I. Определение и приложения на медицински метални материали
Медицинските метални материали, известни също като метални материали за хирургически импланти, се използват предимно за диагностика, лечение и подмяна или подобряване на тъканите в човешкото тяло. През последните 20 години, докато развитието на металните медицински материали е по-бавно от това на биомедицинските материали като полимери, композити, хибриди и производни, те предлагат множество незаменими свойства, които други медицински материали не могат да съпоставят, включително висока якост, добра якост, устойчивост на умора при огъване и отлични свойства за обработка. Те са най-широко използваните имплант-материали, носещи натоварване в клинични приложения. С развитието на технологията за 3D печат на метали, металните медицински материали придобиха по-широко приложение, като най-важните приложения включват плочи за фиксиране на фрактури, винтове, изкуствени стави и зъбни импланти.
II. Често използвани метални медицински материали
Основните метални материали, използвани в клиничните медицински приложения, включват неръждаема стомана, кобалтови сплави, титанови сплави, сплави с памет на формата, благородни метали и чисти метали като тантал, ниобий и цирконий.
1. Неръждаема стомана
Медицинската неръждаема стомана (неръждаемата стомана като биомедицински материал) е -базирана на желязо,-устойчива на корозия сплав и една от най-ранните разработени биомедицински сплави. Характеризира се с лекота на обработка и ниска цена. Оставянето на студена обработка да оформя неръждаемата стомана не само повишава границата на провлачване, но също така заздравява сплавта срещу ръжда, което от своя страна намалява шансовете за възникване на счупване от умора. Когато погледнете микроструктурата, неръждаемите стомани се подреждат като аустенитни, феритни, мартензитни или-закалени чрез утаяване. Не е изненада, че тези стомани са се превърнали в стандартно оборудване в медицинския свят; ще ги намерите изковани в хирургически ножове, под-релса на острие на ножица, челюсти на хемостат и тяло на куха игла. Освен ръчни инструменти, неръждаемите стомани служат и за приложения за имплантиране, включително изкуствени стави, фиксатори за пластини и винтове, опори за ортодонтски дъги и корпуси на клапани на механични сърдечни клапни устройства. Сред тези полезни методи доминират аустенитните степени на 316L и 317L, които имат изключително-ниско въглеродно съдържание за минимизиране на утаяването на карбид по границата на зърното. Писмената спецификация за тези сплави беше публикувана за първи път през 1987 г. в ревизията на стандарта ISO за имплантируеми метални материали, ISO 5832 и ISO 7153. Следвайки международния корпус, национален стандарт в моята страна, GB 12417, беше изготвен през 1990 г. и приет през 1991 г.
Биосъвместимостта и свързаните с нея проблеми на медицинската неръждаема стомана засягат предимно тъканни реакции, причинени от разтваряне на метални йони поради корозия или износване след имплантиране. Обширни клинични данни показват, че корозията на медицинска неръждаема стомана води до лоша -дългосрочна стабилност на импланта. Освен това неговата плътност и модул на еластичност се различават значително от тези на човешката твърда тъкан, което води до лоша механична съвместимост. Корозията може да накара метални йони или други съединения да навлязат в околните тъкани или тялото като цяло, което потенциално води до неблагоприятни хистологични реакции като оток, инфекция и тъканна некроза, което води до болка и алергични реакции. По-специално, разтварянето на никелови йони от неръждаема стомана може да причини сериозни патологични промени (често използваната аустенитна медицинска неръждаема стомана съдържа приблизително 10% никел). През последните години постепенно се разработват и прилагат медицински неръждаеми стомани с ниско-никел и-без никел.
2. Кобалтови сплави
Кобалтовите сплави (сплави на основата на Co- като биомедицински материали) също се използват често в медицински приложения. В сравнение с неръждаемата стомана, те са по-подходящи за производство на дълготрайни-импланти, подложени на значителни натоварвания в тялото, с устойчивост на корозия 40 пъти по-голяма от неръждаемата стомана. Първата кобалтова -метална сплав, предназначена за медицината, беше кобалт-хром-молибден, смес, която се охлажда до стабилна аустенитна структура. След това, в края на 70-те години, се появи вълна от нови опции, по-специално кобалт–никел–хром–алуминий–волфрам-желязо мутант, който показва превъзходна устойчивост на умора, и вариантът MP35N, който запазва ядрото от кобалт–никел–хром–алуминий, но аустенизира термомеханично до сложна многофазна микроструктура. Клиничната кобалтово-обеднена аустенитна матрица и кобалто-никелови варианти оттогава са превъзходни в протетичното инженерство.Те оформят стъблата и чашките на изкуствени бедра на базата на кобалт-хром Mo-, артикулиращите повърхности на коленете от сплав кобалт-хром и ортопедични закрепващи устройства, които включват обшивка за нестабилни фрактури, винтове за -трафик{1}}шевове и-монтирани с преса костни щифтове. Понастоящем лятите кобалт-хром-алуминиеви сплави са най-широко използваните и са включени в стандарта ISO 5582/4. През 1990 г. моята страна го включи в националния стандарт GB12417.
Кобалтовите сплави обикновено остават в пасивно състояние в човешкото тяло, като рядко корозират. В сравнение с неръждаемата стомана, тяхното пасивно фолио е по-стабилно и-устойчиво на корозия. Те също така предлагат най-добрата устойчивост на износване от всички медицински метални материали, като обикновено се смята, че не предизвикват забележими хистологични реакции след имплантиране. Въпреки това, поради високата си цена, изкуствените тазобедрени стави, направени от кобалтови сплави, показват висока степен на разхлабване in vivo поради освобождаването на Co и Ni йони, причинено от износване на метала и корозия. Освен това, утаените Co и Ni елементи представляват биологични предизвикателства, като тежка алергенност, която може лесно да причини клетъчна и тъканна некроза in vivo, което води до болка, разхлабване на ставите и потъване. Следователно тяхното приложение е ограничено. През последните години се използват техники за модифициране на повърхността за подобряване на повърхностните свойства на кобалтовите сплави, като ефективно се повишава тяхната клинична ефективност.
3. Титанови сплави
Сплавите на базата на Ti- като биомедицински материали са сред най-биосъвместимите познати метали. От 40-те години на миналия век титанът и титановите сплави постепенно намират приложение в клиничната медицина. През 1951 г. хората започват да използват чист титан за направата на костни пластини и винтове. В средата-1970-те години титанът и титановите сплави започват да получават широко медицинско приложение, превръщайки се в един от най-обещаващите медицински материали. В момента титанът и титановите сплави се използват предимно в ортопедията, особено при реконструкция на крайници и черепи. Те се използват за направата на различни устройства за фиксиране на фрактури, изкуствени стави, черепни капачки и твърда мозъчна обвивка, изкуствени сърдечни клапи, зъби, венци, задържащи пръстени и корони. Най-широко използваната титанова сплав в медицински приложения е TC4 (Ti-6Al-4V). Тази сплав има + двуфазна структура при стайна температура. Неговата якост и други механични свойства могат да бъдат значително подобрени чрез третиране с разтвор и стареене.
Плътността на титана и неговите сплави е приблизително 4,5 g/cm³, приблизително половината от тази на неръждаемата стомана и кобалтовите сплави, доближавайки се до тази на човешката твърда тъкан. Освен това, тяхната биосъвместимост, устойчивост на корозия и устойчивост на умора надминават тези на неръждаема стомана и кобалтови сплави, което ги прави в момента най-добрите метални медицински материали. Афинитетът на титана и неговите сплави към човешкото тяло произтича от плътния пасивиращ филм от титанов оксид (TiO2) върху техните повърхности, който след имплантиране предизвиква отлагането на калциеви и фосфорни йони в телесните течности за образуване на апатит. Това показва известна степен на биоактивност и костно свързване, което ги прави особено подходящи за вътрекостно имплантиране. Недостатъците на титана и неговите сплави обаче са тяхната ниска твърдост и ниска устойчивост на износване. Ако възникне износване, оксидният филм първо се разрушава, последвано от освобождаване на корозионни продукти от частици от износване, които навлизат в човешката тъкан. По-специално, токсичният ванадий (V) в сплавта Ti-6Al-4V може да причини повреда на импланта. За да се подобри устойчивостта на износване на титана и неговите сплави, може да се използва високотемпературно йонно аминиране или йонно имплантиране, за да се подобри тяхната повърхностна устойчивост на износване. През последните години бяха разработени някои нови титанови сплави (главно сплави от тип -тип), всички от които се фокусират върху редуциране на елементи, които са вредни за човешкото тяло, като ефективно подобряват биосъвместимостта на титановите сплави.
4. Сплави с памет за формата
Изследванията върху медицинските сплави с памет на формата (SMA) като биомедицински материали започват през 70-те години на миналия век и бързо придобиват широко приложение. Най-широко използваният SMA в клиничната практика е никел-титанов SMA. Температурата за възстановяване на паметта на формата на медицинските SMA е 36 ± 2 градуса, което съответства на температурата на човешкото тяло и демонстрира сравнима биосъвместимост с титаниеви сплави. Въпреки това, тъй като SMAs съдържат голямо количество никел, неправилната повърхностна обработка може да доведе до дифузия на никелови йони и проникване в околните тъкани, причинявайки некроза на клетките и тъканите. Медицинските SMA се използват предимно в пластичната хирургия и стоматологията. Саморазширяващите се стентове, по-специално сърдечно-съдовите стентове, са отличен пример за тяхното приложение.
5. Благородни метали и чисти метали: тантал, ниобий и цирконий
Медицинските благородни метали се отнасят до златото, среброто, платината и техните сплави, използвани като биомедицински материали. Благородните метали имат отлична биосъвместимост, силна устойчивост на окисление и корозия, уникална физическа и химическа стабилност, отлични характеристики на обработка и не- са токсични за човешката тъкан. Те се използват в зъбни възстановявания, ремонти на черепа, имплантируеми електронни устройства, неврални протези, устройства за стимулация на ушния и диафрагмалния нерв, устройства за зрителни нерви и електроди за пейсмейкър.
Танталът за дентални възстановявания има отлична химическа стабилност и устойчивост на физиологична корозия. Танталовият оксид по същество не се абсорбира и не-токсичен. Танталът може да се комбинира с други метали, без да се повреди повърхностния оксиден филм. В ежедневната клиника изглежда възможно свързването на метали, като същевременно се избягва разрушаването на непрекъснатия оксиден слой, който пасивира техните повърхности. Тъй като танталът, ниобият и цирконият показват както микроструктура, така и профили на реактивност, близки до тези на титана, те са оценени за различни приложения на импланти, вариращи от инструментални костни присадки и зъбни корени с винт-задържане до шарнирни части на подвижни протези, тънко-стентове на съдови стентове и широк спектър от устройства като напр. температурно-модулирани тотални изкуствени сърца. Независимо от това, преследването на тези метали в рутинната практика остава ограничено; тяхното присъщо усъвършенстване и икономика на производството ги позиционират далеч отвъд бюджетите на повечето маржове на импланти.
