티타늄은 대체 인체 부품을 만드는 데 완벽한 금속입니다.

Mar 05, 2024

Edith Cowan 대학교 기계공학 교수

Laichang Zhang은 Discovery Project를 통해 Australian Research Council로부터 자금 지원을 받습니다.

Edith Cowan University는 The Conversation AU의 회원으로서 자금을 제공합니다.

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세계 화학 원소 주기율표의 해를 기념하기 위해 우리는 연구자들이 연구에서 일부 원소를 어떻게 연구하는지 살펴보겠습니다.

오늘날의 티타늄은 강도와 ​​가벼움으로 유명한 금속으로 엉덩이, 무릎 및 신체의 다른 부분을 교체하는 데 이상적이지만 다른 산업에서도 사용됩니다.

티타늄은 고대 그리스 신화의 타이탄에서 그 이름을 얻었지만 이 완전히 현대적인 소재는 광범위한 첨단 기술 응용 분야에 매우 적합합니다.

화학 기호 Ti와 원자 번호 22를 사용하는 티타늄은 낮은 밀도, 높은 강도 및 내부식성으로 인해 가치가 있는 은색 금속입니다.

저는 1999년 중국과학원 금속연구소에서 석사학위를 취득하면서 처음으로 티타늄을 연구했습니다. 제 프로젝트 중 하나는 고강도 특성을 위한 티타늄 합금의 형성을 조사하는 것이었습니다.

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그 이후로 이 금속의 응용 분야는 페인트, 종이, 치약, 자외선 차단제 및 화장품에서의 이산화티타늄 사용에서부터 생체의학 임플란트 및 항공우주 혁신의 합금 사용에 이르기까지 기하급수적으로 증가했습니다.

특히 흥미로운 점은 티타늄과 3D 프린팅의 완벽한 결합입니다.

티타늄 소재는 가격이 비싸고 전통적인 가공 기술에서는 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어, 높은 융점(1,670℃, 강철 합금보다 훨씬 높음)이 문제입니다.

따라서 3D 프린팅의 상대적으로 저렴한 정밀도는 티타늄의 판도를 바꾸는 요소입니다. 3D 프린팅은 개체가 층별로 만들어지고 디자이너는 놀라운 모양을 만들 수 있는 곳입니다.

이를 통해 수술 시 턱뼈 교체 부품, 발뒤꿈치, 고관절, 치과 임플란트 또는 두개골 성형술 플레이트와 같은 복잡한 형상을 생산할 수 있습니다. 골프 클럽이나 항공기 부품을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다.

CSIRO는 업계와 협력하여 티타늄을 사용한 3D 프린팅의 새로운 기술을 개발하고 있습니다. (티타늄으로 용을 만들기도 했습니다.)

3D 프린팅의 발전은 티타늄으로 만들어진 맞춤형 신체 부위 임플란트의 기능을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 길을 열어주고 있습니다.

이러한 임플란트는 다공성으로 설계되어 더 가벼우면서도 혈액, 영양분 및 신경이 통과할 수 있으며 뼈의 성장을 촉진할 수도 있습니다.

티타늄은 체액 부식에 대한 저항성으로 인해 생체 조직에 해롭거나 독성이 없는 가장 생체 적합한 금속으로 간주됩니다. 가혹한 신체 환경을 견딜 수 있는 능력은 산소가 있을 때 자연적으로 형성되는 보호 산화막의 결과입니다.

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티타늄은 뼈와 물리적으로 결합하는 능력이 있어 부착 상태를 유지하기 위해 접착제를 사용해야 하는 다른 소재에 비해 장점이 있습니다. 티타늄 임플란트는 수명이 더 길고 다른 임플란트에 비해 신체에 결합된 결합을 끊는 데 훨씬 더 큰 힘이 필요합니다.

하중 지지 임플란트에 일반적으로 사용되는 티타늄 합금은 스테인리스강이나 코발트 기반 합금보다 훨씬 덜 단단하고 성능이 인간의 뼈에 더 가깝습니다.

티타늄은 무게가 강철의 절반 정도이지만 강도는 30% 더 높기 때문에 모든 그램이 중요한 항공우주 산업에 이상적으로 적합합니다.

1940년대 후반 미국 정부는 "항공기, 미사일, 우주선 및 기타 군사 목적"에 대한 잠재력을 확인하고 티타늄 생산을 지원했습니다.

티타늄은 더 빠르고, 더 가볍고, 더 효율적인 항공기를 개발하기 위해 노력하는 항공기 설계자들에게 점점 더 구매하여 비행할 수 있는 재료가 되었습니다.