Sự Kì Diệu Của Hợp Kim Titan

Có lẽ hầu hết mọi người đều tò mò. Kim loại có mặt khắp nơi trên đường phố, vậy tại sao hợp kim titan lại phù hợp với cơ thể con người? Tại sao nó không bị gỉ sét, mục nát như các kim loại khác và không bị cơ thể đào thải?

Mô tả Sự Kì Diệu Của Hợp Kim Titan

Câu chuyện bắt đầu vào những năm 1940, khi các nhà khoa học Bothe và đồng nghiệp lần đầu tiên cấy titan vào chuột và phát hiện chúng vẫn sống và hoạt động bình thường, kể từ đó, kim loại màu xám bạc này bắt đầu hành trình huyền thoại của mình, khả năng của hợp kim titan có thể được mô tả đơn giản là “một gã cứng rắn nhưng lại mềm yếu”, với mật độ 4,51g/cm³, nó chỉ nặng gần một nửa so với thép thông thường, nhưng lại sở hữu độ bền vượt trội, các hợp kim titan cấp hàng không như TC4 có độ bền kéo vượt quá 900MPa, khiến chúng bền hơn nhiều loại hợp kim thép khác.

Từ cánh quạt quay vù vù trong động cơ máy bay, chịu áp suất cực lớn và nhiệt độ cao, đến ngâm trong nước biển hàng thập kỷ mà vẫn nổi lên sạch bong kin kít, đó là lý do tại sao hợp kim titan là vật liệu phổ biến cho vỏ tàu ngầm và tàu thăm dò biển sâu.

Nhưng chỉ những khả năng này thôi thì chưa đủ để xâm nhập vào cơ thể con người, môi trường sống của con người phức tạp hơn nhiều so với nước biển, với độ pH dao động mạnh và vô số ion, vô số anh hùng kim loại đã ngã xuống nơi đây, hoặc bị ăn mòn, hoặc bị hệ miễn dịch tấn công như những kẻ xâm lược, thành công liên tục của titan hoàn toàn nhờ vào tính vô hình của nó.

Hợp kim titan trải qua quá trình xử lý thụ động hóa tại nhà máy, tạo ra một lớp màng oxit titan nano trên bề mặt, ổn định hơn sau khi đi vào cơ thể người, lớp màng này, chỉ dày bằng một phần trăm nghìn sợi tóc người, bảo vệ kim loại như một chiếc chuông vàng.

Dù ion clorua trong dịch cơ thể có tăng đột biến đến đâu, nó vẫn không hề bị ảnh hưởng, trong điều kiện sinh lý, màng này mang điện tích âm yếu, tương tự như đặc tính điện của bề mặt tế bào, điều này giúp các protein trong cơ thể nhận biết và không gây ra báo động.

Các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi điện tử để phát hiện ra rằng thực sự có một lớp proteoglycan giữa xương và hợp kim titan cấy ghép, nhưng lớp này không ngăn cản chúng tiếp xúc gần, hợp kim titan có mô đun đàn hồi từ 40 đến 114 GPa, tương đương với xương người (20 đến 30 GPa), nó giống như bắt tay vậy – lực ép vừa phải, không đau cũng không mềm nhũn.

Mô đun đàn hồi của thép không gỉ có thể đạt tới 200GPa, cứng hơn xương gấp sáu hoặc bảy lần, khi chịu lực, nó thay thế xương để chịu lực, theo thời gian, xương sẽ “nằm phẳng và thoái hóa”, hợp kim Ti-6Al-4V (tên mã TC4), vốn được các bác sĩ ưa chuộng trước đây, thực sự đã gặp một số vấn đề, trong các ca phẫu thuật chỉnh sửa, người ta phát hiện ra rằng các ion vanadi và nhôm trong hợp kim này có thể bị rò rỉ ra ngoài, mặc dù không nghiêm trọng đến mức gây tổn thương não trực tiếp, nhưng sự tích tụ lâu dài của các ion này vẫn là một vấn đề đáng lo ngại.

Vào những năm 1990, các nhà khoa học đã nhanh chóng phát triển các giải pháp thay thế, chẳng hạn như Ti6Al7Nb (sử dụng niobi không độc hại thay vì vanadi) được phát triển ở Thụy Sĩ và Đức, Trung Quốc cũng không chịu thua kém khi phát triển hợp kim titan y tế Ti3Al2Mo2Zr vào năm 1999, một thành tựu tiên tiến trên toàn thế giới.

Hợp kim titan ngày nay khá đa dạng, thậm chí còn có một loại “viên tổ ong” được thiết kế riêng cho xương: hợp kim titan xốp, Bằng cách kiểm soát quá trình hình thành lỗ rỗng, các nhà khoa học đã tạo ra một “miếng bọt biển kim loại” với độ xốp từ 50%-80%, với các lỗ rỗng mỏng hơn cả sợi tóc người (150-500 micron).

Các tế bào xương rất thích cấu trúc này và ngay lập tức đào sâu vào đó để phát triển, Xương mới sau đó phát triển mạnh mẽ bên trong các lỗ rỗng của kim loại, đạt được “sự tích hợp xương” thực sự, Năm 2019, một bệnh viện đã sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra cấy ghép nha khoa bằng hợp kim titan, Bằng cách ngâm vật liệu mới trong dịch tế bào, các nguyên bào xương không những không bị héo mà còn phát triển mạnh mẽ.

Trước đây, việc gia công các chi tiết hợp kim titan có thể khiến thợ thủ công lành nghề phải đau đầu, Chúng không chỉ cực kỳ cứng mà còn có độ đàn hồi rất cao, nghĩa là chúng sẽ đàn hồi trở lại sau khi được ép thành hình, Giờ đây, với công nghệ tiên tiến, in 3D có thể tạo ra các khung xương vừa vặn tùy chỉnh trực tiếp từ ảnh chụp CT.

Năm 2020, tàu “Fendouzhe” của nước tôi đã lặn xuống Rãnh Mariana, Thân tàu bằng hợp kim titan chịu được áp suất 110 MPa, tương đương với áp suất của hai con voi ngồi xổm trong một không gian chỉ bằng một móng tay.

Xử lý bề mặt cũng đã trở nên tinh vi hơn, Hợp kim titan có thể được phủ một lớp “áo giáp” titan nitride để tăng độ cứng; hoặc gốm sinh học có thể được áp dụng bằng cách phun plasma để đánh lừa các tế bào xương nghĩ rằng chúng đã về đến nhà và bắt đầu phát triển nhanh chóng.

Mặc dù có hiệu suất ấn tượng, hợp kim titan vẫn có những điểm yếu, Lớp màng thụ động hóa của chúng có thể bị phá hủy trong môi trường nhiệt độ thấp, áp suất cao dưới đáy biển sâu, và các mối hàn có thể bị lỏng lẻo sau thời gian dài sử dụng, Các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Kim loại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc hiện đang nghiên cứu vấn đề này, đặt mục tiêu phát triển hợp kim titan chứa zirconi vào năm 2022 với mô đun đàn hồi 62 GPa, tương đương với xương người.

Một nhóm khác đang phát triển hợp kim titan kháng khuẩn chứa 10% đồng, Mặc dù kết quả trong phòng thí nghiệm rất hứa hẹn, nhưng việc ứng dụng lâm sàng vẫn còn nhiều thách thức, Kim loại màu xám bạc này là thành quả của tám mươi năm sáng tạo và làm việc miệt mài của các nhà khoa học vật liệu, Từ động cơ máy bay đến cấy ghép nha khoa, từ biển sâu đến mạch máu người, hợp kim titan đang tạo nên những điều kỳ diệu ở những nơi chúng ta thường bỏ qua.

Kết Luận Sự Kì Diệu Của Hợp Kim Titan

Với những đột phá trong công nghệ in 3D và công nghệ di truyền, các khớp xương tùy chỉnh có thể được lắp đặt và sử dụng ngay lập tức, cùng với các giao diện điện tử có thể giao tiếp với tín hiệu thần kinh, có thể xuất hiện trong tương lai, những viễn cảnh nghe như khoa học viễn tưởng này đang từng bước trở thành hiện thực với sự tiến bộ của công nghệ hợp kim titan.

Xem thêm các bài viết liên quan Cấy Ghép Xương Titan Vào Cơ Thể

Đến với bài viết kì này hãy cũng Y Tế Chính Hãng tìm hiểu Cấy Ghép Xương Titan Vào Cơ Thể là như thế nào nhé!