I. Opredelitev in uporaba medicinskih kovinskih materialov
Medicinski kovinski materiali, znani tudi kot kovinski materiali za kirurške vsadke, se uporabljajo predvsem za diagnozo, zdravljenje in zamenjavo ali izboljšanje tkiva v človeškem telesu. Medtem ko je bil v zadnjih 20 letih razvoj kovinskih medicinskih materialov počasnejši od razvoja biomedicinskih materialov, kot so polimeri, kompoziti, hibridi in derivati, ponujajo številne nenadomestljive lastnosti, s katerimi se drugi medicinski materiali ne morejo kosati, vključno z visoko trdnostjo, dobro žilavostjo, odpornostjo proti upogibanju in odličnimi lastnostmi obdelave. So najpogosteje uporabljeni materiali za-vsadke, ki nosijo obremenitev, v kliničnih aplikacijah. Z razvojem tehnologije 3D-tiskanja kovin so kovinski medicinski materiali dobili širšo uporabo, pri čemer so najpomembnejše aplikacije, vključno s ploščami za pritrjevanje zlomov, vijaki, umetnimi sklepi in zobnimi vsadki.
II. Pogosto uporabljeni kovinski medicinski materiali
Glavni kovinski materiali, ki se uporabljajo v kliničnih medicinskih aplikacijah, vključujejo nerjavno jeklo, kobaltove zlitine, titanove zlitine, zlitine s spominom oblike, plemenite kovine in čiste kovine, kot so tantal, niobij in cirkonij.
1. Nerjaveče jeklo
Medicinsko nerjavno jeklo (nerjavno jeklo kot biomedicinski material) je korozijsko-odporna zlitina-na osnovi železa in ena prvih razvitih biomedicinskih zlitin. Odlikuje ga enostavnost obdelave in nizki stroški. Če pustite, da se nerjavno jeklo oblikuje pri hladni obdelavi, se ne samo poveča meja tečenja, ampak se zlitina tudi utrdi proti rji, kar posledično zmanjša možnosti za nastanek zloma zaradi utrujenosti. Ko pogledate mikrostrukturo, so nerjavna jekla razvrščena kot avstenitna, feritna, martenzitna ali izločno-kaljena. Ni presenetljivo, ta jekla so postala standardna oprema v medicinskem svetu; našli jih boste vkovane v kirurške nože, pod-tirnico na rezilu škarij, čeljusti hemostata in telo votle igle. Poleg ročnih instrumentov so nerjavna jekla uporabna tudi pri aplikacijah za vsaditev, vključno z umetnimi sklepi, fiksatorji za plošče in vijake, nosilci ortodontske žice in ohišji ventilov mehanskih naprav za srčne zaklopke. Med temi uporabnimi metodami prevladujeta avstenitna razreda 316L in 317L, ki imata izjemno-nizko vsebnost ogljika za zmanjšanje izločanja karbida na mejah zrn. Pisna specifikacija za te zlitine je bila prvič objavljena v reviziji standarda ISO za kovinske materiale za vsaditev iz leta 1987, ISO 5832 in ISO 7153. Po mednarodnem korpusu je bil nacionalni standard v moji državi, GB 12417, pripravljen leta 1990 in sprejet leta 1991.
Biokompatibilnost in s tem povezana vprašanja medicinskega nerjavnega jekla zadevajo predvsem reakcije tkiva, ki jih povzroči raztapljanje kovinskih ionov zaradi korozije ali obrabe po implantaciji. Obsežni klinični podatki kažejo, da korozija medicinskega nerjavnega jekla povzroči slabo-dolgotrajno stabilnost implantata. Poleg tega se njegova gostota in modul elastičnosti bistveno razlikujeta od gostote in modula elastičnosti človeškega trdega tkiva, kar ima za posledico slabo mehansko kompatibilnost. Korozija lahko povzroči, da kovinski ioni ali druge spojine vstopijo v okoliška tkiva ali telo kot celoto, kar lahko vodi do neželenih histoloških reakcij, kot so edem, okužba in nekroza tkiva, kar povzroči bolečino in alergijske reakcije. Zlasti raztapljanje nikljevih ionov iz nerjavnega jekla lahko povzroči resne patološke spremembe (običajno uporabljeno avstenitno medicinsko nerjavno jeklo vsebuje približno 10 % niklja). V zadnjih letih so bila postopoma razvita in uporabljena medicinska nerjavna jekla z nizko-in -brez niklja.
2. Kobaltove zlitine
Kobaltove zlitine (zlitine na osnovi Co- kot biomedicinski materiali) se pogosto uporabljajo tudi v medicini. V primerjavi z nerjavnim jeklom so bolj primerni za izdelavo dolgotrajnih-vsadkov, ki so izpostavljeni zahtevnim obremenitvam v telesu, s 40-krat večjo odpornostjo proti koroziji kot pri nerjavnem jeklu. Prva kobaltova -kovinska zlitina, namenoma izdelana za medicino, je bila kobalt–krom–molibden, mešanica, ki se ohladi do stabilne avstenitne strukture. Nato se je v poznih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja pojavila množica novih možnosti, predvsem kobalt–nikelj–krom–aluminij–volfram-železni mutant, ki kaže vrhunsko odpornost proti utrujenosti, in različica MP35N, ki ohranja jedro kobalt–nikelj–krom–aluminij, a se termomehansko avstenitizira v kompleksno večfazno mikrostrukturo. Klinična avstenitna matrika z manjšo vsebnostjo kobalta in različice kobalt-nikelj so od takrat blestele v protetičnem inženirstvu.Oblikujejo stebla in čašice umetnih kolkov na osnovi kobalta in kroma Mo-, zgibne površine kolen iz zlitine kobalta in kroma in ortopedske pritrdilne naprave, ki vključujejo oblogo za nestabilne zlome, prometne -vijake za šive in-stiskane zatiče za kosti. Trenutno se najpogosteje uporabljajo lite kobalt-krom-aluminijeve zlitine in so vključene v standard ISO 5582/4. Leta 1990 ga je moja država vključila v nacionalni standard GB12417.
Kobaltove zlitine običajno ostanejo v pasivnem stanju v človeškem telesu in redko korodirajo. V primerjavi z nerjavnim jeklom je njihov pasivni film bolj stabilen in-odporen proti koroziji. Ponujajo tudi najboljšo odpornost proti obrabi med vsemi medicinskimi kovinskimi materiali, za katere se na splošno verjame, da po implantaciji ne povzročajo opaznih histoloških reakcij. Vendar pa umetni kolčni sklepi, izdelani iz kobaltovih zlitin, zaradi svojih visokih stroškov kažejo visoko stopnjo rahljanja in vivo zaradi sproščanja ionov Co in Ni, ki jih povzročata obraba kovin in korozija. Poleg tega oborjeni elementi Co in Ni predstavljajo biološke izzive, kot je huda alergenost, ki lahko zlahka povzroči nekrozo celic in tkiv in vivo, kar povzroči bolečino, zrahljanje sklepov in ugrezanje. Posledično je bila njihova uporaba omejena. V zadnjih letih so bile uporabljene tehnike površinske modifikacije za izboljšanje površinskih lastnosti kobaltovih zlitin, kar je učinkovito povečalo njihovo klinično učinkovitost.
3. Titanove zlitine
Zlitine na osnovi ti-a kot biomedicinski materiali so med znanimi najbolj biokompatibilnimi kovinami. Od leta 1940 so titan in titanove zlitine postopoma začeli uporabljati v klinični medicini. Leta 1951 so ljudje začeli uporabljati čisti titan za izdelavo kostnih plošč in vijakov. Sredi-70. let 20. stoletja so se titan in titanove zlitine začeli široko uporabljati v medicini in postali eden najbolj obetavnih medicinskih materialov. Trenutno se titan in titanove zlitine uporabljajo predvsem v ortopediji, zlasti pri rekonstrukciji okončin in lobanje. Uporabljajo se za izdelavo različnih fiksacijskih pripomočkov za zlome, umetnih sklepov, lobanjskih kap in dura mater, umetnih srčnih zaklopk, zob, dlesni, zadrževalnih obročev in kron. Najbolj razširjena titanova zlitina v medicini je TC4 (Ti-6Al-4V). Ta zlitina ima + dvofazno strukturo pri sobni temperaturi. Njegovo trdnost in druge mehanske lastnosti je mogoče znatno izboljšati z obdelavo raztopine in staranjem.
Gostota titana in njegovih zlitin je približno 4,5 g/cm³, kar je približno polovica gostote nerjavnega jekla in kobaltovih zlitin, kar se približuje gostoti človeškega trdega tkiva. Poleg tega njihova biokompatibilnost, odpornost proti koroziji in odpornost proti utrujenosti presegajo tiste iz nerjavnega jekla in kobaltovih zlitin, zaradi česar so trenutno najboljši kovinski medicinski materiali. Afiniteta titana in njegovih zlitin za človeško telo izhaja iz gostega pasivacijskega filma titanovega oksida (TiO2) na njihovih površinah, ki po implantaciji inducira odlaganje kalcijevih in fosforjevih ionov v telesnih tekočinah, da nastane apatit. To izkazuje določeno stopnjo bioaktivnosti in kostne vezi, zaradi česar so posebej primerni za intraosalno implantacijo. Pomanjkljivosti titana in njegovih zlitin pa so nizka trdota in slaba odpornost proti obrabi. Če pride do obrabe, se najprej uniči oksidni film, čemur sledi sproščanje produktov korozije obrabnih delcev, ki vstopajo v človeško tkivo. Zlasti strupeni vanadij (V) v zlitini Ti-6Al-4V lahko povzroči okvaro implantata. Za izboljšanje odpornosti proti obrabi titana in njegovih zlitin se lahko uporabi visokotemperaturna ionska aminacija ali ionska implantacija za izboljšanje njihove površinske odpornosti proti obrabi. V zadnjih letih je bilo razvitih nekaj novih titanovih zlitin (predvsem zlitin -tipa), ki se vse osredotočajo na redukcijo elementov, ki so škodljivi za človeško telo, kar učinkovito izboljša biokompatibilnost titanovih zlitin.
4. Zlitine s spominom oblike
Raziskave medicinskih zlitin s spominom oblike (SMA) kot biomedicinskih materialov so se začele v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in so hitro pridobile široko uporabo. Najpogosteje uporabljen SMA v klinični praksi je nikelj-titanov SMA. Temperatura obnovitve spomina oblike medicinskih SMA je 36 ± 2 stopinji, kar ustreza temperaturi človeškega telesa in kaže primerljivo biokompatibilnost s titanovimi zlitinami. Ker pa SMA vsebujejo veliko količino niklja, lahko neustrezna površinska obdelava povzroči difuzijo nikljevih ionov in prodiranje v okoliška tkiva, kar povzroči nekrozo celic in tkiv. Medicinski SMA se uporabljajo predvsem v plastični kirurgiji in zobozdravstvu. Samo{9}}razširljivi stenti, zlasti srčno-žilni stenti, so odličen primer njihove uporabe.
5. Plemenite kovine in čiste kovine: tantal, niobij in cirkonij
Medicinske plemenite kovine se nanašajo na zlato, srebro, platino in njihove zlitine, ki se uporabljajo kot biomedicinski materiali. Plemenite kovine imajo odlično biokompatibilnost, močno odpornost proti oksidaciji in koroziji, edinstveno fizikalno in kemično stabilnost, odlične procesne lastnosti in niso-toksične za človeško tkivo. Uporabljajo se pri obnovah zob, kranialnih popravilih, vsadljivih elektronskih napravah, nevronskih protezah, napravah za stimulacijo ušesnih in diafragmatičnih živcev, napravah za vidne živce in elektrodah za srčne spodbujevalnike.
Tantal za zobne restavracije ima odlično kemično stabilnost in odpornost na fiziološko korozijo. Tantalov oksid se v bistvu ne absorbira in ni -strupen. Tantal je mogoče kombinirati z drugimi kovinami, ne da bi poškodovali površinski oksidni film. V vsakdanji klinični praksi se zdi, da je mogoče povezati kovine, pri tem pa se izogniti motnjam neprekinjenega oksidnega sloja, ki pasivizira njihove površine. Ker imajo tantal, niobij in cirkonij profil mikrostrukture in reaktivnosti, ki sta tesno usklajena s profilom titana, so bili ovrednoteni za različne aplikacije vsadkov, od instrumentiranih kostnih presadkov in zobnih korenin,-zadržanih na vijakih, do zgibnih delov odstranljivih zobnih protez, tank{6}}stenskih žilnih stentov in širokega spektra naprav, kot je npr. temperaturno-modulirana totalna umetna srca. Kljub temu ostaja iskanje teh kovin v rutinski praksi omejeno; njihova inherentna prefinjenost in ekonomika izdelave jih postavljata daleč onkraj proračunov večine marž vsadkov.
