I. Definisjon og anvendelser av medisinske metallmaterialer
Medisinske metallmaterialer, også kjent som kirurgiske implantatmetallmaterialer, brukes først og fremst til diagnose, behandling og vevserstatning eller forbedring i menneskekroppen. I løpet av de siste 20 årene, mens utviklingen av medisinske metallmaterialer har vært langsommere enn for biomedisinske materialer som polymerer, kompositter, hybrider og derivater, tilbyr de en rekke uerstattelige egenskaper som andre medisinske materialer ikke kan matche, inkludert høy styrke, god seighet, motstand mot bøyningstretthet og utmerkede prosesseringsegenskaper. De er de mest brukte-lastbærende implantatmaterialene i kliniske applikasjoner. Med utviklingen av 3D-utskriftsteknologi av metall har medisinske metallmaterialer fått bredere anvendelse, med de viktigste bruksområdene inkludert frakturfikseringsplater, skruer, kunstige ledd og tannimplantater.
II. Vanlig brukte medisinske metallmaterialer
De viktigste metallmaterialene som brukes i kliniske medisinske applikasjoner inkluderer rustfritt stål, koboltlegeringer, titanlegeringer, formminnelegeringer, edle metaller og rene metaller som tantal, niob og zirkonium.
1. Rustfritt stål
Medisinsk rustfritt stål (Stainless Steel as Biomedical Material) er en jern-basert, korrosjonsbestandig-legering og en av de tidligste biomedisinske legeringene som er utviklet. Det er preget av enkel behandling og lave kostnader. Å la kaldt arbeid forme rustfritt stål øker ikke bare flytestyrken, men gjør også legeringen hardere mot rust, noe som igjen reduserer sjansene for at et tretthetsbrudd setter seg. Når du ser på mikrostrukturen, står de rustfrie stålene på linje med austenittiske, ferritiske, martensittiske eller nedbørsherdede-kvaliteter. Ingen overraskelse, disse stålene har blitt standardutstyr i den medisinske verdenen; du finner dem smidd til kirurgiske kniver, under-skinnen på et sakseblad, kjevene til en hemostat og kroppen til en hul nål. Utover håndinstrumenter fungerer rustfritt stål også i implanterbare applikasjoner, inkludert kunstige ledd, plate- og skruefiksatorer, kjeveortopedisk buetrådstøtter og ventilhus til mekaniske hjerteklaffenheter. Blant disse bruksmetodene dominerer de austenittiske kvalitetene 316L og 317L, som har ekstra-lavt karboninnhold for å minimere korngrensekarbidutfelling. Skriftlig spesifikasjon for disse legeringene ble først publisert i 1987-revisjonen av ISO-standarden for implanterbare metalliske materialer, ISO 5832 og ISO 7153. Etter det internasjonale korpuset ble en nasjonal standard i mitt land, GB 12417, utarbeidet i 1990 og vedtatt i 1991.
Biokompatibiliteten og relaterte problemer med medisinsk rustfritt stål gjelder først og fremst vevsreaksjoner forårsaket av metallionoppløsning på grunn av korrosjon eller slitasje etter implantasjon. Omfattende kliniske data viser at korrosjon av medisinsk rustfritt stål resulterer i dårlig-implantatstabilitet. Videre er dens tetthet og elastisitetsmodul betydelig forskjellig fra menneskets hardt vev, noe som resulterer i dårlig mekanisk kompatibilitet. Korrosjon kan føre til at metallioner eller andre forbindelser kommer inn i omkringliggende vev eller kroppen som helhet, noe som potensielt kan føre til uønskede histologiske reaksjoner som ødem, infeksjon og vevsnekrose, noe som resulterer i smerte og allergiske reaksjoner. Spesielt kan nikkelionoppløsning fra rustfritt stål forårsake alvorlige patologiske endringer (vanlig brukt austenittisk medisinsk rustfritt stål inneholder ca. 10 % nikkel). I de senere årene har lav-nikkel- og nikkel-fri medisinsk rustfritt stål gradvis blitt utviklet og brukt.
2. Koboltlegeringer
Koboltlegeringer (Co-baserte legeringer som biomedisinske materialer) er også ofte brukt i medisinske applikasjoner. Sammenlignet med rustfritt stål er de mer egnet for produksjon av langtids-implantater som er utsatt for krevende belastninger i kroppen, med korrosjonsbestandighet som er 40 ganger høyere enn rustfritt stål. Den første kobolt-metalllegeringen målrettet utviklet for medisin var kobolt–krom–molybden, en blanding som avkjøles til en stabil austenittisk struktur. Så, på slutten av 1970-tallet, dukket det opp en bølge av nye alternativer, spesielt en smi-kobolt-nikkel-krom-aluminium-wolfram-jernmutant som viser overlegen tretthetsmotstand, og MP35N-varianten, som beholder kobolt-nikkel-krom-aluminium kjernen, men likevel austenitisere en kompleks termo-mekanisk struktur. Klinisk koboltslankere austenittisk matrise og kobolt-nikkel-varianter har siden utmerket seg innen proteseteknikk.De former stilkene og koppene av kobolt-krom Mo-baserte kunstige hofter, leddflatene til knærne i kobolt-kromlegering, og ortopediske festeanordninger, som inkluderer plettering for ustabile brudd, trafikk-sømskruer og trykk-benstifter. For tiden er støpte kobolt-krom-aluminiumslegeringer de mest brukte og er innlemmet i ISO 5582/4-standarden. I 1990 inkluderte landet mitt det i den nasjonale standarden GB12417.
Koboltlegeringer forblir vanligvis i en passiv tilstand i menneskekroppen, og korroderer sjelden. Sammenlignet med rustfritt stål er deres passive film mer stabil og korrosjonsbestandig-. De tilbyr også den beste slitestyrken av alle medisinske metallmaterialer, generelt antatt å gi ingen merkbare histologiske reaksjoner etter implantasjon. Imidlertid, på grunn av deres høye kostnader, viser kunstige hofteledd laget av koboltlegeringer en høy grad av løsnede in vivo på grunn av frigjøring av Co- og Ni-ioner forårsaket av metallslitasje og korrosjon. Videre gir de utfelte Co- og Ni-elementene biologiske utfordringer, slik som alvorlig allergenisitet, som lett kan forårsake celle- og vevsnekrose in vivo, noe som fører til smerte, leddløsning og synking. Følgelig har deres anvendelse blitt begrenset. I de siste årene har overflatemodifikasjonsteknikker blitt brukt for å forbedre overflateegenskapene til koboltlegeringer, og effektivt forbedre deres kliniske effektivitet.
3. Titanlegeringer
Ti-baserte legeringer som biomedisinske materialer er blant de mest biokompatible metallene som er kjent. Siden 1940-tallet har titan og titanlegeringer gradvis fått bruk i klinisk medisin. I 1951 begynte mennesker å bruke rent titan for å lage beinplater og skruer. På midten av-1970-tallet begynte titan og titanlegeringer å få utbredt medisinsk bruk, og ble et av de mest lovende medisinske materialene. For tiden brukes titan og titanlegeringer primært i ortopedi, spesielt i rekonstruksjon av lemmer og hodeskalle. De brukes til å lage forskjellige bruddfikseringsenheter, kunstige ledd, hodeskalle caps og dura mater, kunstige hjerteklaffer, tenner, tannkjøtt, festeringer og kroner. Den mest brukte titanlegeringen i medisinske applikasjoner er TC4 (Ti-6Al-4V). Denne legeringen har en + to-fase struktur ved romtemperatur. Dens styrke og andre mekaniske egenskaper kan forbedres betydelig gjennom løsningsbehandling og aldring.
Tettheten til titan og dets legeringer er omtrent 4,5 g/cm³, omtrent halvparten av tettheten til rustfritt stål og koboltlegeringer, nærmer seg den for menneskelig hardt vev. Videre overgår deres biokompatibilitet, korrosjonsbestandighet og utmattelsesbestandighet de for rustfritt stål og koboltlegeringer, noe som gjør dem til de beste medisinske metallmaterialene. Affiniteten til titan og dets legeringer for menneskekroppen stammer fra den tette titanoksid (TiO2) passiveringsfilmen på deres overflater, som etter implantasjon induserer avsetning av kalsium- og fosforioner i kroppsvæsker for å danne apatitt. Dette viser en viss grad av bioaktivitet og benbinding, noe som gjør dem spesielt egnet for intraossøs implantasjon. Ulempene med titan og dets legeringer er imidlertid deres lave hardhet og dårlige slitestyrke. Hvis det oppstår slitasje, blir oksidfilmen først ødelagt, etterfulgt av frigjøring av slitasjepartikkel-korrosjonsprodukter som kommer inn i menneskelig vev. Spesielt kan det giftige vanadiumet (V) i Ti-6Al-4V-legeringen forårsake implantatsvikt. For å forbedre slitestyrken til titan og dets legeringer, kan høytemperatur ioneaminering eller ioneimplantasjon brukes for å forbedre deres overflateslitasjemotstand. De siste årene har det blitt utviklet noen nye titanlegeringer (hovedsakelig -type legeringer), som alle fokuserer på å redusere elementer som er skadelige for menneskekroppen, og effektivt forbedre biokompatibiliteten til titanlegeringer.
4. Formminnelegeringer
Forskning på medisinske formminnelegeringer (SMA) som biomedisinske materialer begynte på 1970-tallet og fikk raskt utbredt bruk. Den mest brukte SMA i klinisk praksis er nikkel-titan SMA. Gjenopprettingstemperaturen for formminne for medisinske SMA-er er 36 ± 2 grader, som samsvarer med menneskelig kroppstemperatur og viser sammenlignbar biokompatibilitet med titanlegeringer. Men fordi SMA inneholder en stor mengde nikkel, kan feil overflatebehandling føre til at nikkelioner diffunderer og penetrerer omkringliggende vev, og forårsaker celle- og vevsnekrose. Medisinske SMA-er brukes først og fremst innen plastisk kirurgi og tannbehandling. Selv-utvidende stenter, spesielt kardiovaskulære stenter, er et godt eksempel på deres anvendelse.
5. Edelmetaller og rene metaller: Tantal, niob og zirkonium
Medisinske edle metaller refererer til gull, sølv, platina og deres legeringer brukt som biomedisinske materialer. Edelmetaller har utmerket biokompatibilitet, sterk oksidasjons- og korrosjonsbestandighet, unik fysisk og kjemisk stabilitet, utmerkede prosessegenskaper og er ikke-toksiske for menneskelig vev. De brukes i tannrestaureringer, kraniereparasjoner, implanterbare elektroniske enheter, nevrale proteser, aurikulære og diafragmatiske nervestimuleringsenheter, synsnerveenheter og pacemakerelektroder.
Tantal for tannrestaureringer har utmerket kjemisk stabilitet og motstand mot fysiologisk korrosjon. Tantaloksid er i hovedsak uabsorbert og ikke-giftig. Tantal kan kombineres med andre metaller uten å skade overflateoksidfilmen. I det daglige klinisk ser det ut til at det er mulig å binde metaller samtidig som man unngår forstyrrelse av det kontinuerlige oksidlaget som passiviserer overflatene deres. Fordi tantal, niob og zirkonium viser både mikrostruktur- og reaktivitetsprofiler som er tett på linje med titan, har de blitt evaluert for ulike implantatapplikasjoner, alt fra instrumenterte bentransplantater og skrue-retinerte tannrøtter til hengsleseksjoner av avtakbare proteser, tynne vaskulære stenter, f.eks. temperatur-modulerte totale kunstige hjerter. Likevel forblir jakten på disse metallene i rutinepraksis begrenset; deres iboende raffinement og fabrikasjonsøkonomi posisjonerer dem langt utover budsjettene til de fleste implantatmarginer.
