Титан — идеальный металл для изготовления запасных частей человеческого тела.

Mar 05, 2024

Профессор машиностроения, Университет Эдит Коуэн

Лайчан Чжан получает финансирование от Австралийского исследовательского совета через Discovery Projects.

Университет Эдит Коуэн предоставляет финансирование в качестве члена The Conversation AU.

Посмотреть всех партнеров

Чтобы отметить Международный год периодической таблицы химических элементов, мы рассмотрим, как исследователи изучают некоторые элементы в своей работе.

Сегодня это титан, металл, известный своей прочностью и легкостью, поэтому он идеально подходит для изготовления замещающих бедер, коленей и других частей нашего тела, но он также используется и в других отраслях.

Титан получил свое название от Титанов из древнегреческой мифологии, но этот совершенно современный материал хорошо подходит для огромного спектра высокотехнологичных применений.

Титан с химическим символом Ti и атомным номером 22 представляет собой металл серебристого цвета, который ценится за низкую плотность, высокую прочность и устойчивость к коррозии.

Впервые я изучал титан, получив степень магистра в Институте исследования металлов Китайской академии наук в 1999 году. Одним из моих проектов было исследование образования титановых сплавов на предмет их высокопрочных характеристик.

Читать далее: От бронзового века до консервных банок: как олово изменило человечество

С тех пор области применения этого металла выросли в геометрической прогрессии: от его использования (в качестве диоксида титана) в красках, бумаге, зубной пасте, солнцезащитных кремах и косметике до его использования в качестве сплава в биомедицинских имплантатах и ​​аэрокосмических инновациях.

Особенно впечатляет идеальное сочетание титана и 3D-печати.

Титановые материалы дороги и могут быть проблематичными, когда речь идет о традиционных технологиях обработки. Например, его высокая температура плавления (1670 ℃, что намного выше, чем у стальных сплавов) является проблемой.

Таким образом, относительно недорогая точность 3D-печати меняет правила игры для титана. 3D-печать — это когда объект строится слой за слоем, и дизайнеры могут создавать удивительные формы.

Это позволяет изготавливать сложные формы, такие как запасные части челюстной кости, пятки, бедра, зубные имплантаты или пластины для краниопластики в хирургии. Его также можно использовать для изготовления клюшек для гольфа и компонентов самолетов.

CSIRO работает с промышленностью над разработкой новых технологий 3D-печати с использованием титана. (Он даже сделал дракона из титана.)

Достижения в области 3D-печати открывают новые возможности для дальнейшего улучшения функциональности индивидуальных имплантатов частей тела, изготовленных из титана.

Такие имплантаты могут быть пористыми, что делает их легче, но пропускает кровь, питательные вещества и нервы и может даже способствовать росту кости.

Титан считается наиболее биосовместимым металлом – не вредным и не токсичным для живых тканей – из-за его устойчивости к коррозии со стороны телесных жидкостей. Эта способность противостоять суровым физическим условиям является результатом защитной оксидной пленки, которая естественным образом образуется в присутствии кислорода.

Читать далее: Водород питает ракеты, но как насчет энергии для повседневной жизни? Мы приближаемся

Его способность физически связываться с костью также дает титану преимущество перед другими материалами, для сохранения прикрепления которых требуется использование клея. Титановые имплантаты служат дольше, и для разрыва связей, соединяющих их с телом, требуются гораздо большие силы по сравнению с их альтернативами.

Титановые сплавы, обычно используемые в несущих имплантатах, значительно менее жесткие и по характеристикам ближе к человеческой кости, чем нержавеющая сталь или сплавы на основе кобальта.

Титан весит примерно вдвое меньше стали, но на 30% прочнее, что делает его идеально подходящим для аэрокосмической промышленности, где важен каждый грамм.

В конце 1940-х годов правительство США помогло наладить производство титана, поскольку оно видело его потенциал для «самолетов, ракет, космических кораблей и других военных целей».

Титан все чаще становится материалом, который покупают авиаконструкторы, стремящиеся разрабатывать более быстрые, легкие и эффективные самолеты.