cơ thể con người sẽ vẫn còn khó khăn trong nhiều thập kỷ.
Xem thêm các bài viết liên quan Điều Kiện Để Hợp Kim Titan Tích Hợp Xương Là Gì?
Khi cấy ghép implant hợp kim titan vào xương, chúng ta đều biết rằng cần một khoảng thời gian nhất định (6 đến 12 tuần) để quá trình tích hợp xương hoàn toàn diễn ra và xương bám dính vào implant, hôm nay, chúng ta sẽ xem xét cách đạt được tỷ lệ sống sót cao của implant, đặc biệt là trong các trường hợp phục hình tức thì, chúng ta sẽ thảo luận về sự ổn định ban đầu là gì và nó phụ thuộc phần lớn vào sức khỏe xương của bệnh nhân như thế nào.
