I. Lääketieteellisten metallimateriaalien määritelmä ja sovellukset
Lääketieteellisiä metallimateriaaleja, jotka tunnetaan myös kirurgisten implanttien metallimateriaaleina, käytetään ensisijaisesti diagnoosiin, hoitoon ja kudosten korvaamiseen tai parantamiseen ihmiskehossa. Viimeisten 20 vuoden aikana metallisten lääketieteellisten materiaalien kehitys on ollut hitaampaa kuin biolääketieteellisten materiaalien, kuten polymeerien, komposiittien, hybridien ja johdannaisten, kehitys, mutta ne tarjoavat lukuisia korvaamattomia ominaisuuksia, joita muut lääketieteelliset materiaalit eivät voi verrata, mukaan lukien korkea lujuus, hyvä sitkeys, taivutusväsymiskestävyys ja erinomaiset prosessointiominaisuudet. Ne ovat kliinisissä sovelluksissa laajimmin käytettyjä-kuormitusta kantavia implanttimateriaaleja. Metallin 3D-tulostusteknologian kehityksen myötä metalliset lääketieteelliset materiaalit ovat saaneet laajemman käyttökohteen, ja tärkeimpiin sovelluksiin kuuluvat murtumakiinnityslevyt, ruuvit, tekonivelet ja hammasimplantit.
II. Yleisesti käytetyt metalliset lääketieteelliset materiaalit
Pääasiallisia kliinisissä lääketieteellisissä sovelluksissa käytettyjä metallimateriaaleja ovat ruostumaton teräs, kobolttilejeeringit, titaaniseokset, muotomuistiseokset, jalometallit ja puhtaat metallit, kuten tantaali, niobium ja zirkonium.
1. Ruostumaton teräs
Lääketieteellinen ruostumaton teräs (ruostumaton teräs biolääketieteellisenä materiaalina) on rauta-pohjainen, korroosion-kestävä metalliseos ja yksi varhaisimmista kehitetyistä biolääketieteellisistä seoksista. Sille on ominaista helppo käsittely ja alhaiset kustannukset. Ruostumattoman teräksen kylmäkäsittely ei ainoastaan nosta myötölujuutta, vaan myös sitkeyttää metalliseosta ruostetta vastaan, mikä puolestaan vähentää väsymismurtuman todennäköisyyttä. Mikrorakennetta tarkasteltaessa ruostumattomat teräkset ovat austeniittisia, ferriittisiä, martensiittisia tai saostuskovettuneita -. Ei yllätys, näistä teräksistä on tullut lääketieteen perusvarusteita; löydät ne taottuna kirurgisiksi veitsiksi, saksiterän alikisko-, hemostaatin leuat ja onton neulan runko. Käsiinstrumenttien lisäksi ruostumattomia teräksiä voidaan käyttää myös implantoitavissa sovelluksissa, mukaan lukien tekonivelet, levy- ja ruuvikiinnittimet, ortodontiset kaarilangat ja mekaanisten sydänläppälaitteiden venttiilikotelot. Näistä hyödyllisyysmenetelmistä hallitsevat austeniittiset 316L ja 317L-laadut, joiden hiilipitoisuus on erittäin-alhainen raerajakarbidisaostumisen minimoimiseksi. Näiden metalliseosten kirjalliset spesifikaatiot julkaistiin ensimmäisen kerran implantoitavien metallimateriaalien ISO-standardin ISO 5832 ja ISO 7153 tarkistuksessa vuonna 1987. Kansainvälisen aineiston jälkeen kotimaani kansallinen standardi GB 12417 laadittiin vuonna 1990 ja otettiin käyttöön vuonna 1991.
Lääketieteellisen ruostumattoman teräksen bioyhteensopivuus ja siihen liittyvät ongelmat koskevat ensisijaisesti kudosreaktioita, jotka aiheutuvat metalli-ionien liukenemisesta korroosion tai kulumisen seurauksena implantoinnin jälkeen. Laajat kliiniset tiedot osoittavat, että lääketieteellisen ruostumattoman teräksen korroosio johtaa huonoon-pitkän aikavälin implantin vakauteen. Lisäksi sen tiheys ja kimmomoduuli eroavat merkittävästi ihmisen kovan kudoksen vastaavista, mikä johtaa huonoon mekaaniseen yhteensopivuuteen. Korroosio voi aiheuttaa metalli-ionien tai muiden yhdisteiden pääsyn ympäröiviin kudoksiin tai koko kehoon, mikä voi johtaa haitallisiin histologisiin reaktioihin, kuten turvotukseen, infektioon ja kudosnekroosiin, mikä johtaa kipuun ja allergisiin reaktioihin. Erityisesti nikkeli-ionien liukeneminen ruostumattomasta teräksestä voi aiheuttaa vakavia patologisia muutoksia (yleisesti käytetty austeniittinen lääketieteellinen ruostumaton teräs sisältää noin 10 % nikkeliä). Viime vuosina on vähitellen kehitetty ja käytetty vähä-nikkeliä ja nikkeli{8}}vapaita lääketieteellisiä ruostumattomia teräksiä.
2. Kobolttilejeeringit
Kobolttiseoksia (Co-pohjaisia seoksia biolääketieteellisinä materiaaleina) käytetään myös yleisesti lääketieteellisissä sovelluksissa. Ruostumattomaan teräkseen verrattuna ne sopivat paremmin pitkäkestoisten-implanttien valmistukseen, jotka altistuvat keholle vaativille kuormituksille ja joiden korroosionkestävyys on 40 kertaa suurempi kuin ruostumaton teräs. Ensimmäinen koboltti-metalliseos, joka on tarkoituksella suunniteltu lääketieteeseen, oli koboltti-kromi-molybdeeni, seos, joka jäähtyy vakaaksi austeniittiseksi rakenteeksi. Sitten 1970-luvun lopulla ilmaantui suuri joukko uusia vaihtoehtoja, erityisesti taottu koboltti-nikkeli-kromi-alumiini-volframi{8}}rautamutantti, jolla on erinomainen väsymiskestävyys, ja MP35N-variantti, joka säilyttää koboltti-nikkeli-kromi-alumiiniytimen mutta austenisoi monimutkaisen termo-mekaanisen rakenteen. Kliiniset kobolttipainotteiset austeniittiset matriisi- ja koboltti-nikkelimuunnelmat ovat sittemmin menestyneet erinomaisesti proteesitekniikassa.Ne muotoilevat koboltti-kromi-Mo{0}}-pohjaisten tekolonkien varret ja kupit, koboltti-kromiseoksesta valmistettujen polvien nivelpinnat ja ortopediset kiinnityslaitteet, joihin kuuluu pinnoitus epävakaiden murtumien varalta, liikenne-saumaruuvit ja puristus-sovitetut luutapit. Tällä hetkellä valetut koboltti-kromi-alumiiniseokset ovat laajimmin käytettyjä, ja ne sisältyvät ISO 5582/4 -standardiin. Vuonna 1990 kotimaani sisällytti sen kansalliseen standardiin GB12417.
Kobolttilejeeringit pysyvät tyypillisesti passiivisessa tilassa ihmiskehossa, harvoin korroosiota. Ruostumattomaan teräkseen verrattuna niiden passiivinen kalvo on vakaampi ja korroosionkestävämpi-. Ne tarjoavat myös parhaan kulutuskestävyyden kaikista lääkinnällisistä metallimateriaaleista, joiden ei yleensä uskota aiheuttavan havaittavia histologisia reaktioita implantoinnin jälkeen. Kuitenkin niiden korkeiden kustannusten vuoksi kobolttiseoksista valmistetuilla keinotekoisilla lonkkanivelillä on korkea löystymisnopeus in vivo metallin kulumisen ja korroosion aiheuttamien Co- ja Ni-ionien vapautumisen vuoksi. Lisäksi saostuneet Co- ja Ni-elementit aiheuttavat biologisia haasteita, kuten vakavaa allergeenisuutta, mikä voi helposti aiheuttaa solu- ja kudosnekroosia in vivo, mikä johtaa kipuun, nivelten löystymiseen ja vajoamiseen. Tästä syystä niiden soveltamista on rajoitettu. Viime vuosina pinnan modifiointitekniikoita on käytetty parantamaan kobolttiseosten pintaominaisuuksia, mikä tehostaa tehokkaasti niiden kliinistä tehokkuutta.
3. Titaaniseokset
Ti-pohjaiset seokset biolääketieteellisinä materiaaleina ovat bioyhteensopivimpia tunnettuja metalleja. 1940-luvulta lähtien titaania ja titaaniseoksia on vähitellen alettu käyttää kliinisessä lääketieteessä. Vuonna 1951 ihmiset alkoivat käyttää puhdasta titaania luulevyjen ja ruuvien valmistukseen. 1970-luvun puolivälissä{15}}titaani ja titaaniseokset alkoivat saada laajaa lääketieteellistä käyttöä, ja niistä tuli yksi lupaavimpia lääketieteellisiä materiaaleja. Tällä hetkellä titaania ja titaaniseoksia käytetään pääasiassa ortopediassa, erityisesti raajojen ja kallon rekonstruktiossa. Niistä valmistetaan erilaisia murtumakiinnityslaitteita, tekoniveliä, kallon hattuja ja kovakalvoa, tekosydänläppäitä, hampaita, ikeniä, kiinnitysrenkaita ja kruunuja. Lääketieteellisissä sovelluksissa yleisimmin käytetty titaaniseos on TC4 (Ti-6Al-4V). Tällä lejeeringillä on + kaksifaasinen rakenne huoneenlämpötilassa. Sen lujuutta ja muita mekaanisia ominaisuuksia voidaan parantaa merkittävästi liuoskäsittelyn ja vanhentamisen avulla.
Titaanin ja sen seosten tiheys on noin 4,5 g/cm³, noin puolet ruostumattoman teräksen ja kobolttiseosten tiheydestä ja lähestyy ihmisen kovan kudoksen tiheyttä. Lisäksi niiden bioyhteensopivuus, korroosionkestävyys ja väsymiskestävyys ylittävät ruostumattoman teräksen ja kobolttiseosten vastaavat, mikä tekee niistä tällä hetkellä parhaita metallisia lääketieteellisiä materiaaleja. Titaanin ja sen seosten affiniteetti ihmiskehoon johtuu niiden pinnoilla olevasta tiheästä titaanioksidin (TiO2) passivointikalvosta, joka implantoinnin jälkeen indusoi kalsium- ja fosfori-ionien laskeutumista kehon nesteisiin muodostaen apatiittia. Tällä on tietty bioaktiivisuus ja luun sitoutuminen, mikä tekee niistä erityisen sopivia intraosseaaliseen implantaatioon. Titaanin ja sen seosten haittoja ovat kuitenkin niiden alhainen kovuus ja huono kulutuskestävyys. Jos kulumista tapahtuu, oksidikalvo tuhoutuu ensin, minkä jälkeen vapautuu kulumishiukkasten korroosiotuotteita, jotka pääsevät ihmiskudokseen. Erityisesti Ti-6Al-4V-seoksessa oleva myrkyllinen vanadiini (V) voi aiheuttaa implanttivaurion. Titaanin ja sen seosten kulutuskestävyyden parantamiseksi voidaan käyttää korkean lämpötilan ioniaminointia tai ioni-implantaatiota niiden pinnan kulumiskestävyyden parantamiseksi. Viime vuosina on kehitetty uusia titaaniseoksia (pääasiassa -tyyppisiä seoksia), jotka kaikki keskittyvät vähentämään ihmiskeholle haitallisia alkuaineita ja parantamaan tehokkaasti titaaniseosten biologista yhteensopivuutta.
4. Muistiseokset
Lääketieteellisten muotomuistiseosten (SMA:iden) tutkimus biolääketieteellisinä materiaaleina alkoi 1970-luvulla ja sai nopeasti laajan sovelluksen. Kliinisessä käytännössä yleisimmin käytetty SMA on nikkeli-titaani SMA. Lääketieteellisten SMA:iden muodon muistin palautumislämpötila on 36 ± 2 astetta, mikä vastaa ihmisen kehon lämpötilaa ja osoittaa biologista yhteensopivuutta titaaniseosten kanssa. Koska SMA:t sisältävät kuitenkin suuren määrän nikkeliä, väärä pintakäsittely voi saada nikkeli-ionit diffuusoitumaan ja tunkeutumaan ympäröiviin kudoksiin aiheuttaen solujen ja kudosten nekroosin. Lääketieteellisiä SMA:ita käytetään pääasiassa plastiikkakirurgiassa ja hammaslääketieteessä. Itselaajenevat-stentit, erityisesti sydän- ja verisuonistentit, ovat erinomainen esimerkki niiden käytöstä.
5. Jalometallit ja puhtaat metallit: tantaali, niobium ja zirkonium
Lääketieteellisillä jalometalleilla tarkoitetaan biolääketieteellisinä materiaaleina käytettyjä kultaa, hopeaa, platinaa ja niiden seoksia. Jalometalleilla on erinomainen biologinen yhteensopivuus, vahva hapettumisen ja korroosionkestävyys, ainutlaatuinen fyysinen ja kemiallinen stabiilius, erinomaiset prosessointiominaisuudet, eivätkä ne ole -myrkyllisiä ihmiskudokselle. Niitä käytetään hampaiden restauroinnissa, kallon korjauksissa, implantoitavissa elektroniikkalaitteissa, hermoproteeseissa, korva- ja palleahermostimulaatiolaitteissa, näköhermolaitteissa ja tahdistinelektrodeissa.
Hampaiden täytteiden tantaalilla on erinomainen kemiallinen stabiilisuus ja fysiologisen korroosionkestävyys. Tantaalioksidi on periaatteessa imeytymätöntä ja myrkytöntä. Tantaali voidaan yhdistää muihin metalleihin vahingoittamatta pintaoksidikalvoa. Arkipäiväisessä kliinisessä menetelmässä metallien sitominen näyttää mahdolliselta välttäen samalla niiden pintoja passivisoivan jatkuvan oksidikerroksen rikkoutumista. Koska tantaalilla, niobiumilla ja zirkoniumilla on sekä mikrorakenne- että reaktiivisuusprofiilit titaanin vastaavien kanssa, niitä on arvioitu erilaisiin implanttisovelluksiin, aina instrumentoiduista luusiirteistä ja ruuvilla{5}}säilytetyistä hammasjuurista irrotettavien hammasproteesien saranaosuuksiin, ohuisiin vaskulaarisiin osiin ja ohuisiin laitteisiin lämpötila{7}}moduloitunut tekosydämien kokonaismäärä. Siitä huolimatta näiden metallien harjoittaminen rutiininomaisessa käytännössä on rajattu; Niiden luontainen hienostuneisuus ja valmistustalous sijoittavat ne reilusti useimpien implanttimarginaalien budjeteihin.
