تیتانیوم در 1790 کشف شد اما تا اوایل دهه 1900 مورد خالص ­سازی قرار نگرفت. بعلاوه، از این فلز تا نیمه دوم قرن بیستم بطور گسترده استفاده نشد. اما اکنون تیتانیوم دارای تجربه حدودا 50 ساله­ ای از استفاده صنعتی مدرن و طراحی برای پشتیبانی از کاربرد خود است. بیشتر این کاربرد در کاربردهای نظامی در هواپیما نظیر SR71 (شکل 1-1) یا موتورهای توربین­های گازی (شکل 1-2) بوده است. تازه­ ترین موارد استفاده آن شامل مواردی نظیر چوب گلف و دوچرخه می­شود. بدلیل چگالی منحصربفرد، مقاومت به خوردگی و استحکام مناسب آن نسبت به مواد رقیب نظیر آلومینیوم، فولادها و سوپرآلیاژها، تیتانیوم جایگاه ویژه خود را در بسیاری از صنایع پیدا کرده است. برخی واقعیت­های مهم و/یا مزایای مهم آلیاژهای تیتانیوم، مبنای استفاده گسترده امروزه از تیانیوم را نشان می­دهند

جنبه­ های کلی

تولید آلیاژهای تیتانیوم از چند مرحله­ جداگانه تشکیل می­ شود. مراحل زیر بیان­گر تبدیل تیتانیوم از یک سنگ­ معدن به یک شمش آماده برای فراوری کار سرد یا ریخته­ گری یا تبدیل به محصولات اولیه است:

• تولید اسفنج تیتانیوم (احیای سنگ­ معدن تیتانیوم به یک شکل ناخالص متخلخل فلز تیتانیوم)
• خالص ­سازی تیتانیوم
• ذوب کردن اسفنج یا اسفنج بعلاوه عناصر آلیاژی یا آمیژان برای تشکیل یک شمش
• تولید اصلی که در آن، شمش­ ها به محصولات اولیه نظیر میله، ورق نازک، ورق ضخیم، نوار یا سیم تبدیل می­ شوند.

پیش‌زمینه

تیتانیوم در کاربردهای ارتوپدی برای اولین بار در دهه 50 میلادی مورداستفاده قرار گرفت. ارتوپدی شاخه‌ای از جراحی است که مربوط به سیستم اسکلتی-عضلانی می‌شود. جراحان ارتوپدی از هر دو روش جراحی و غیر جراحی برای معالجه آسیب‌های اسکلتی-عضلانی، بیماری‌های ستون فقرات، آسیب‌های ورزشی و موارد دیگر استفاده می‌کنند. در حال حاضر، آلیاژهای تیتانیوم اولویت اصلی (شکل 1-1-1) برای تجهیزات ارتوپدی مانند مفاصل ران، پیچ‌های استخوانی، مفاصل زانو، قفسه‌ی مایع نخاعی، مفاصل شانه و آرنج و صفحات و داربست‌های استخوانی است (شکل 1-1-2) [1–3]. تیتانیوم به دلیل مقاومت کلی در برابر خوردگی (شکل 1-1-3) برخلاف آهن، فلز موردنظر برای متخصصان ارتوپدی است (شکل 1-1-4). این ماده در بدن انسان بی‌اثر است و در برابر حمله‌ی مایعاتِ بدن مقاوم است. علاوه بر این، ثابت‌شده است که با تراکم استخوان سازگار است، مستحکم است و مدول کمی دارد؛ ازاین‌رو، یک ماده‌ی عالی برای عرصه‌ی ارتوپدی است.

استفاده از تیتانیوم برای کاربردهای پزشکی از دهه 1950 میلادی آغاز شد و با توجه به زیست سازگاری آن با بدن انسان و بسیاری از مزایای دیگر همچنان مورد استفاده قرار می­ گیرد. استفاده از تیتانیوم در مفاصلی مانند پروتز لگن و زانو کاملاً شناخته شده می ­باشد؛ علاوه بر این، برای تولید پیچ­ ها­، نیل ­ها و پلیت­ های تروما نیز کاربرد دارد. با این حال، تیتانیوم و آلیاژهای آن امکان توسعه بیشتر ایمپلنت­ های زیست سازگار، پروتز­های خارجی و ابزار دقیق را فراهم می­ سازد.

بسیاری از تجهیزات پزشکی متشکل از فلزات به وسیله سرامیک­ها و پلیمرها جایگزین شده ­اند، زیرا خواص آن­ها با پیشرفت تکنولوژی در طول چهار دهه گذشته بسیار بهبود یافته است. با این حال، بیش از 70% از دستگاه­ های ارتوپدی به دلیل استحکام، دوام و چقرمگی بالا هنوز هم از فلزات ساخته می­ شوند. بخصوص، تیتانیوم و آلیاژهای آن که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی و سازگاری خوب با بافت بدن به عنوان مواد ایمپلنت پزشکی و دندانپزشکی مورد استفاده قرار می­­ گیرند. اما با توجه به اینکه دستگاه ­های ایمپلنت ساخته شده از فلزات به طور معمول مواد مصنوعی هستند، بنابراین زیست سازگاری کمتری را از خود نشان می­ دهند و هیچ­گونه عملکرد بیولوژیکی ندارند. برای بهبود زیست­ سازگاری و افزودن عملکرد بیولوژیکی به فلزات، عملیات سطح یا اصلاح سطح ضروری است.