I. Definiția și Aplicațiile Materialelor metalice medicale
Materialele metalice medicale, cunoscute și ca materiale metalice pentru implanturi chirurgicale, sunt utilizate în principal pentru diagnosticare, tratament și înlocuirea sau îmbunătățirea țesuturilor în corpul uman. În ultimii 20 de ani, deși dezvoltarea materialelor medicale metalice a fost mai lentă decât cea a materialelor biomedicale, cum ar fi polimerii, compozitele, hibrizii și derivații, acestea oferă numeroase proprietăți de neînlocuit pe care alte materiale medicale nu le pot egala, inclusiv rezistență ridicată, tenacitate bună, rezistență la oboseală la încovoiere și proprietăți excelente de procesare. Acestea sunt cele mai utilizate materiale de implant-porntă de sarcină în aplicațiile clinice. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de imprimare 3D din metal, materialele medicale metalice au câștigat o aplicare mai largă, cele mai importante aplicații incluzând plăci de fixare a fracturilor, șuruburi, articulații artificiale și implanturi dentare.
II. Materiale medicale metalice utilizate în mod obișnuit
Principalele materiale metalice utilizate în aplicațiile medicale clinice includ oțel inoxidabil, aliaje de cobalt, aliaje de titan, aliaje cu memorie de formă, metale prețioase și metale pure, cum ar fi tantalul, niobiul și zirconiul.
1. Oțel inoxidabil
Oțelul inoxidabil medical (oțel inoxidabil ca material biomedical) este un aliaj pe bază de fier-, rezistent la coroziune- și unul dintre cele mai vechi aliaje biomedicale dezvoltate. Se caracterizează prin ușurință de prelucrare și costuri reduse. Lăsând oțelul inoxidabil să formeze la rece, nu numai că crește rezistența la curgere, ci și întărește aliajul împotriva ruginii, ceea ce, la rândul său, reduce șansele de apariție a unei ruperi de oboseală. Când te uiți la microstructură, oțelurile inoxidabile se aliniază ca grade austenitice, feritice, martensitice sau întărite prin precipitare-. Nici o surpriză, aceste oțeluri au devenit unelte standard în lumea medicală; le veți găsi forjate în cuțite chirurgicale, sub-șina pe o lamă de foarfecă, fălcile unui hemostat și corpul unui ac gol. Dincolo de instrumentele de mână, oțelurile inoxidabile servesc și în aplicații implantabile, inclusiv articulații artificiale, fixatoare cu plăci și șuruburi, suporturi ortodontice pentru arcada și carcasele supapelor ale dispozitivelor mecanice ale supapelor cardiace. Printre aceste metode de utilitate, domină clasele austenitice de 316L și 317L, având conținut foarte-de carbon pentru a minimiza precipitațiile de carbură la limita granulelor. Specificațiile scrise pentru aceste aliaje au fost publicate pentru prima dată în revizuirea din 1987 a standardului ISO pentru materiale metalice implantabile, ISO 5832 și ISO 7153. În urma corpusului internațional, un standard național în țara mea, GB 12417, a fost elaborat în 1990 și adoptat în 1991.
Biocompatibilitatea și problemele conexe ale oțelului inoxidabil medical se referă în primul rând la reacțiile tisulare cauzate de dizolvarea ionilor metalici din cauza coroziunii sau uzurii după implantare. Datele clinice extinse demonstrează că coroziunea oțelului inoxidabil medical are ca rezultat o stabilitate slabă a implantului-pe termen lung. În plus, densitatea și modulul său elastic diferă semnificativ de cele ale țesutului dur uman, rezultând o compatibilitate mecanică slabă. Coroziunea poate face ca ionii metalici sau alți compuși să pătrundă în țesuturile înconjurătoare sau în organismul în ansamblu, ceea ce poate duce la reacții histologice adverse, cum ar fi edem, infecție și necroză tisulară, ducând la durere și reacții alergice. În special, dizolvarea ionilor de nichel din oțel inoxidabil poate provoca modificări patologice grave (oțelul inoxidabil medical austenitic utilizat în mod obișnuit conține aproximativ 10% nichel). În ultimii ani, oțelurile inoxidabile medicale fără-nichel și-nichel au fost dezvoltate și aplicate treptat.
2. Aliaje de cobalt
Aliajele de cobalt (aliaje pe bază de co-ca materiale biomedicale) sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit în aplicații medicale. În comparație cu oțelul inoxidabil, acestea sunt mai potrivite pentru fabricarea de implanturi pe termen lung-supuse unor sarcini solicitante în corp, cu rezistență la coroziune de 40 de ori mai mare decât oțelul inoxidabil. Primul aliaj de cobalt-metal conceput intenționat pentru medicină a fost cobalt-crom-molibden, un amestec care se răcește la o structură austenitică stabilă. Apoi, la sfârșitul anilor 1970, a apărut un val de noi opțiuni, în special un mutant de cobalt-nichel-crom-aluminiu-tungsten-fier forjat care prezintă o rezistență superioară la oboseală și varianta MP35N, care reține miezul cobalt-nichel-crom-aluminiu, dar austenitizează microfazatic un complex termofazatic. Matricea austenitică clinică mai slabă cu cobalt și variantele cobalt-nichel au excelat de atunci în ingineria protetică.Acestea modelează tulpinile și cupele șoldurilor artificiale pe bază de cobalt-crom Mo-, suprafețele de articulare ale genunchilor din aliaj de cobalt-crom și dispozitivele de fixare ortopedice, care includ placarea pentru fracturi instabile, șuruburi de-cusături de trafic și știfturi de os{{2}montate prin presare. În prezent, aliajele de cobalt-crom-aluminiu turnat sunt cele mai utilizate pe scară largă și sunt încorporate în standardul ISO 5582/4. În 1990, țara mea l-a inclus în standardul național GB12417.
Aliajele de cobalt rămân de obicei într-o stare pasivă în corpul uman, rareori corodându-se. În comparație cu oțelul inoxidabil, pelicula lor pasivă este mai stabilă și mai rezistentă-la coroziune. De asemenea, oferă cea mai bună rezistență la uzură dintre toate materialele metalice medicale, despre care se crede în general că nu produc reacții histologice vizibile după implantare. Cu toate acestea, datorită costului lor ridicat, articulațiile șoldurilor artificiale realizate din aliaje de cobalt prezintă o rată ridicată de slăbire in vivo datorită eliberării ionilor de Co și Ni cauzate de uzura metalului și coroziune. În plus, elementele Co și Ni precipitate prezintă provocări biologice, cum ar fi alergenitatea severă, care poate provoca cu ușurință necroză celulară și tisulară in vivo, ducând la durere, slăbire articulară și scufundare. În consecință, aplicarea lor a fost limitată. În ultimii ani, tehnicile de modificare a suprafeței au fost folosite pentru a îmbunătăți proprietățile suprafeței aliajelor de cobalt, sporind efectiv eficiența clinică a acestora.
3. Aliaje de titan
Aliajele pe bază de Ti-ca materiale biomedicale sunt printre cele mai biocompatibile metale cunoscute. Din anii 1940, titanul și aliajele de titan au câștigat treptat aplicare în medicina clinică. În 1951, oamenii au început să folosească titan pur pentru a face plăci osoase și șuruburi. La mijlocul-1970, titanul și aliajele de titan au început să capete aplicații medicale pe scară largă, devenind unul dintre cele mai promițătoare materiale medicale. În prezent, titanul și aliajele de titan sunt utilizate în principal în ortopedie, în special în reconstrucția membrelor și a craniului. Ele sunt folosite pentru a face diferite dispozitive de fixare a fracturilor, articulații artificiale, calote craniene și dura mater, valve cardiace artificiale, dinți, gingii, inele de reținere și coroane. Cel mai utilizat aliaj de titan în aplicații medicale este TC4 (Ti-6Al-4V). Acest aliaj are o structură + în două faze la temperatura camerei. Rezistența și alte proprietăți mecanice pot fi îmbunătățite semnificativ prin tratarea cu soluție și îmbătrânire.
Densitatea titanului și a aliajelor sale este de aproximativ 4,5 g/cm³, aproximativ jumătate din cea a oțelului inoxidabil și a aliajelor de cobalt, apropiindu-se de cea a țesutului dur uman. În plus, biocompatibilitatea, rezistența la coroziune și rezistența la oboseală le depășesc pe cele ale oțelului inoxidabil și aliajelor de cobalt, făcându-le în prezent cele mai bune materiale medicale metalice. Afinitatea titanului și a aliajelor sale pentru corpul uman provine din pelicula densă de pasivare de oxid de titan (TiO2) de pe suprafețele lor, care, după implantare, induce depunerea ionilor de calciu și fosfor în fluidele corporale pentru a forma apatită. Aceasta prezintă un anumit grad de bioactivitate și legare osoasă, făcându-le deosebit de potrivite pentru implantarea intraosoasă. Cu toate acestea, dezavantajele titanului și ale aliajelor sale sunt duritatea scăzută și rezistența scăzută la uzură. Dacă apare uzura, pelicula de oxid este mai întâi distrusă, urmată de eliberarea de produse de coroziune a particulelor de uzură care pătrund în țesutul uman. În special, vanadiul toxic (V) din aliajul de Ti-6Al-4V poate cauza eșecul implantului. Pentru a îmbunătăți rezistența la uzură a titanului și a aliajelor sale, aminarea ionică la temperatură înaltă sau implantarea ionică poate fi utilizată pentru a le îmbunătăți rezistența la uzură la suprafață. În ultimii ani, au fost dezvoltate câteva noi aliaje de titan (în principal aliaje de tip), care se concentrează toate pe reducerea elementelor care sunt dăunătoare organismului uman, îmbunătățind în mod eficient biocompatibilitatea aliajelor de titan.
4. Aliaje cu memorie de formă
Cercetările privind aliajele medicale cu memorie a formei (SMA) ca materiale biomedicale au început în anii 1970 și au câștigat rapid aplicare pe scară largă. Cel mai utilizat SMA în practica clinică este SMA de nichel-titan. Temperatura de recuperare cu memoria formei a SMA medicale este de 36 ± 2 grade, ceea ce se potrivește cu temperatura corpului uman și demonstrează o biocompatibilitate comparabilă cu aliajele de titan. Cu toate acestea, deoarece SMA-urile conțin o cantitate mare de nichel, tratamentul necorespunzător al suprafeței poate face ca ionii de nichel să se difuzeze și să pătrundă în țesuturile din jur, provocând necroză celulară și tisulară. SMA medicale sunt utilizate în principal în chirurgia plastică și stomatologie. Stenturile auto--expandibile, în special cele cardiovasculare, sunt un exemplu excelent de aplicare a acestora.
5. Metale prețioase și metale pure: tantal, niobiu și zirconiu
Metalele prețioase medicale se referă la aur, argint, platină și aliajele lor utilizate ca materiale biomedicale. Metalele prețioase au o biocompatibilitate excelentă, rezistență puternică la oxidare și coroziune, stabilitate fizică și chimică unică, caracteristici excelente de procesare și nu sunt-toxice pentru țesutul uman. Sunt utilizate în restaurări dentare, reparații craniene, dispozitive electronice implantabile, proteze neuronale, dispozitive de stimulare a nervilor auricular și diafragmatic, dispozitive pentru nervi vizuali și electrozi stimulatori cardiaci.
Tantalul pentru restaurări dentare are stabilitate chimică excelentă și rezistență la coroziune fiziologică. Oxidul de tantal este în esență neabsorbit și ne-toxic. Tantalul poate fi combinat cu alte metale fără a deteriora pelicula de oxid de suprafață. În clinica de zi cu zi, pare posibilă lipirea metalelor, evitând în același timp perturbarea stratului continuu de oxid care le pasivizează suprafețele. Deoarece tantalul, niobiul și zirconiul prezintă atât microstructură, cât și profile de reactivitate strâns aliniate cu cele ale titanului, acestea au fost evaluate pentru diverse aplicații de implant, variind de la grefe osoase instrumentate și rădăcini dentare reținute cu șuruburi până la secțiuni de balamale ale protezelor dentare amovibile, pereții subțiri și stenturile vasculare, cum ar fi modulul de temperatură total al dispozitivului vascular și spectrul vascular total. inimi artificiale. Cu toate acestea, urmărirea acestor metale în practica de rutină rămâne limitată; rafinamentul lor inerent și economia de fabricație îi poziționează cu mult peste bugetele majorității marjelor implantului.
