تیتانیوم فلزی عالی برای جایگزینی قطعات بدن انسان است

تصویر: تیتانیوم در تعویض مفصل زانو و لگن مورد استفاده قرار می‌گیرد. استودیو  Monstar / Shutterstock

تیتانیوم، فلزی است که با استحکام و سبک بودنش شناخته می‌شود، از این رو برای ساخت مفصل ران، زانوها و سایر قسمتهای بدن ما ایده آل است، اما همچنین در صنایع دیگر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
 
تیتانیوم نام خود را از تایتان‌های اساطیر یونان باستان گرفته است اما این ماده کاملاً مدرن به خوبی برای استفاده در طیف بسیار وسیعی از کاربردهای تکنولوژی بسیار پیشرفته مناسب است.
 
تیتانیوم با نماد شیمیایی Ti و عدد اتمی 22 آن، فلزی به رنگ نقره‌ای است که به دلیل چگالی کم، استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی بسیار ارزش دارد.
 
من برای اولین بار تیتانیوم را در مقطع کارشناسی ارشد در انستیتوی تحقیقات فلز در آکادمی علوم چین در سال 1999 مطالعه کردم. یکی از پروژه‌های من بررسی شکل گیری آلیاژهای تیتانیوم برای ویژگی‌های مقاومت بالای آن‌ها بود.
 
از آن زمان، کاربردهای این فلز از زمان استفاده از آن (به صورت دی اکسید تیتانیوم) در رنگ‌ها، کاغذ، خمیر دندان، ضد آفتاب و لوازم آرایشی به صورت نمایی رشد کرده است تا از این طریق به عنوان آلیاژی در ایمپلنت‌های زیست پزشکی و نوآوری‌های هوا فضا استفاده شود.
 
خصوصاً جالب توجه، ازدواج کاملی بین تیتانیوم و چاپ سه بعدی است.
 

طراحی سفارشی از چاپ سه بعدی

مواد تیتانیوم گران قیمت هستند و به این خاطر می‌توانند در مورد فن آوری‌های سنتی پردازش مشکل ساز باشند. برای مثال، نقطه ذوب بالای آن (1670 درجه، بسیار بالاتر از آلیاژهای فولادی) یک چالش است.
 
از این رو دقت نسبتاً کم هزینه چاپ سه‌ بعدی یک تغییر دهنده بازی برای تیتانیوم است. چاپ سه بعدی جایی است که یک شیء به صورت لایه به لایه ساخته می‌شود و طراحان می‌توانند با آن اشکال شگفت انگیزی ایجاد کنند.
 
این امر به تولید اشکال پیچیده مانند قطعات جایگزین استخوان فک، پاشنه پا، لگن، کاشت دندان یا صفحات کرانیوپلاستی در جراحی اجازه می‌دهد. همچنین می‌توان از آن برای ساخت باشگاه گلف و اجزای هواپیما استفاده کرد.
 
 CSIRO با صنعت همکاری می‌کند تا فناوری های جدیدی را در چاپ سه بعدی با استفاده از تیتانیوم توسعه دهد. (حتی اژدهایی از تیتانیوم درست کرده است.)
 
پیشرفت در چاپ سه بعدی راه های جدیدی را برای پیشرفت بیشتر عملکرد ایمپلنت‌های سفارشی اجزای بدن ساخته شده از تیتانیوم باز می‌کند.
 
چنین ایمپلنت‌هایی به گونه‌ای متخلخل طراحی شده‌اند که این باعث سبک‌تر شدن آنها می‌شود اما اجازه عبور خون، مواد مغذی و اعصاب را می‌دهند و حتی می‌توانند رشد استخوان‌ها را تقویت کنند.
 

ایمن در بدن

تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی ناشی از مایعات بدن، بیولوژیکترین فلز است و مضر و سمی برای بافت زنده محسوب نمی‌شود. این توانایی تحمل در برابر محیط بد بدن، نتیجه‌ای از لایه اکسید محافظ است که به صورت طبیعی در حضور اکسیژن بر روی تیتانیوم شکل می‌گیرد.
 
توانایی پیوند فیزیکی آن با استخوان نیز برتری تیتانیوم است در مقایسه با سایر مواد، که برای چسباندن آنها نیاز به استفاده از چسب است. دو منطقه اصلی در هواپیماها که تیتانیوم در آنها استفاده می‌شود در موتورهای فرود و جت آنهاست. کاشت‌های تیتانیوم دوام بیشتری دارند و نیروهای بسیار بیشتری برای شکستن پیوندهایی که به بدن برقرار می‌کند در مقایسه با گزینه‌های دیگر کاشت لازم است.
 
آلیاژهای تیتانیوم که معمولاً در ایمپلنت‌های باربر مورد استفاده قرار می‌گیرند، نسبت به آلیاژهای فولاد ضدزنگ یا کبالت، کمتر سفت هستند و در عملکرد و اجرا به استخوان انسان مشابهت بیشتری دارند.
 

برنامه‌های هوا فضا

وزن حجمی تیتانیوم تقریباً نصف وزن حجمی فولاد است اما 30٪ مستحکم‌تر از آن است، این باعث می‌شود از آن به طور ایده آل در صنعت هوا فضا که در آن هر گرم اضافه وزن مهم است استفاده شود.
 
در اواخر دهه 1940، دولت آمریکا به تولید تیتانیوم کمک کرد، زیرا پتانسیل آن در تولید "هواپیما، موشک، فضاپیما و دیگر اهداف نظامی" قابل مشاهده بود.
 
تیتانیوم به طور فزاینده‌ای تبدیل به ماده‌ای اقتصادی برای طراحان هواپیما در تلاش برای توسعه هواپیماهای سریعتر، سبکتر و کارآمدتر شده است.
 
حدود 39٪ از هواپیماهای F22 Raptor نیروی هوایی ایالات متحده، یکی از پیشرفته‌ترین جنگنده‌های جهان، از تیتانیوم ساخته شده است.  
تصویر: یک قطعه چاپ سه بعدی شده تیتانیومی (پایین) در کنار قطعه آلومینیومی (بالا) که در F-22 Raptor جایگزین آن می‌شود: قطعه تیتانیومی دچار خوردگی نمی‌شود، می‌تواند سریعتر تهیه شود و هزینه کمتری نیز دارد. عکس نیروی هوایی ایالات متحده توسط  R. Nial Bradshaw
 
حمل و نقل هوایی غیرنظامی با 787 Dreamliner  جدید بوئینگ ساخته شده از 15 درصد تیتانیوم، که به طور قابل توجهی بیشتر از مدلهای قبلی است، در همان جهت حرکت کرد.
 
دو منطقه اصلی در هواپیماها که تیتانیوم در آنها استفاده می‌شود در موتورهای فرود و جت آنهاست. دنده‌های فرود باید هر وقت هواپیما به باند فرودگاه برخورد می‌کند، در برابر مقادیر عظیم نیرویی که بر روی آنها اعمال می‌شود، مقاومت کنند.
 
چقرمگی تیتانیوم بدین معنی است که می‌تواند مقادیر عظیمی از انرژی را که هنگام فرود هواپیما از آن خارج می شود، جذب کند بدون اینکه اصلاً ضعیف شود.
 
مقاومت در برابر حرارت تیتانیوم به معنای آن است که می‌تواند در موتورهای جت مدرن مورد استفاده قرار گیرد، جایی که دما می تواند به 800 درجه سانتیگراد برسد. فولاد در دمای حدود 400 درجه سانتیگراد شروع به نرم شدن می کند اما تیتانیوم بدون از دست دادن قدرت می‌تواند در برابر گرمای شدید موتور جت مقاومت کند.
 

کجا تیتانیوم را پیدا کنیم

در حالت طبیعی، تیتانیوم همیشه با عناصر دیگر، معمولاً درون سنگهای آذرین و رسوبات حاصل از آنها، پیوند یافته است.
 
متداول ترین مواد معدنی حاوی تیتانیوم عبارتند از ایلمنیت (یک اکسید آهن-تیتانیوم ، FeTiO3 ) و روتیل (یک اکسید تیتانیوم  TiO2)
 
ایلمنیت در چین فراوان است، در حالی که استرالیا بالاترین نسبت جهانی روتیل را دارد، حدود 40٪ طبق گفته     Geoscience  استرالیا. بیشتر در سواحل شرقی، غربی و جنوبی استرالیا یافت می‌شود.
 
هر دو ماده به طور کلی از ماسه‌ها استخراج می‌شوند، پس از آن تیتانیوم از سایر مواد معدنی جدا می‌شود.
 
استرالیا یکی از تولید کنندگان برتر تیتانیوم در جهان است که بیش از 1.5 میلیون تن در سال 2014 تولید داشت. آفریقای جنوبی و چین دو تولیدکننده بعدی تیتانیوم هستند که به ترتیب 1.16 و 1 میلیون تن تولید می‌کنند.
 
تیتانیوم جزو ده عنصر فراوان در پوسته زمین است، و منابع آن در حال حاضر مورد تهدید نیست – و این خبر خوبی است برای بسیاری از دانشمندان و مبتکران که به طور مداوم به دنبال راه‌های جدید برای بهبود زندگی با تیتانیوم هستند.
 
منبع: لایچانگ ژانگ - Edith Cowan University