I. Визначення та застосування медичних металевих матеріалів
Медичні металеві матеріали, також відомі як металеві матеріали для хірургічних імплантатів, в основному використовуються для діагностики, лікування та заміни або покращення тканин в організмі людини. Протягом останніх 20 років, незважаючи на те, що розвиток металевих медичних матеріалів відбувався повільніше, ніж біомедичних матеріалів, таких як полімери, композити, гібриди та похідні, вони пропонують численні незамінні властивості, з якими інші медичні матеріали не можуть зрівнятися, включаючи високу міцність, хорошу в’язкість, стійкість до втоми при згині та відмінні властивості обробки. Вони є найбільш широко використовуваними-несучими навантаженнями імплантаційними матеріалами в клінічних застосуваннях. З розвитком технології 3D-друку з металу металеві медичні матеріали набули більш широкого застосування, з найважливішими застосуваннями, включаючи пластини для фіксації переломів, гвинти, штучні суглоби та зубні імплантати.
II. Зазвичай використовувані металеві медичні матеріали
Основні металеві матеріали, що використовуються в клінічній медицині, включають нержавіючу сталь, кобальтові сплави, титанові сплави, сплави з пам’яттю форми, дорогоцінні метали та чисті метали, такі як тантал, ніобій і цирконій.
1. Нержавіюча сталь
Медична нержавіюча сталь (нержавіюча сталь як біомедичний матеріал) – це стійкий до корозії-сплав на основі-заліза та один із найперших біомедичних сплавів. Відрізняється простотою обробки і невисокою вартістю. Холодна обробка нержавіючої сталі не тільки підвищує межу текучості, але й зміцнює сплав проти іржі, що, у свою чергу, зменшує ймовірність появи втомного руйнування. Коли ви дивитеся на мікроструктуру, нержавіюча сталь вирізняється як аустенітна, феритна, мартенситна або дисперсійна-зміцнена сталь. Не дивно, що ці сталі стали стандартним обладнанням у світі медицини; ви знайдете їх у вигляді хірургічних ножів, під-рейки на лезі ножиць, губок кровоостанавлювача та корпусу порожнистої голки. Крім ручних інструментів, нержавіюча сталь також використовується для імплантації, включаючи штучні суглоби, пластини та гвинтові фіксатори, опори для ортодонтичних дуг і корпуси клапанів механічних серцевих клапанів. Серед цих корисних методів домінують аустенітні марки 316L і 317L, які мають над-низький вміст вуглецю для мінімізації виділення карбіду на межі зерна. Письмова специфікація для цих сплавів була вперше опублікована в редакції стандарту ISO для імплантованих металевих матеріалів у 1987 році, ISO 5832 та ISO 7153. Після міжнародного корпусу національний стандарт у моїй країні, GB 12417, був розроблений у 1990 році та прийнятий у 1991 році.
Біологічна сумісність і пов’язані з нею проблеми медичної нержавіючої сталі в першу чергу стосуються реакцій тканин, викликаних розчиненням іонів металу внаслідок корозії або зносу після імплантації. Численні клінічні дані демонструють, що корозія медичної нержавіючої сталі призводить до низької -стабільності імплантату. Крім того, його щільність і модуль пружності значно відрізняються від твердих тканин людини, що призводить до поганої механічної сумісності. Корозія може спричинити потрапляння іонів металів або інших сполук у навколишні тканини або організм загалом, що потенційно може призвести до несприятливих гістологічних реакцій, таких як набряк, інфекція та некроз тканин, що призводить до болю та алергічних реакцій. Зокрема, розчинення іонів нікелю з нержавіючої сталі може викликати серйозні патологічні зміни (зазвичай використовувана аустенітна медична нержавіюча сталь містить приблизно 10% нікелю). Останніми роками поступово розробляються та застосовуються медичні нержавіючі сталі з низьким вмістом-нікелю та-без нього.
2. Кобальтові сплави
Кобальтові сплави (сплави на основі Co- як біомедичні матеріали) також широко використовуються в медицині. Порівняно з нержавіючої сталлю, вони більш придатні для виготовлення довгострокових-імплантатів, що піддаються високим навантаженням у тілі, з корозійною стійкістю в 40 разів вищою, ніж нержавіюча сталь. Першим кобальт-металевим сплавом, спеціально створеним для медицини, був кобальт–хром–молібден, суміш, яка охолоджується до стабільної аустенітної структури. Потім, наприкінці 1970-х років, з’явилася низка нових варіантів, зокрема кобальт–нікель–хром–алюміній–вольфрам-залізний мутант, який показує чудову стійкість до втоми, і варіант MP35N, який зберігає кобальт–нікель–хром–алюмінієве ядро, але термомеханічно аустенізує до складної багатофазної мікроструктури. Клінічна збіднена кобальтова аустенітна матриця та кобальто-нікелеві варіанти відтоді досягли успіху в протезній техніці.Вони формують ніжки та чашечки штучних стегон на основі кобальту й хрому Mo-, шарнірні поверхні колін зі сплаву кобальту й хрому та ортопедичні кріпильні пристрої, які включають пластини для нестабільних переломів, гвинти-прошивки та-натиснуті кісткові штифти. Наразі литі кобальт-хром-алюмінієві сплави є найбільш широко використовуваними та включені до стандарту ISO 5582/4. У 1990 році моя країна включила його до національного стандарту GB12417.
Кобальтові сплави зазвичай залишаються в пасивному стані в організмі людини, рідко піддаючись корозії. Порівняно з нержавіючої сталлю, їх пасивна плівка є більш стабільною та стійкою до-корозії. Вони також пропонують найкращу зносостійкість серед усіх медичних металевих матеріалів, які, як правило, не викликають помітних гістологічних реакцій після імплантації. Однак через високу вартість штучні тазостегнові суглоби, виготовлені з кобальтових сплавів, демонструють високу швидкість розпушування in vivo через вивільнення іонів Co та Ni, викликане зносом металу та корозією. Крім того, осаджені елементи Co та Ni представляють біологічні проблеми, такі як сильна алергенність, яка може легко спричинити некроз клітин і тканин in vivo, що призводить до болю, розхитування суглобів та западання. Відповідно, їхнє застосування було обмеженим. В останні роки методи модифікації поверхні були використані для покращення властивостей поверхні кобальтових сплавів, ефективно підвищуючи їх клінічну ефективність.
3. Титанові сплави
Сплави на основі Ti- як біомедичні матеріали є одними з найбільш біосумісних відомих металів. З 1940-х років титан і титанові сплави поступово знайшли застосування в клінічній медицині. У 1951 році люди почали використовувати чистий титан для виготовлення кісткових пластин і гвинтів. У середині-1970-х років титан і титанові сплави почали отримувати широке застосування в медицині, ставши одним із найперспективніших медичних матеріалів. В даний час титан і титанові сплави в основному використовуються в ортопедії, зокрема при реконструкції кінцівок і черепа. З них виготовляють різні апарати для фіксації переломів, штучні суглоби, кришки черепа і твердої мозкової оболонки, штучні клапани серця, зуби, ясна, стопорні кільця, коронки. Найбільш широко використовуваним титановим сплавом у медицині є TC4 (Ti-6Al-4V). Цей сплав має + двофазну структуру при кімнатній температурі. Його міцність та інші механічні властивості можна значно покращити шляхом обробки розчином і старінням.
Щільність титану та його сплавів становить приблизно 4,5 г/см³, що приблизно вдвічі менше, ніж у нержавіючої сталі та кобальтових сплавів, наближаючись до щільності людських твердих тканин. Крім того, їх біосумісність, стійкість до корозії та стійкість до втоми перевершують показники нержавіючої сталі та кобальтових сплавів, що робить їх наразі найкращими металевими медичними матеріалами. Спорідненість титану та його сплавів з людським тілом пов’язана з щільною пасивуючою плівкою оксиду титану (TiO2) на їх поверхні, яка після імплантації викликає відкладення іонів кальцію та фосфору в рідинах організму з утворенням апатиту. Це демонструє певний ступінь біоактивності та зв’язування кісток, що робить їх особливо придатними для внутрішньокісткової імплантації. Але недоліками титану і його сплавів є низька твердість і низька зносостійкість. У разі зношування спочатку руйнується оксидна плівка, а потім виділяються продукти корозії часток зносу, які потрапляють в тканини людини. Зокрема, токсичний ванадій (V) у сплаві Ti-6Al-4V може спричинити поломку імплантату. Щоб підвищити зносостійкість титану та його сплавів, можна використовувати високотемпературне іонне амінування або іонну імплантацію для підвищення стійкості їх поверхні до зносу. Останніми роками було розроблено кілька нових титанових сплавів (головним чином сплавів типу N), усі з яких зосереджені на відновлювальних елементах, які є шкідливими для людського організму, ефективно покращуючи біосумісність титанових сплавів.
4. Сплави з пам'яттю форми
Дослідження медичних сплавів з пам’яттю форми (SMA) як біомедичних матеріалів почалися в 1970-х роках і швидко отримали широке застосування. Найпоширенішим у клінічній практиці SMA є нікель-титановий SMA. Температура відновлення пам'яті форми медичних SMA становить 36 ± 2 градуси, що відповідає температурі людського тіла та демонструє порівнянну біосумісність з титановими сплавами. Однак, оскільки SMA містять велику кількість нікелю, неправильна обробка поверхні може спричинити дифузію іонів нікелю та проникнення в навколишні тканини, викликаючи некроз клітин і тканин. Медичні SMA в основному використовуються в пластичній хірургії та стоматології. Яскравим прикладом їх застосування є саморозширювальні стенти, зокрема серцево-судинні стенти.
5. Дорогоцінні та чисті метали: тантал, ніобій та цирконій
До медичних дорогоцінних металів належать золото, срібло, платина та їх сплави, що використовуються як біомедичні матеріали. Дорогоцінні метали мають чудову біосумісність, сильну стійкість до окислення та корозії, унікальну фізичну та хімічну стабільність, відмінні характеристики обробки та не-токсичні для тканин людини. Вони використовуються в стоматологічних реставраціях, ремонті черепа, імплантованих електронних пристроях, нейронних протезах, пристроях для стимуляції вушних і діафрагмальних нервів, пристроях зорового нерва та електродах кардіостимуляторів.
Тантал для реставрації зубів має відмінну хімічну стабільність і стійкість до фізіологічної корозії. Оксид танталу практично не поглинається й не-токсичний. Тантал можна комбінувати з іншими металами, не пошкоджуючи поверхневу оксидну плівку. У повсякденній клінічній практиці здається можливим склеювати метали, уникаючи при цьому руйнування безперервного оксидного шару, який пасивує їхні поверхні. Оскільки тантал, ніобій і цирконій демонструють як мікроструктуру, так і профілі реактивності, тісно пов’язані з профілі титану, їх було оцінено для різноманітних застосувань імплантатів, починаючи від інструментальних кісткових трансплантатів і гвинтових-зберігаються зубних коренів до шарнірних частин знімних протезів, тонкостінних-судинних стентів і широкого спектру пристроїв, таких як температурно-модульовані тотальні штучні серця. Тим не менш, погоня за цими металами в рутинній практиці залишається обмеженою; їх притаманна економічність удосконалення та виробництва виводить їх далеко за рамки бюджету більшості імплантатів.
