의학에서의 티타늄 사용

관련성

의료진은 티타늄이 살아있는 조직에 대해 불활성이며, 부식 저항성, 높은 기계적 성능, 접근성 및 내마모성을 겸비하고 있다는 점에 매료됩니다. 이러한 장점들 덕분에 티타늄에 대한 적극적인 관심이 생기고 수많은 임상시험이 진행되고 있습니다.

부식 저항성

이 측면에서 티타늄은 금에 뒤지지 않습니다. 티타늄은 알칼리 및 산 용액에서도 견고합니다. 해수와 화학적으로 유사한 림프에서는 티타늄의 부식 속도가 연간 0.2mm(천년에 0.02mm)입니다. 티타늄 합금은 과산화수소, 포름알데히드, 휘발유 등에 안정합니다. 티타늄은 여러 번의 끓임 및 오토클레이브 처리, 3%의 클로라민 용액, 96도 에탄올 및 클로라이드 수은 용액에 몇 달 동안 담갔을 때도 부식되지 않았습니다. 티타늄 합금은 며칠간 10% 알코올 요오드 용액에 담갔을 때만 국부 부식이 발견되었습니다.

강도

티타늄과 그 합금의 또 다른 긍정적인 특성은 지속적인 하중 변동에 대한 높은 피로 강도입니다. 이는 뼈 내부 고정장치 및 내부 및 외부 보철물을 제작할 때 특히 중요합니다. 이러한 보철물은 지속적으로 변화하는 하중에 노출되기 때문입니다.

가공

순수 티타늄은 비교적 유연하여 연마, 드릴링, 밀링 및 절단 등 모든 종류의 기계적 가공이 가능합니다. 또한 티타늄은 비자성 물질입니다. 이는 매우 가치 있는 특성으로, 티타늄 구조물이 신체에 있는 환자에게 물리치료를 적용할 수 있게 해줍니다. 이러한 모든 특성 덕분에 이 금속은 의료 분야에서 매우 유망합니다.

생물학적 불활성

오랜 연구 끝에 얻은 가장 중요한 결론은 티타늄이 생물학적 매체에 대해 불활성 금속이라는 것입니다. 티타늄 구조물은 인체에 잘 적응하며 근육 및 뼈 조직으로 결합됩니다. 티타늄은 신체 내부에서 부식되지 않으며, 주변 조직의 구조는 오랜 기간 동안 변하지 않습니다. 화학적 불활성 측면에서 티타늄은 모든 스테인리스 강 및 널리 사용되는 코발트 기반 합금(‘바이탈리움’)을 뛰어넘습니다. 아울러, 기술적으로 순수한 티타늄에는 다른 의료용 합금보다 불순물이 훨씬 적습니다.

보철

티타늄의 의료 장비 사용 가능성은 전소련 외과 기기 및 도구 연구소에서 특히 철저히 연구되었습니다. 최근에는 티타늄 연구소와 여러 의료 단체의 전문가들이 연구에 참여하였습니다. 처음으로 티타늄 합금은 안구 보철물 제작 시 외과에 사용되었습니다. 금속을 찾는 긴 시간 끝에 전문가들은 VT5 티타늄 합금으로 눈을 돌렸습니다. 결과로 만든 보철물은 스테인리스 X18N9T의 유사 제품보다 두 배 더 가벼웠습니다(직경 20mm 기준, 스테인리스 보철물은 3.2g, 티타늄 보철물은 1.6g). 장기간의 임상 관찰과 독성 연구들은 제품의 생물학적 불활성을 입증했습니다. 안구 티타늄 보철물 제조 작업이 성공적으로 완료된 후, 이 금속은 다른 보철물 구성에서도 사용되기 시작했으며, 특히 작업 부하를 지탱하는 부품에서 사용되었습니다.

외과 도구

현재, 임상 기관에서는 200종 이상의 다양한 외과 기구가 사용되고 있습니다. 이들의 시험은 모스크바 헬름홀츠 안과 연구소, A. 비슈네프스키 외과 연구소, 자포로제 의사 연수 연구소, 중앙 의사 연수 연구소의 이비인후과 클리닉에서 진행되었습니다. 모든 도구는 전문가들로부터 긍정적인 평가를 받았습니다. 넓은 작업 면적을 가진 도구, 즉 플레이트 훅, 거울, 상처 확장기는 작동 부하를 많이 받지 않기 때문에 단면을 30% 줄여 제품의 무게를 50% 줄였습니다.

관련성

티타늄 합금 도구는 생물학적 불활성, 높은 부식 저항성, 강도 및 유연성 등หลาย 가지 장점을 지니고 있습니다. 설계자들은 이러한 도구들이 스테인리스 강에서 만든 것보다 뛰어나도록 만들어야 했습니다. 핀셋 및 클램프와 같은 티타늄 도구의 기능적 속성을 유지하기 위해 개별 요소의 단면을 10-30% 증가시켰지만 강철 샘플과 비교하여 무게는 30-35% 줄였습니다. 열처리 후 도구의 경도는 HRC35-38입니다.

복합 도구

절단 도구에는 복합 설계를 사용했습니다. 분리 가능한 작업 부분은 해당 강철로 만들고 손잡이는 티타늄 합금으로 만들었습니다. 이러한 제품에는 외과용 갈고리, 교체 가능한 칼날이 있는 메스 및 끌이 포함됩니다. 일체형 도구의 절삭 가장자리는 강철로, 손잡이는 티타늄 합금으로 제작했습니다. 모든 요소는 리벳이나 압력 장착을 통해 연결했습니다 — 막대형 도구, 가위에 사용했습니다.

테스트

티타늄은 높은 경도와 절삭 특성이 없어 외과 도구에서 더 널리 사용되지 못합니다. 따라서 티타늄에 절삭 특성을 부여하고 경도를 높이는 것이 가장 중요한 과제입니다. 현대 산업 강화 방법은 의료 도구에 적용할 수 없어 특별한 요구가 요구됩니다. 게다가 의료 도구 및 기기는 아이오딘, 생리식염수와의 접촉, 끓임에 의한 멸균 등 특별한 조건에서 작동합니다.

처리

소련 과학연구소에서 금속의 경도와 내마모성을 증가시키고 마찰 계수를 줄이기 위해 화학-열 및 열처리(즉, 알파화 및 질화)를 수행했습니다. 양극 산화를 통해 다양한 색조(자주색, 녹색, 보라색, 금색)의 색상을 얻었습니다. 모든 샘플은 섭씨 180도에서 오토클레이브로 멸균되었습니다. 각 사이클 후 코팅의 색상 변화와 부식 얼룩의 출현을 연구했습니다. 가장 내구성 있고 내식성이 높은 코팅은 금색, 자주색 및 보라색의 산화 필름으로 나타났습니다.

세트

티타늄 의료 도구는 강철 제품보다 20-30% 가벼우며, 더 편리하고 내구성이 있으며 더 나은 내식성을 제공합니다. 소련 과학연구소 직원들은 획득한 정보를 바탕으로 치과, 이비인후과, 일반 외과용 티타늄 합금 도구의 실험용 세트를 개발하고 제작했습니다. 일반 외과 세트에는 혈관 클램프, 편편 집게, 양면 갈고리, V자형 와이어 갈고리, 교체 가능한 칼날이 있는 메스, 간 거울 및 기타 제품이 포함되며 총 27개의 항목(모든 도구의 총 무게는 1.59kg)입니다. 이비인후과용 트레이세트는 스프링이 있는 기관절개 확장기, '리라' 상처 확장기, 귀 집게, 기관절개 갈고리, 귀 깔때기 및 탐폰 집게(총 무게: 235g)로 구성됩니다. 치과용 도구 세트는 중앙 치과 연구소에서 모든 테스트를 통과했습니다.

정형외과

현재는 뼈 수술 시 금속 골 합성을 통한 치료가 주로 사용됩니다. 이 과정에서는 뼈 파편의 안정성을 보장하고 골절의 치유를 돕기 위해 막대를 사용합니다. 그러나 많은 환자들은 나중에 스테인레스 스틸 구조물 사용과 관련된 여러 합병증을 경험하게 됩니다. 금속의 화학적 및 구조적 비균질성으로 인해 고정 장치가 파괴되어 전체 구조가 파손되기도 합니다. 뼈 조직은 부식 생성물에 의해 손상되고, 전도성과 이온화 현상이 관찰됩니다. 철 이온은 신체의 생리적 염분과 반응하여 염증과 급성 통증을 유발할 수 있습니다. 따라서 최고의 스테인레스 스틸도 골 합성에 가장 적합한 재료는 아닙니다.

뼈 고정기

뼈 고정기 제작에 티타늄을 사용함으로써 위에 기술된 합병증을 피할 수 있었으며, 이는 티타늄의 생물학적 중립성 덕분입니다. 따라서 티타늄 구조는 인간 신체에 장기간(또는 영구적으로) 남아 있을 수 있습니다. 특히 노년층에서 골 합성이 행해질 경우, 티타늄을 사용하면 환자를 고정 장치 제거 수술로부터 해방시킬 수 있습니다.

티타늄 구조물

티타늄 덕분에 복잡한 형상의 구조를 관절 주위 골절 치료에 적용할 수 있습니다. 이전에는 제거의 어려움으로 인해 유사한 구조물이 사용되지 않았습니다. 현재의 골 견인 기술에서는 클램프(티타늄 스테이플)를 사용합니다. 소련에서는 Н. К. Митюнин와 Г. М. Фролов(레닌그라드), С. И. Кутновский(노보시비르스크), Г. И. Татеосов(몬체고르스크), Б. С. Гавриленко와 В. В. Волкова(자포리자) 등이 티타늄 구조물을 성공적으로 사용했습니다.

관절 성형술

관절 프로테제 및 다양한 기타 티타늄 구조물을 모스크바 중앙 외상 및 정형 외과 연구소에서 К. М. Сиваша 교수의 지도 하에 성공적으로 개발하고 있습니다. 티타늄은 생물학적 비활성 및 우수한 기계적 속성을 지니고 있어 경쟁 금속보다 유리합니다. 직경 10mm의 티타늄 막대는 직경 14mm의 철 막대만큼의 인장 강도를 가집니다. 티타늄은 구조물의 크기를 유지하면서 강도를 향상하거나 40%의 무게 절감을 통해 강도를 유지할 수 있는 우수한 재료입니다. 따라서 내부 프로테제용으로 티타늄은 최고의 금속으로 남아 있습니다. 고관절 성형술에 티타늄을 사용하는 것이 가장 효과적입니다.

치과

국내 치과에서는 미적 효과를 얻기 위해 티타늄 이산화물이라는 백색 결정질 물질을 사용하여 치아 플라스틱 보철물을 제작합니다. 그러나 치아 보철물에는 티타늄 산화물뿐만 아니라 구조용 티타늄도 사용할 수 있습니다. 티타늄은 생물학적으로 비활성이며 강하고 가벼우며 가공이 잘되는 금속입니다.

스테이플

하드미부의 하악 골절 치료를 위한 새로운 방법이 К. И. Татаринцева(자포리자) 교수의 지도 하에 제안되었습니다. 신장용 다리를 가진 BT1-00 티타늄 P형 스테이플은 하악의 모든 파편을 올바른 위치에 안전하게 고정할 수 있습니다. 이 방법을 통해 1971년에서 1973년 사이에 약 50명의 환자가 하악의 단일 및 양측 골절을 치료받았습니다. 이 결과는 새로운 기술이 치유 시간을 단축시켜 작업 능력을 더 빨리 회복시킨다는 것을 증명합니다.

공급자

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