I. Definicja i zastosowania medycznych materiałów metalowych
Medyczne materiały metalowe, znane również jako metalowe materiały do implantów chirurgicznych, są wykorzystywane głównie do diagnostyki, leczenia i wymiany lub wzmacniania tkanek w organizmie człowieka. Chociaż w ciągu ostatnich 20 lat rozwój metalowych materiałów medycznych był wolniejszy niż materiałów biomedycznych, takich jak polimery, kompozyty, hybrydy i pochodne, oferują one wiele niezastąpionych właściwości, których nie mogą dorównać inne materiały medyczne, w tym wysoką wytrzymałość, dobrą wytrzymałość, odporność na zmęczenie zginające i doskonałe właściwości przetwórcze. Są to najczęściej stosowane-nośne materiały implantacyjne w zastosowaniach klinicznych. Wraz z rozwojem technologii druku 3D z metalu, metalowe materiały medyczne zyskały szersze zastosowanie, a najważniejsze zastosowania obejmują płytki mocujące złamania, śruby, sztuczne stawy i implanty dentystyczne.
II. Powszechnie używane metalowe materiały medyczne
Do głównych materiałów metalowych stosowanych w zastosowaniach medycyny klinicznej zalicza się stal nierdzewną, stopy kobaltu, stopy tytanu, stopy z pamięcią kształtu, metale szlachetne i czyste metale, takie jak tantal, niob i cyrkon.
1. Stal nierdzewna
Medyczna stal nierdzewna (stal nierdzewna jako materiał biomedyczny) to stop na bazie żelaza,-odporny na korozję-i jeden z najwcześniej opracowanych stopów biomedycznych. Charakteryzuje się łatwością obróbki i niskim kosztem. Umożliwienie kształtowania stali nierdzewnej na zimno nie tylko zwiększa granicę plastyczności, ale także wzmacnia stop przed rdzą, co z kolei zmniejsza ryzyko wystąpienia pęknięcia zmęczeniowego. Patrząc na mikrostrukturę, stale nierdzewne dzielą się na gatunki austenityczne, ferrytyczne, martenzytyczne lub utwardzane-wydzieleniowo. Nic dziwnego, że stale te stały się standardowym wyposażeniem w świecie medycznym; znajdziesz je wykute na noże chirurgiczne,-szynę pomocniczą ostrza nożyczek, szczęki hemostatu i korpus wydrążonej igły. Poza instrumentami ręcznymi, stal nierdzewna ma również zastosowanie w implantacji, w tym w sztucznych stawach, stabilizatorach płytkowych i śrubowych, wspornikach łuków ortodontycznych i obudowach zastawek mechanicznych zastawek serca. Wśród tych metod użytkowych dominują gatunki austenityczne 316L i 317L o wyjątkowo-niskiej zawartości węgla, aby zminimalizować wytrącanie się węglików na granicach ziaren. Pisemna specyfikacja tych stopów została po raz pierwszy opublikowana w wersji z 1987 r. normy ISO dotyczącej wszczepialnych materiałów metalowych, ISO 5832 i ISO 7153. Zgodnie z korpusem międzynarodowym, w 1990 r. opracowano normę krajową w moim kraju GB 12417, a przyjęto ją w 1991 r.
Biokompatybilność i związane z nią kwestie medycznej stali nierdzewnej dotyczą przede wszystkim reakcji tkankowych spowodowanych rozpuszczaniem jonów metali w wyniku korozji lub zużycia po implantacji. Obszerne dane kliniczne pokazują, że korozja medycznej stali nierdzewnej powoduje słabą-długoterminową stabilność implantu. Ponadto jego gęstość i moduł sprężystości znacznie różnią się od gęstości ludzkiej tkanki twardej, co powoduje słabą kompatybilność mechaniczną. Korozja może powodować przedostawanie się jonów metali lub innych związków do otaczających tkanek lub do całego organizmu, co może prowadzić do niepożądanych reakcji histologicznych, takich jak obrzęk, infekcja i martwica tkanek, powodując ból i reakcje alergiczne. W szczególności rozpuszczanie jonów niklu w stali nierdzewnej może powodować poważne zmiany patologiczne (powszechnie stosowana austenityczna stal nierdzewna do zastosowań medycznych zawiera około 10% niklu). W ostatnich latach stopniowo opracowywano i stosowano medyczne stale nierdzewne o niskiej zawartości{{7}niklu i-bez niklu.
2. Stopy kobaltu
Stopy kobaltu (stopy na bazie Co-jako materiały biomedyczne) są również powszechnie stosowane w zastosowaniach medycznych. W porównaniu ze stalą nierdzewną lepiej nadają się do produkcji-terminowych implantów poddawanych dużym obciążeniom organizmu, a ich odporność na korozję jest 40 razy większa niż stali nierdzewnej. Pierwszym stopem metalu kobaltowego-opracowanym celowo z myślą o medycynie był kobalt, chrom i molibden – mieszanka, która stygnie do stabilnej struktury austenitycznej. Następnie, pod koniec lat 70., pojawił się szereg nowych opcji, w szczególności mutant z kutego żelaza, kobaltu, niklu, chromu, aluminium i wolframu,-który wykazuje doskonałą odporność na zmęczenie, oraz wariant MP35N, który zachowuje rdzeń kobalt, nikiel, chrom i aluminium, a jednocześnie austenityzuje termomechanicznie do złożonej wielofazowej mikrostruktury. Od tego czasu klinicznie uboższa w kobalt osnowa austenityczna i warianty kobaltowo-niklowe przodują w inżynierii protetycznej.Kształtują łodygi i panewki sztucznych bioder na bazie kobaltu i chromu Mo-, powierzchnie stawowe kolan ze stopu kobaltu i chromu oraz ortopedyczne elementy mocujące, które obejmują platerowanie niestabilnych złamań, śruby-do szwów komunikacyjnych i-pasowane na wcisk szpilki kostne. Obecnie najszerzej stosowane są stopy kobaltu-chromu-aluminium, które są objęte normą ISO 5582/4. W 1990 roku mój kraj uwzględnił to w krajowej normie GB12417.
Stopy kobaltu zazwyczaj pozostają w organizmie człowieka w stanie pasywnym i rzadko ulegają korozji. W porównaniu ze stalą nierdzewną ich warstwa pasywna jest bardziej stabilna i-odporna na korozję. Oferują również najlepszą odporność na zużycie ze wszystkich medycznych materiałów metalowych, co do których powszechnie uważa się, że nie powodują zauważalnych reakcji histologicznych po implantacji. Jednakże, ze względu na wysoki koszt, sztuczne stawy biodrowe wykonane ze stopów kobaltu wykazują dużą szybkość poluzowania in vivo w wyniku uwalniania jonów Co i Ni w wyniku zużycia i korozji metalu. Co więcej, wytrącone pierwiastki Co i Ni stwarzają wyzwania biologiczne, takie jak silna alergenność, która może łatwo powodować martwicę komórek i tkanek in vivo, prowadząc do bólu, rozluźnienia stawów i zatonięcia. W związku z tym ich zastosowanie zostało ograniczone. W ostatnich latach zaczęto stosować techniki modyfikacji powierzchni w celu poprawy właściwości powierzchniowych stopów kobaltu, skutecznie zwiększając ich skuteczność kliniczną.
3. Stopy tytanu
Stopy na bazie Ti-jako materiały biomedyczne należą do najbardziej znanych biokompatybilnych metali. Od lat czterdziestych XX wieku tytan i jego stopy stopniowo zyskują zastosowanie w medycynie klinicznej. W 1951 roku ludzie zaczęli używać czystego tytanu do produkcji płytek kostnych i śrub. W połowie-lat 70. tytan i stopy tytanu zaczęły zyskiwać szerokie zastosowanie medyczne, stając się jednym z najbardziej obiecujących materiałów medycznych. Obecnie tytan i jego stopy znajdują zastosowanie przede wszystkim w ortopedii, zwłaszcza przy rekonstrukcji kończyn i czaszki. Służą do wykonywania różnych urządzeń do stabilizacji złamań, sztucznych stawów, czapek czaszki i opony twardej, sztucznych zastawek serca, zębów, dziąseł, pierścieni ustalających i koron. Najszerzej stosowanym stopem tytanu w zastosowaniach medycznych jest TC4 (Ti-6Al-4V). Stop ten ma + dwufazową strukturę w temperaturze pokojowej. Jego wytrzymałość i inne właściwości mechaniczne można znacznie poprawić poprzez obróbkę roztworową i starzenie.
Gęstość tytanu i jego stopów wynosi około 4,5 g/cm3, czyli mniej więcej połowę mniej niż w przypadku stali nierdzewnej i stopów kobaltu, i jest zbliżona do gęstości ludzkiej tkanki twardej. Co więcej, ich biokompatybilność, odporność na korozję i odporność na zmęczenie przewyższają właściwości stali nierdzewnej i stopów kobaltu, co czyni je obecnie najlepszymi metalowymi materiałami medycznymi. Powinowactwo tytanu i jego stopów do organizmu człowieka wynika z gęstej warstwy pasywacyjnej tlenku tytanu (TiO2) znajdującej się na ich powierzchni, która po wszczepieniu powoduje odkładanie się jonów wapnia i fosforu w płynach ustrojowych, tworząc apatyt. Wykazują one pewien stopień bioaktywności i wiązania kości, co czyni je szczególnie odpowiednimi do implantacji śródkostnej. Jednak wadami tytanu i jego stopów jest ich niska twardość i słaba odporność na zużycie. Jeśli nastąpi zużycie, najpierw ulega zniszczeniu warstwa tlenku, a następnie uwalniają się produkty korozji cząstek zużycia, które dostają się do tkanki ludzkiej. W szczególności toksyczny wanad (V) zawarty w stopie Ti-6Al-4V może powodować uszkodzenie implantu. Aby poprawić odporność tytanu i jego stopów na zużycie, można zastosować wysokotemperaturowe aminowanie jonowe lub implantację jonów w celu zwiększenia ich odporności na zużycie powierzchniowe. W ostatnich latach opracowano nowe stopy tytanu (głównie stopy typu -), wszystkie skupiające się na redukcji pierwiastków szkodliwych dla organizmu człowieka, skutecznie poprawiając biokompatybilność stopów tytanu.
4. Stopy z pamięcią kształtu
Badania nad medycznymi stopami z pamięcią kształtu (SMA) jako materiałami biomedycznymi rozpoczęły się w latach 70. XX wieku i szybko zyskały szerokie zastosowanie. Najszerzej stosowanym SMA w praktyce klinicznej jest SMA niklowo-tytanowy. Temperatura odzyskiwania pamięci kształtu w medycznych SMA wynosi 36 ± 2 stopnie, co odpowiada temperaturze ciała człowieka i wykazuje porównywalną biokompatybilność ze stopami tytanu. Jednakże, ponieważ SMA zawierają dużą ilość niklu, niewłaściwa obróbka powierzchni może spowodować dyfuzję jonów niklu i penetrację otaczających tkanek, powodując martwicę komórek i tkanek. Medyczne SMA są stosowane głównie w chirurgii plastycznej i stomatologii. Samorozprężalne stenty, szczególnie stenty sercowo-naczyniowe, są doskonałym przykładem ich zastosowania.
5. Metale szlachetne i czyste metale: tantal, niob i cyrkon
Medyczne metale szlachetne to złoto, srebro, platyna i ich stopy stosowane jako materiały biomedyczne. Metale szlachetne charakteryzują się doskonałą biokompatybilnością, dużą odpornością na utlenianie i korozję, wyjątkową stabilnością fizyczną i chemiczną, doskonałymi właściwościami przetwarzania i są nie-toksyczne dla tkanki ludzkiej. Stosuje się je w rekonstrukcjach zębów, naprawach czaszki, wszczepialnych urządzeniach elektronicznych, protezach nerwowych, urządzeniach do stymulacji nerwów usznych i przeponowych, urządzeniach nerwu wzrokowego i elektrodach rozruszników serca.
Tantal do odbudowy zębów charakteryzuje się doskonałą stabilnością chemiczną i odpornością na korozję fizjologiczną. Tlenek tantalu jest zasadniczo niewchłonięty i nie-toksyczny. Tantal można łączyć z innymi metalami bez uszkadzania powierzchniowej warstwy tlenku. W codziennej praktyce klinicznej wydaje się, że możliwe jest łączenie metali przy jednoczesnym uniknięciu przerwania ciągłej warstwy tlenku, która pasywizuje ich powierzchnię. Ponieważ tantal, niob i cyrkon wykazują zarówno mikrostrukturę, jak i profile reaktywności ściśle powiązane z tytanem, poddano je ocenie pod kątem różnorodnych zastosowań implantów, począwszy od przeszczepów kości z instrumentami i korzeni zębów mocowanych śrubami-do odcinków zawiasów protez ruchomych, cienkościennych-stentów naczyniowych i szerokiego spektrum urządzeń, takich jak całkowite sztuczne serca z modulacją temperatury-. Niemniej jednak wykorzystanie tych metali w rutynowej praktyce pozostaje ograniczone; ich nieodłączne wyrafinowanie i ekonomika produkcji plasują je znacznie poza budżetami większości marginesów implantów.
