I. Medicīnisko metālu materiālu definīcija un pielietojums
Medicīniskos metāla materiālus, kas pazīstami arī kā ķirurģisko implantu metāla materiāli, galvenokārt izmanto diagnostikai, ārstēšanai un audu aizstāšanai vai uzlabošanai cilvēka ķermenī. Lai gan pēdējo 20 gadu laikā metālu medicīnisko materiālu izstrāde ir bijusi lēnāka nekā biomedicīnas materiālu, piemēram, polimēru, kompozītmateriālu, hibrīdu un atvasinājumu izstrāde, tie piedāvā daudzas neaizvietojamas īpašības, ar kurām nevar līdzināties citi medicīniskie materiāli, tostarp augsta izturība, laba stingrība, lieces noguruma izturība un lieliskas apstrādes īpašības. Tie ir klīniskajos lietojumos visplašāk izmantotie slodzi-nesošie implantu materiāli. Attīstoties metāla 3D drukas tehnoloģijai, metāla medicīniskie materiāli ir guvuši plašāku pielietojumu, un svarīgākie pielietojumi ir lūzumu fiksācijas plāksnes, skrūves, mākslīgās locītavas un zobu implanti.
II. Parasti izmantotie metāla medicīniskie materiāli
Galvenie metālu materiāli, ko izmanto klīniskajā medicīnā, ir nerūsējošais tērauds, kobalta sakausējumi, titāna sakausējumi, formu atmiņas sakausējumi, dārgmetāli un tīri metāli, piemēram, tantals, niobijs un cirkonijs.
1. Nerūsējošais tērauds
Medicīniskais nerūsējošais tērauds (nerūsējošais tērauds kā biomedicīnas materiāls) ir dzelzs{0}}korozijizturīgs- sakausējums un viens no agrākajiem biomedicīnas sakausējumiem. To raksturo apstrādes vienkāršība un zemas izmaksas. Ja nerūsējošais tērauds tiek apstrādāts aukstā veidā, tas ne tikai palielina tecēšanas robežu, bet arī nostiprina sakausējumu pret rūsu, kas savukārt samazina noguruma lūzuma iespējamību. Skatoties uz mikrostruktūru, nerūsējošais tērauds ir austenīta, ferīta, martensīta vai nokrišņu rūdīta tipa -. Nav pārsteigums, šie tēraudi ir kļuvuši par standarta aprīkojumu medicīnas pasaulē; jūs atradīsiet tos kaltus ķirurģiskos nažos, šķēres asmeņa-sliedes, hemostata spīles un dobas adatas korpusu. Papildus rokas instrumentiem nerūsējošais tērauds kalpo arī implantējamiem lietojumiem, tostarp mākslīgajiem savienojumiem, plākšņu un skrūvju fiksatoriem, ortodontiskajiem lokveida stieples balstiem un mehānisko sirds vārstuļu ierīču vārstu korpusiem. Šo lietderības metožu vidū dominē austenīta 316 L un 317 L, kam ir īpaši-zems oglekļa saturs, lai samazinātu graudu robežas karbīda nokrišņus. Šo sakausējumu rakstiskās specifikācijas pirmo reizi tika publicētas 1987. gadā, pārskatot implantējamo metālisko materiālu ISO standartu ISO 5832 un ISO 7153. Pēc starptautiskā korpusa nacionālais standarts manā valstī GB 12417 tika izstrādāts 1990. gadā un pieņemts 1991. gadā.
Medicīniskā nerūsējošā tērauda bioloģiskā saderība un ar to saistītās problēmas galvenokārt attiecas uz audu reakcijām, ko izraisa metāla jonu izšķīšana korozijas vai nodiluma dēļ pēc implantācijas. Plaši klīniskie dati liecina, ka medicīniskā nerūsējošā tērauda korozija izraisa sliktu implantu ilgtermiņa stabilitāti. Turklāt tā blīvums un elastības modulis ievērojami atšķiras no cilvēka cietajiem audiem, kā rezultātā ir slikta mehāniskā savietojamība. Korozija var izraisīt metālu jonu vai citu savienojumu iekļūšanu apkārtējos audos vai ķermenī kopumā, kas var izraisīt nevēlamas histoloģiskas reakcijas, piemēram, tūsku, infekciju un audu nekrozi, izraisot sāpes un alerģiskas reakcijas. Jo īpaši niķeļa jonu izšķīšana no nerūsējošā tērauda var izraisīt nopietnas patoloģiskas izmaiņas (parasti izmantotais austenīta medicīniskais nerūsējošais tērauds satur aptuveni 10% niķeļa). Pēdējos gados ir pakāpeniski izstrādāts un pielietots medicīniskais nerūsējošais tērauds ar zemu-niķeli un niķeli{8}.
2. Kobalta sakausējumi
Kobalta sakausējumi (sakausējumi uz Co{0}} bāzes kā biomedicīnas materiāli) tiek plaši izmantoti arī medicīnā. Salīdzinot ar nerūsējošo tēraudu, tie ir piemērotāki ilgstošai -termiņa implantu ražošanai, kas pakļauti lielai ķermeņa slodzei un kuru izturība pret koroziju ir 40 reizes lielāka nekā nerūsējošajam tēraudam. Pirmais kobalta-metālu sakausējums, kas mērķtiecīgi tika izstrādāts medicīnai, bija kobalts, hroms un molibdēns — maisījums, kas atdziest līdz stabilai austenīta struktūrai. Pēc tam 20. gadsimta 70. gadu beigās parādījās virkne jaunu iespēju, jo īpaši kalts kobalta–niķeļa–hroma–alumīnija–volframa -dzelzs mutants, kam ir izcila noguruma izturība, un MP35N variants, kas saglabā kobalta–niķeļa–hroma–alumīnija kodolu, taču mikrofāniski austenitizē kompleksu termomehāniski. Klīniskā kobalta austenīta matrica un kobalta-niķeļa varianti kopš tā laika ir bijuši izcili protezēšanas inženierijā.Tie veido mākslīgo gurnu kāti un kausus, kuru pamatā ir kobalts-hroms Mo{0}}, kobalta un hroma sakausējuma ceļgalu šarnīrsavienojošās virsmas un ortopēdiskās stiprinājuma ierīces, kas ietver apšuvumu nestabilu lūzumu gadījumos, šuvju skrūves un presētas-kaulu tapas. Pašlaik visplašāk tiek izmantoti kobalta-hroma{5}}alumīnija sakausējumi, un tie ir iekļauti ISO 5582/4 standartā. 1990. gadā mana valsts iekļāva to valsts standartā GB12417.
Kobalta sakausējumi cilvēka ķermenī parasti paliek pasīvā stāvoklī, reti korozējot. Salīdzinot ar nerūsējošo tēraudu, to pasīvā plēve ir stabilāka un{1}}izturīgāka pret koroziju. Tie piedāvā arī vislabāko nodilumizturību no visiem medicīniskajiem metālu materiāliem, parasti tiek uzskatīts, ka pēc implantācijas neizraisa manāmas histoloģiskas reakcijas. Tomēr to augsto izmaksu dēļ mākslīgie gūžas savienojumi, kas izgatavoti no kobalta sakausējumiem, uzrāda augstu atslābšanas ātrumu in vivo, jo tiek atbrīvoti Co un Ni joni, ko izraisa metāla nodilums un korozija. Turklāt nogulsnētie Co un Ni elementi rada bioloģiskas problēmas, piemēram, smagu alergēniskumu, kas var viegli izraisīt šūnu un audu nekrozi in vivo, izraisot sāpes, locītavu atslābināšanu un nogrimšanu. Līdz ar to to piemērošana ir ierobežota. Pēdējos gados virsmas modifikācijas metodes ir izmantotas, lai uzlabotu kobalta sakausējumu virsmas īpašības, efektīvi uzlabojot to klīnisko efektivitāti.
3. Titāna sakausējumi
Ti-sakausējumi kā biomedicīnas materiāli ir vieni no bioloģiski saderīgākajiem zināmajiem metāliem. Kopš 1940. gadiem titāns un titāna sakausējumi ir pakāpeniski pielietoti klīniskajā medicīnā. 1951. gadā cilvēki sāka izmantot tīru titānu, lai izgatavotu kaulu plāksnes un skrūves. 70. gadu vidū titāns un titāna sakausējumi sāka plaši izmantot medicīnā, kļūstot par vienu no daudzsološākajiem medicīnas materiāliem. Pašlaik titānu un titāna sakausējumus galvenokārt izmanto ortopēdijā, īpaši ekstremitāšu un galvaskausa rekonstrukcijā. No tiem tiek izgatavotas dažādas lūzumu fiksācijas ierīces, mākslīgās locītavas, galvaskausa vāciņi un dura mater, mākslīgie sirds vārstuļi, zobi, smaganas, fiksējošie gredzeni, kroņi. Medicīnā visplašāk izmantotais titāna sakausējums ir TC4 (Ti-6Al-4V). Šim sakausējumam istabas temperatūrā ir + divfāžu struktūra. Tās izturību un citas mehāniskās īpašības var ievērojami uzlabot, apstrādājot šķīdumu un novecojot.
Titāna un tā sakausējumu blīvums ir aptuveni 4,5 g/cm³, kas ir aptuveni puse no nerūsējošā tērauda un kobalta sakausējumu blīvuma, tuvojoties cilvēka cieto audu blīvumam. Turklāt to bioloģiskā saderība, izturība pret koroziju un izturība pret nogurumu pārspēj nerūsējošā tērauda un kobalta sakausējumu bioloģiskā savietojamība, izturība pret koroziju un izturība pret nogurumu, padarot tos par šobrīd labākajiem metāla medicīniskajiem materiāliem. Titāna un tā sakausējumu afinitāte pret cilvēka ķermeni izriet no blīvās titāna oksīda (TiO2) pasivācijas plēves uz to virsmām, kas pēc implantācijas izraisa kalcija un fosfora jonu nogulsnēšanos ķermeņa šķidrumos, veidojot apatītu. Tam piemīt noteikta bioaktivitātes pakāpe un kaulu saistīšanās, padarot tos īpaši piemērotus intraosseozai implantācijai. Tomēr titāna un tā sakausējumu trūkumi ir to zemā cietība un slikta nodilumizturība. Ja rodas nodilums, vispirms tiek iznīcināta oksīda plēve, pēc tam izdalās nodiluma daļiņu korozijas produkti, kas nonāk cilvēka audos. Jo īpaši toksiskais vanādijs (V) Ti-6Al-4V sakausējumā var izraisīt implanta bojājumu. Lai uzlabotu titāna un tā sakausējumu nodilumizturību, var izmantot augstas temperatūras jonu aminēšanu vai jonu implantāciju, lai uzlabotu to virsmas nodilumizturību. Pēdējos gados ir izstrādāti daži jauni titāna sakausējumi (galvenokārt -tipa sakausējumi), kas visi ir vērsti uz cilvēka ķermenim kaitīgo elementu samazināšanu, efektīvi uzlabojot titāna sakausējumu bioloģisko saderību.
4. Formas atmiņas sakausējumi
Medicīnisko formu atmiņas sakausējumu (SMA) kā biomedicīnas materiālu pētījumi sākās 1970. gados un ātri ieguva plašu pielietojumu. Klīniskajā praksē visplašāk izmantotais SMA ir niķeļa -titāna SMA. Medicīnisko SMA formas atmiņas atjaunošanas temperatūra ir 36 ± 2 grādi, kas atbilst cilvēka ķermeņa temperatūrai un demonstrē salīdzināmu bioloģisko saderību ar titāna sakausējumiem. Tomēr, tā kā SMA satur lielu daudzumu niķeļa, nepareiza virsmas apstrāde var izraisīt niķeļa jonu difūziju un iekļūšanu apkārtējos audos, izraisot šūnu un audu nekrozi. Medicīniskās SMA galvenokārt izmanto plastiskajā ķirurģijā un zobārstniecībā. Pašizplešanās-stenti, jo īpaši sirds un asinsvadu stenti, ir lielisks to pielietojuma piemērs.
5. Dārgmetāli un tīrie metāli: tantals, niobijs un cirkonijs
Medicīnas dārgmetāli attiecas uz zeltu, sudrabu, platīnu un to sakausējumiem, ko izmanto kā biomedicīnas materiālus. Dārgmetāliem ir lieliska bioloģiskā saderība, spēcīga oksidācijas un korozijas izturība, unikāla fizikālā un ķīmiskā stabilitāte, izcilas apstrādes īpašības, un tie nav-toksiski cilvēka audiem. Tos izmanto zobu restaurācijās, galvaskausa remontdarbos, implantējamās elektroniskajās ierīcēs, neironu protēzēs, auss un diafragmas nervu stimulācijas ierīcēs, redzes nervu ierīcēs un elektrokardiostimulatora elektrodos.
Tantalam zobu restaurācijām ir lieliska ķīmiskā stabilitāte un izturība pret fizioloģisko koroziju. Tantala oksīds būtībā nav absorbēts un nav -toksisks. Tantalu var kombinēt ar citiem metāliem, nesabojājot virsmas oksīda plēvi. Ikdienā klīniski šķiet iespējams savienot metālus, vienlaikus izvairoties no nepārtrauktā oksīda slāņa pārtraukšanas, kas pasivizē to virsmas. Tā kā tantalam, niobijam un cirkonim ir gan mikrostruktūras, gan reaktivitātes profili, kas ir cieši saskaņoti ar titāna profiliem, tie ir novērtēti dažādiem implantu pielietojumiem, sākot no instrumentāliem kaulu potzariem un skrūvējamām{5}}noturētajām zobu saknēm līdz izņemamo protēžu eņģu daļām, plašā spektra vaskulārajām ierīcēm un tādām plānām{6}strentām. temperatūras -modulētas kopējās mākslīgās sirdis. Tomēr šo metālu izmantošana ikdienas praksē joprojām ir ierobežota; to raksturīgā pilnveidošana un izgatavošanas ekonomika novieto tos krietni pāri lielākajai daļai implantu rezervju budžeta.
