I. Definition og anvendelser af medicinske metalmaterialer
Medicinske metalmaterialer, også kendt som kirurgiske implantatmetalmaterialer, bruges primært til diagnose, behandling og vævserstatning eller forbedring i den menneskelige krop. I løbet af de sidste 20 år, mens udviklingen af medicinske metalmaterialer har været langsommere end biomedicinske materialer som polymerer, kompositter, hybrider og derivater, tilbyder de adskillige uerstattelige egenskaber, som andre medicinske materialer ikke kan matche, herunder høj styrke, god sejhed, modstandsdygtighed over for bøjningstræthed og fremragende forarbejdningsegenskaber. De er de mest udbredte lastbærende-implantatmaterialer i kliniske applikationer. Med udviklingen af metal 3D-printteknologi har medicinske metalmaterialer fået en bredere anvendelse, med de vigtigste anvendelser, herunder frakturfikseringsplader, skruer, kunstige led og tandimplantater.
II. Almindeligt anvendte medicinske metalmaterialer
De vigtigste metalmaterialer, der anvendes i klinisk medicinske applikationer, omfatter rustfrit stål, koboltlegeringer, titanlegeringer, formhukommelseslegeringer, ædelmetaller og rene metaller såsom tantal, niobium og zirconium.
1. Rustfrit stål
Medicinsk rustfrit stål (rustfrit stål som biomedicinsk materiale) er en jern-baseret, korrosionsbestandig-legering og en af de tidligste udviklede biomedicinske legeringer. Det er kendetegnet ved let forarbejdning og lave omkostninger. At lade koldt arbejde forme rustfrit stål øger ikke kun flydespændingen, men hærder også legeringen mod rust, hvilket igen mindsker chancerne for et træthedsbrud. Når du ser på mikrostrukturen, står rustfrit stål på linje med austenitiske, ferritiske, martensitiske eller nedbørshærdede-kvaliteter. Ingen overraskelse, disse stål er blevet standardudstyr i den medicinske verden; du finder dem smedet til kirurgiske knive, under-skinnen på et sakseblad, kæberne på en hæmostat og kroppen af en hul nål. Ud over håndinstrumenter tjener rustfrit stål også i implanterbare applikationer, herunder kunstige led, plade- og skruefiksatorer, ortodontiske buetrådsstøtter og ventilhuse til mekaniske hjerteklapanordninger. Blandt disse brugsmetoder dominerer de austenitiske kvaliteter af 316L og 317L, som har et ekstra-lavt kulstofindhold for at minimere korngrænsekarbidudfældning. Skriftlig specifikation for disse legeringer blev først offentliggjort i 1987-revisionen af ISO-standarden for implanterbare metalliske materialer, ISO 5832 og ISO 7153. Efter det internationale korpus blev en national standard i mit land, GB 12417, udarbejdet i 1990 og vedtaget i 1991.
Biokompatibiliteten og relaterede problemer ved medicinsk rustfrit stål vedrører primært vævsreaktioner forårsaget af metalionopløsning på grund af korrosion eller slid efter implantation. Omfattende kliniske data viser, at korrosion af medicinsk rustfrit stål resulterer i dårlig-implantatstabilitet. Ydermere adskiller dens tæthed og elasticitetsmodul sig væsentligt fra dem i menneskeligt hårdt væv, hvilket resulterer i dårlig mekanisk kompatibilitet. Korrosion kan få metalioner eller andre forbindelser til at trænge ind i omgivende væv eller kroppen som helhed, hvilket potentielt kan føre til uønskede histologiske reaktioner såsom ødem, infektion og vævsnekrose, hvilket resulterer i smerte og allergiske reaktioner. Især nikkelionopløsning fra rustfrit stål kan forårsage alvorlige patologiske ændringer (almindeligt anvendt austenitisk medicinsk rustfrit stål indeholder ca. 10 % nikkel). I de seneste år er lavt-nikkel- og nikkel--fri medicinsk rustfrit stål gradvist blevet udviklet og anvendt.
2. Koboltlegeringer
Koboltlegeringer (Co-baserede legeringer som biomedicinske materialer) er også almindeligt anvendt i medicinske applikationer. Sammenlignet med rustfrit stål er de mere velegnede til fremstilling af langtidsimplantater-, der udsættes for krævende belastninger i kroppen, med korrosionsbestandighed 40 gange større end rustfrit stål. Den første kobolt-metallegering, der målrettet blev konstrueret til medicin, var kobolt-chrom-molybdæn, en blanding, der afkøles til en stabil austenitisk struktur. Så, i slutningen af 1970'erne, dukkede en bølge af nye muligheder op, især en smedede kobolt-nikkel-krom-aluminium-wolfram-jernmutant, der viser overlegen træthedsmodstand, og MP35N-varianten, som bevarer kobolt-nikkel-krom-aluminium-kernen, men alligevel austenitiserer en kompleks termo-mekanisk kerne. Klinisk kobolt slankere austenitisk matrix og kobolt-nikkel varianter har siden udmærket sig inden for proteseteknik.De former stilkene og skålene af kobolt-krom Mo-baserede kunstige hofter, de ledoverflader af kobolt-kromlegeringsknæ og ortopædiske fastgørelsesanordninger, som omfatter plettering for ustabile brud, trafik-sømskruer og tryk-benstifter. I øjeblikket er støbt kobolt-chrom-aluminiumslegeringer de mest udbredte og er indarbejdet i ISO 5582/4-standarden. I 1990 inkluderede mit land det i den nationale standard GB12417.
Koboltlegeringer forbliver typisk i en passiv tilstand i menneskekroppen og korroderer sjældent. Sammenlignet med rustfrit stål er deres passive film mere stabil og korrosionsbestandig-. De tilbyder også den bedste slidstyrke af alle medicinske metalmaterialer, der generelt antages at frembringe ingen mærkbare histologiske reaktioner efter implantation. Men på grund af deres høje omkostninger udviser kunstige hofteled fremstillet af koboltlegeringer en høj grad af løsnelse in vivo på grund af frigivelsen af Co- og Ni-ioner forårsaget af metalslid og korrosion. Ydermere giver de udfældede Co- og Ni-elementer biologiske udfordringer, såsom alvorlig allergenicitet, som let kan forårsage celle- og vævsnekrose in vivo, hvilket fører til smerter, ledløsninger og synkning. Derfor er deres anvendelse blevet begrænset. I de senere år er overflademodifikationsteknikker blevet brugt til at forbedre overfladeegenskaberne af koboltlegeringer, hvilket effektivt forbedrer deres kliniske effektivitet.
3. Titaniumlegeringer
Ti-baserede legeringer som biomedicinske materialer er blandt de mest biokompatible metaller, der er kendt. Siden 1940'erne har titanium og titanlegeringer gradvist vundet anvendelse i klinisk medicin. I 1951 begyndte mennesker at bruge rent titanium til at lave knogleplader og skruer. I midten af-1970'erne begyndte titanium og titanlegeringer at få udbredt medicinsk anvendelse og blev et af de mest lovende medicinske materialer. I øjeblikket anvendes titanium og titanlegeringer primært i ortopædi, især til rekonstruktion af lemmer og kranier. De bruges til at lave forskellige brudfikseringsanordninger, kunstige led, kraniehætter og dura mater, kunstige hjerteklapper, tænder, tandkød, fastholdelsesringe og kroner. Den mest udbredte titanlegering i medicinske applikationer er TC4 (Ti-6Al-4V). Denne legering har en + tofaset struktur ved stuetemperatur. Dens styrke og andre mekaniske egenskaber kan forbedres væsentligt gennem opløsningsbehandling og ældning.
Tætheden af titanium og dets legeringer er cirka 4,5 g/cm³, omtrent halvdelen af densiteten af rustfrit stål og koboltlegeringer, nærmer sig den for menneskeligt hårdt væv. Desuden overgår deres biokompatibilitet, korrosionsbestandighed og udmattelsesbestandighed dem af rustfrit stål og koboltlegeringer, hvilket gør dem i øjeblikket til de bedste medicinske metalmaterialer. Affiniteten af titanium og dets legeringer til den menneskelige krop stammer fra den tætte titaniumoxid (TiO2) passiveringsfilm på deres overflader, som efter implantation inducerer aflejring af calcium- og fosforioner i kropsvæsker til dannelse af apatit. Dette udviser en vis grad af bioaktivitet og knoglebinding, hvilket gør dem særligt velegnede til intraossøs implantation. Ulemperne ved titanium og dets legeringer er imidlertid deres lave hårdhed og dårlige slidstyrke. Hvis der opstår slid, ødelægges oxidfilmen først, efterfulgt af frigivelsen af slidpartikelkorrosionsprodukter, der trænger ind i menneskeligt væv. Især det giftige vanadium (V) i Ti-6Al-4V-legering kan forårsage implantatfejl. For at forbedre slidstyrken af titanium og dets legeringer kan højtemperatur-ionaminering eller ionimplantation bruges til at forbedre deres overfladeslidstyrke. I de senere år er der udviklet nogle nye titanlegeringer (hovedsageligt -type legeringer), som alle fokuserer på at reducere elementer, der er skadelige for den menneskelige krop, og effektivt forbedre biokompatibiliteten af titanlegeringer.
4. Formhukommelseslegeringer
Forskning i medicinsk formhukommelseslegeringer (SMA'er) som biomedicinske materialer begyndte i 1970'erne og fik hurtigt udbredt anvendelse. Den mest udbredte SMA i klinisk praksis er nikkel-titanium SMA. Formhukommelsesgendannelsestemperaturen for medicinske SMA'er er 36 ± 2 grader, hvilket matcher menneskets kropstemperatur og demonstrerer sammenlignelig biokompatibilitet med titanlegeringer. Men fordi SMA'er indeholder en stor mængde nikkel, kan forkert overfladebehandling forårsage, at nikkelioner diffunderer og trænger ind i omgivende væv, hvilket forårsager celle- og vævsnekrose. Medicinske SMA'er bruges primært inden for plastikkirurgi og tandpleje. Selv-ekspanderende stents, især kardiovaskulære stents, er et godt eksempel på deres anvendelse.
5. Ædelmetaller og rene metaller: Tantal, Niobium og Zirconium
Medicinske ædelmetaller refererer til guld, sølv, platin og deres legeringer brugt som biomedicinske materialer. Ædelmetaller har fremragende biokompatibilitet, stærk oxidations- og korrosionsbestandighed, unik fysisk og kemisk stabilitet, fremragende behandlingsegenskaber og er ikke-toksiske for menneskeligt væv. De bruges til tandrestaureringer, kraniale reparationer, implanterbare elektroniske enheder, neurale proteser, øre- og diafragmatisk nervestimuleringsanordninger, synsnerveanordninger og pacemakerelektroder.
Tantal til dentale restaureringer har fremragende kemisk stabilitet og modstandsdygtighed over for fysiologisk korrosion. Tantaloxid er stort set uabsorberet og ikke-toksisk. Tantal kan kombineres med andre metaller uden at beskadige overfladeoxidfilmen. I dagligdagen synes klinisk ot muligt at binde metaller, samtidig med at man undgår afbrydelse af det kontinuerlige oxidlag, der passiviserer deres overflader. Fordi tantal, niobium og zirconium udviser både mikrostruktur- og reaktivitetsprofiler, der er tæt på linje med titaniums, er de blevet evalueret til forskellige implantatanvendelser, lige fra instrumenterede knogletransplantater og skrue-fastholdte tandrødder til hængselssektioner af aftagelige proteser, tyndvægge, vaskulære stenter og tyndvægge{{6} temperatur-modulerede samlede kunstige hjerter. Ikke desto mindre forbliver forfølgelsen af disse metaller i rutinemæssig praksis begrænset; deres iboende raffinement og fremstillingsøkonomi positionerer dem langt ud over budgetterne for de fleste implantatmargener.
