I. Az orvosi fémanyagok meghatározása és alkalmazásai
Az orvosi fémanyagokat, más néven sebészeti implantátum fémanyagokat elsősorban diagnosztizálásra, kezelésre, valamint szövetpótlásra vagy javításra használják az emberi szervezetben. Az elmúlt 20 évben, miközben a fém gyógyászati anyagok fejlesztése lassabb volt, mint az orvosbiológiai anyagoké, mint például a polimerek, kompozitok, hibridek és származékok, számos olyan pótolhatatlan tulajdonságot kínálnak, amelyekkel más orvosi anyagok nem férnek hozzá, beleértve a nagy szilárdságot, a jó szívósságot, a hajlítási kifáradás ellenállását és a kiváló feldolgozási tulajdonságokat. Ezek a klinikai alkalmazásokban legszélesebb körben használt teherviselő-implantátumok. A fém 3D nyomtatási technológia fejlődésével a fém gyógyászati anyagok szélesebb körben elterjedtek, a legfontosabb felhasználási területek a törésrögzítő lemezek, csavarok, műízületek és fogászati implantátumok.
II. Általánosan használt fém gyógyászati anyagok
A klinikai orvosi alkalmazásokban használt fő fémanyagok közé tartozik a rozsdamentes acél, a kobaltötvözetek, a titánötvözetek, az alakmemóriájú ötvözetek, a nemesfémek és a tiszta fémek, például a tantál, a nióbium és a cirkónium.
1. Rozsdamentes acél
Az orvosi rozsdamentes acél (Stainless Steel as Biomedical Material) vas{0}}alapú, korrózióálló-ötvözet, és az egyik legkorábban kifejlesztett orvosbiológiai ötvözet. Könnyű feldolgozhatóság és alacsony költség jellemzi. A rozsdamentes acél hidegen történő megmunkálása nemcsak a folyáshatárt növeli, hanem az ötvözet rozsdával szemben is megkeményedik, ami viszont csökkenti a kifáradási törés esélyét. Ha a mikroszerkezetet nézzük, a rozsdamentes acélok ausztenites, ferrites, martenzites vagy csapadékkeményített - minőségűek. Nem meglepő, ezek az acélok az orvosi világ standard felszerelésévé váltak; megtalálja őket sebészeti késekké kovácsolva, az olló pengéjén lévő al-sínt, a vérzéscsillapító állkapcsait és egy üreges tű testét. A kézi műszereken kívül a rozsdamentes acélok beültethető alkalmazásokban is szolgálnak, beleértve a mesterséges ízületeket, a lemezes és csavaros rögzítőket, a fogszabályozási ívhuzaltartókat és a mechanikus szívbillentyűk szelepházait. Ezen használati módszerek között a 316L és 317L ausztenites minőségek dominálnak, amelyek extra-alacsony széntartalmúak, hogy minimalizálják a szemcsehatár karbid kiválását. Ezekre az ötvözetek írott specifikációi először a beültethető fémanyagok ISO szabványának, az ISO 5832-nek és az ISO 7153-nak az 1987-es felülvizsgálatában jelentek meg. A nemzetközi korpusz nyomán országomban, a GB 12417-es nemzeti szabványt 1990-ben dolgozták ki, és 1991-ben fogadták el.
Az orvosi rozsdamentes acél biokompatibilitása és ezzel kapcsolatos kérdései elsősorban a beültetés utáni korrózió vagy kopás következtében fellépő fémionok oldódása által okozott szöveti reakciókat érintik. Kiterjedt klinikai adatok bizonyítják, hogy az orvosi rozsdamentes acél korróziója rossz hosszú távú implantációs stabilitást{1}} eredményez. Ezenkívül sűrűsége és rugalmassági modulusa jelentősen eltér az emberi keményszövetétől, ami rossz mechanikai kompatibilitást eredményez. A korrózió fémionok vagy más vegyületek bejutását okozhatja a környező szövetekbe vagy a test egészébe, ami potenciálisan káros szövettani reakciókhoz, például ödémához, fertőzéshez és szöveti nekrózishoz vezethet, ami fájdalmat és allergiás reakciókat okozhat. Különösen a rozsdamentes acélból történő nikkelion kioldódása okozhat súlyos kóros elváltozásokat (az általánosan használt ausztenites orvosi rozsdamentes acél körülbelül 10% nikkelt tartalmaz). Az elmúlt években fokozatosan fejlesztették ki és alkalmazzák az alacsony-nikkel- és nikkel{8}mentes orvosi rozsdamentes acélokat.
2. Kobaltötvözetek
A kobaltötvözeteket (Co{0}}alapú ötvözetek orvosbiológiai anyagokként) szintén gyakran használják az orvosi alkalmazásokban. A rozsdamentes acélhoz képest alkalmasabbak hosszú távú, -tartós implantátumok gyártására, amelyek nagy igénybevételnek vannak kitéve a testben, és 40-szer nagyobb korrózióállósággal rendelkeznek, mint a rozsdamentes acél. Az első kobalt{5}}fémötvözet, amelyet szándékosan orvosi célokra fejlesztettek ki, a kobalt–króm–molibdén volt, amely keverék stabil ausztenites szerkezetté hűl. Az 1970-es évek végén aztán számos új lehetőség jelent meg, nevezetesen a kovácsolt kobalt–nikkel–króm–alumínium–volfram{8}}vas mutáns, amely kiválóan ellenáll a fáradtságnak, és az MP35N változat, amely megtartja a kobalt–nikkel–króm–alumínium magot, ugyanakkor mikrofázisosan ausztenitálja a komplex termofázis mechanikát. A klinikai kobalt karcsúbb ausztenites mátrix és kobalt-nikkel változatok azóta kiválóak a protézisek tervezésében.Megformázzák a kobalt–króm Mo{0}}alapú mesterséges csípők szárát és csészéit, a kobalt–krómötvözet térdek csuklós felületeit és ortopéd rögzítőeszközöket, amelyek magukban foglalják az instabil törések bevonatát, a varratcsavarokat és a préselt-csontcsapokat. Jelenleg az öntött kobalt-króm{5}}alumíniumötvözetek a legszélesebb körben használtak, és beépülnek az ISO 5582/4 szabványba. 1990-ben hazám felvette a GB12417 nemzeti szabványba.
A kobaltötvözetek jellemzően passzív állapotban maradnak az emberi testben, ritkán korrodálódnak. A rozsdamentes acélhoz képest a passzív filmjük stabilabb és korrózióállóbb-. Ezenkívül az összes orvosi fémanyag közül a legjobb kopásállóságot nyújtják, általában úgy gondolják, hogy a beültetés után nem okoznak észrevehető szövettani reakciókat. A kobaltötvözetekből készült mesterséges csípőízületek azonban magas költségük miatt nagymértékben lazulnak in vivo a fémkopás és korrózió okozta Co- és Ni-ionok felszabadulásának köszönhetően. Ezenkívül a kicsapódott Co- és Ni-elemek biológiai kihívásokat jelentenek, például súlyos allergenitást, amelyek könnyen sejt- és szövetelhalást okozhatnak in vivo, ami fájdalomhoz, ízületi lazuláshoz és süllyedéshez vezet. Következésképpen alkalmazásuk korlátozott. Az elmúlt években felületmódosítási technikákat alkalmaztak a kobaltötvözetek felületi tulajdonságainak javítására, hatékonyan fokozva klinikai hatékonyságukat.
3. Titánötvözetek
A Ti-alapú ötvözetek, mint orvosbiológiai anyagok, a biokompatibilis fémek közé tartoznak. Az 1940-es évek óta a titán és a titánötvözetek fokozatosan elterjedtek a klinikai gyógyászatban. 1951-ben az emberek tiszta titánt kezdtek használni csontlemezek és csavarok készítéséhez. Az 1970-es évek közepén{15}}a titán és a titánötvözetek széles körben elterjedtek az orvostudományban, és az egyik legígéretesebb gyógyászati anyaggá váltak. Jelenleg a titánt és a titánötvözeteket elsősorban az ortopédiában használják, különösen a végtagok és a koponya rekonstrukciójában. Különféle törésrögzítő eszközök, műízületek, koponyasapkák és dura mater, műszívbillentyűk, fogak, ínyek, tartógyűrűk, koronák készítésére szolgálnak. Az orvosi alkalmazásokban legszélesebb körben használt titánötvözet a TC4 (Ti-6Al-4V). Ez az ötvözet szobahőmérsékleten + kétfázisú szerkezettel rendelkezik. Szilárdsága és egyéb mechanikai tulajdonságai oldatos kezeléssel és öregítéssel jelentősen javíthatók.
A titán és ötvözeteinek sűrűsége körülbelül 4,5 g/cm³, nagyjából fele a rozsdamentes acél és kobaltötvözet sűrűségének, megközelítve az emberi keményszövet sűrűségét. Ezenkívül biológiai kompatibilitásuk, korrózióállóságuk és fáradtságállóságuk felülmúlja a rozsdamentes acél és a kobaltötvözetekét, így jelenleg a legjobb fém gyógyászati anyagok. A titán és ötvözeteinek affinitása az emberi szervezethez a felületükön található sűrű titán-oxid (TiO2) passzivációs filmből adódik, amely a beültetés után a testnedvekben a kalcium- és foszforionok lerakódását idézi elő, és apatitot képez. Ez bizonyos fokú bioaktivitást és csontkötést mutat, így különösen alkalmasak intraosseus beültetésre. A titán és ötvözeteinek hátránya azonban az alacsony keménység és a rossz kopásállóság. Ha kopás lép fel, először az oxidfilm tönkremegy, majd az emberi szövetekbe kerülő kopásszemcsés korróziós termékek szabadulnak fel. Különösen a Ti-6Al-4V ötvözetben lévő mérgező vanádium (V) okozhat implantátum meghibásodását. A titán és ötvözetei kopásállóságának javítására magas hőmérsékletű ion-aminálással vagy ionimplantációval javítható a felületi kopásállóságuk. Az elmúlt években néhány új titánötvözetet (főleg -típusú ötvözetek) fejlesztettek ki, amelyek mindegyike az emberi szervezetre káros elemek csökkentésére irányul, hatékonyan javítva a titánötvözetek biokompatibilitását.
4. Forma memória ötvözetek
Az orvosi alakmemóriás ötvözetek (SMA) mint orvosbiológiai anyagok kutatása az 1970-es években kezdődött, és gyorsan széles körben elterjedt. A klinikai gyakorlatban legszélesebb körben használt SMA a nikkel-titán SMA. Az orvosi SMA-k alakmemória-helyreállítási hőmérséklete 36 ± 2 fok, ami megfelel az emberi testhőmérsékletnek, és a titánötvözetekkel összehasonlítható biokompatibilitást mutat. Mivel azonban az SMA-k nagy mennyiségben tartalmaznak nikkelt, a nem megfelelő felületkezelés a nikkel-ionok diffundálódását és a környező szövetekbe való behatolást okozhatja, ami sejt- és szövetnekrózist okozhat. Az orvosi SMA-kat elsősorban a plasztikai sebészetben és a fogászatban használják. Az öntáguló sztentek, különösen a szív- és érrendszeri sztentek kiváló példái alkalmazásuknak.
5. Nemesfémek és tiszta fémek: tantál, nióbium és cirkónium
Az orvosi nemesfémek az arany, ezüst, platina és ezek ötvözetei, amelyeket orvosbiológiai anyagként használnak. A nemesfémek kiváló biokompatibilitással, erős oxidáció- és korrózióállósággal, egyedülálló fizikai és kémiai stabilitással, kiváló feldolgozási jellemzőkkel rendelkeznek, és nem-toxikusak az emberi szövetre. Fogpótlásoknál, koponyajavításoknál, beültethető elektronikai eszközöknél, idegprotéziseknél, fül- és rekeszizom idegstimuláló eszközöknél, vizuális idegeszközöknél és pacemaker elektródáknál alkalmazzák.
A fogpótlásokhoz használt tantál kiváló kémiai stabilitással és fiziológiai korrózióállósággal rendelkezik. A tantál-oxid lényegében nem szívódik fel és nem-toxikus. A tantál a felületi oxidfilm károsodása nélkül kombinálható más fémekkel. A mindennapi klinikai gyakorlatban lehetségesnek tűnik a fémek megkötése, miközben elkerülhető a felületüket passzivizáló folytonos oxidréteg felborulása. Mivel a tantál, a nióbium és a cirkónium mikroszerkezete és reaktivitási profilja szorosan illeszkedik a titánhoz, sokféle implantációs alkalmazásra értékelték őket, kezdve a műszeres csontgraftoktól és a csavaros foggyökerektől a kivehető fogsorok csuklós szakaszaiig, a széles vaszkuláris spektrumú eszközökig, mint például a vékony{6}}stületekig. hőmérséklet{7}}modulált teljes műszív. Mindazonáltal ezeknek a fémeknek a keresése a rutin gyakorlatban továbbra is korlátozott; rejlő finomítási és gyártási gazdaságosságuk jóval meghaladja a legtöbb implantátum árrésének költségvetését.
