I. Definition och tillämpningar av medicinska metallmaterial
Medicinska metallmaterial, även kända som kirurgiska implantatmetallmaterial, används främst för diagnos, behandling och vävnadsersättning eller förbättring i människokroppen. Under de senaste 20 åren, medan utvecklingen av medicinska metallmaterial har varit långsammare än biomedicinska material som polymerer, kompositer, hybrider och derivat, erbjuder de många oersättliga egenskaper som andra medicinska material inte kan matcha, inklusive hög hållfasthet, god seghet, böjutmattningsbeständighet och utmärkta bearbetningsegenskaper. De är de mest använda lastbärande-implantatmaterialen i kliniska tillämpningar. Med utvecklingen av metall 3D-utskriftsteknik har medicinska metallmaterial fått bredare tillämpning, med de viktigaste tillämpningarna inklusive frakturfixeringsplattor, skruvar, konstgjorda leder och dentala implantat.
II. Vanligt använda medicinska metallmaterial
De viktigaste metallmaterialen som används i kliniska medicinska tillämpningar inkluderar rostfritt stål, koboltlegeringar, titanlegeringar, formminneslegeringar, ädla metaller och rena metaller som tantal, niob och zirkonium.
1. Rostfritt stål
Medicinskt rostfritt stål (Stainless Steel as Biomedical Material) är en järn-baserad, korrosionsbeständig-legering och en av de tidigaste biomedicinska legeringarna som utvecklats. Det kännetecknas av enkel bearbetning och låg kostnad. Att låta kallarbete forma rostfritt stål ökar inte bara sträckgränsen utan härdar också legeringen mot rost, vilket i sin tur minskar risken för att ett utmattningsbrott ska inträda. När du tittar på mikrostrukturen ställer de rostfria stålen upp som austenitiska, ferritiska, martensitiska eller nederbördshärdade-kvaliteter. Ingen överraskning, dessa stål har blivit standardutrustning inom den medicinska världen; du hittar dem smidda till kirurgiska knivar, under-skenan på ett saxblad, käftarna på en hemostat och kroppen på en ihålig nål. Utöver handinstrument fungerar rostfria stål även i implanterbara applikationer, inklusive konstgjorda leder, platt- och skruvfixatorer, ortodontiska bågtrådsstöd och ventilhus för mekaniska hjärtklaffanordningar. Bland dessa användbarhetsmetoder dominerar de austenitiska kvaliteterna 316L och 317L, som har extra-lågt kolinnehåll för att minimera korngränskarbidutfällning. Skriftlig specifikation för dessa legeringar publicerades först i 1987 års revidering av ISO-standarden för implanterbara metalliska material, ISO 5832 och ISO 7153. Efter den internationella korpusen utarbetades en nationell standard i mitt land, GB 12417, 1990 och antogs 1991.
Biokompatibiliteten och relaterade problem med medicinskt rostfritt stål rör främst vävnadsreaktioner orsakade av metalljonupplösning på grund av korrosion eller slitage efter implantation. Omfattande kliniska data visar att korrosion av medicinskt rostfritt stål resulterar i dålig-implantatstabilitet. Dessutom skiljer sig dess densitet och elasticitetsmodul avsevärt från de för mänsklig hårdvävnad, vilket resulterar i dålig mekanisk kompatibilitet. Korrosion kan orsaka att metalljoner eller andra föreningar kommer in i omgivande vävnader eller kroppen som helhet, vilket kan leda till ogynnsamma histologiska reaktioner som ödem, infektion och vävnadsnekros, vilket resulterar i smärta och allergiska reaktioner. I synnerhet kan nickeljonupplösning från rostfritt stål orsaka allvarliga patologiska förändringar (vanligt använt austenitiskt medicinskt rostfritt stål innehåller cirka 10 % nickel). Under de senaste åren har låg-nickel- och nickel--fria medicinska rostfria stål gradvis utvecklats och applicerats.
2. Koboltlegeringar
Koboltlegeringar (Co-baserade legeringar som biomedicinska material) används också ofta i medicinska tillämpningar. Jämfört med rostfritt stål är de mer lämpade för tillverkning av-långtidsimplantat som utsätts för krävande belastningar i kroppen, med korrosionsbeständighet som är 40 gånger högre än rostfritt stål. Den första kobolt-metallegeringen som målmedvetet konstruerats för medicin var kobolt–krom–molybden, en blandning som kyls till en stabil austenitisk struktur. Sedan, i slutet av 1970-talet, uppstod en våg av nya alternativ, särskilt en smideskobolt–nickel–krom–aluminium–volfram-järnmutant som uppvisar överlägsen utmattningsbeständighet, och MP35N-varianten, som bibehåller kobolt–nickel–krom–aluminiumkärna för att samtidigt austenitisera en komplex termomekanisk kärna av mikromekanisk struktur. Klinisk kobolt magrare austenitisk matris och kobolt-nickel varianter har sedan dess utmärkt sig inom protesteknik.De formar stjälkarna och skålarna av kobolt-krom Mo-baserade konstgjorda höfter, de ledade ytorna på knäna av kobolt-kromlegering och ortopediska fästanordningar, som inkluderar plätering för instabila frakturer, trafik-sömsskruvar och pressade-benstift. För närvarande är gjutna kobolt-krom-aluminiumlegeringar de mest använda och ingår i ISO 5582/4-standarden. 1990 inkluderade mitt land det i den nationella standarden GB12417.
Koboltlegeringar förblir vanligtvis i ett passivt tillstånd i människokroppen och fräter sällan. Jämfört med rostfritt stål är deras passiva film mer stabil och-korrosionsbeständig. De erbjuder också den bästa slitstyrkan av alla medicinska metallmaterial, som allmänt tros inte ge några märkbara histologiska reaktioner efter implantation. På grund av deras höga kostnad uppvisar emellertid konstgjorda höftleder gjorda av koboltlegeringar en hög grad av lossning in vivo på grund av frigörandet av Co- och Ni-joner orsakade av metallslitage och korrosion. Dessutom utgör de utfällda Co- och Ni-elementen biologiska utmaningar, såsom allvarlig allergenicitet, som lätt kan orsaka cell- och vävnadsnekros in vivo, vilket leder till smärta, foglossning och sjunkning. Följaktligen har deras tillämpning begränsats. Under senare år har ytmodifieringstekniker använts för att förbättra ytegenskaperna hos koboltlegeringar, vilket effektivt förbättrar deras kliniska effektivitet.
3. Titanlegeringar
Ti-baserade legeringar som biomedicinska material är bland de mest biokompatibla metallerna som är kända. Sedan 1940-talet har titan och titanlegeringar gradvis vunnit tillämpning inom klinisk medicin. 1951 började människor använda rent titan för att göra benplattor och skruvar. I mitten av-1970-talet började titan och titanlegeringar få omfattande medicinsk tillämpning och blev ett av de mest lovande medicinska materialen. För närvarande används titan och titanlegeringar främst inom ortopedi, särskilt vid rekonstruktion av lem och skalle. De används för att tillverka olika frakturfixeringsanordningar, konstgjorda leder, dödskalle och dura mater, konstgjorda hjärtklaffar, tänder, tandkött, hållarringar och kronor. Den mest använda titanlegeringen i medicinska tillämpningar är TC4 (Ti-6Al-4V). Denna legering har en + tvåfasstruktur vid rumstemperatur. Dess styrka och andra mekaniska egenskaper kan förbättras avsevärt genom lösningsbehandling och åldrande.
Densiteten för titan och dess legeringar är ungefär 4,5 g/cm³, ungefär hälften av den för rostfritt stål och koboltlegeringar, närmar sig den för mänsklig hårdvävnad. Dessutom överträffar deras biokompatibilitet, korrosionsbeständighet och utmattningsbeständighet de för rostfritt stål och koboltlegeringar, vilket gör dem för närvarande till de bästa medicinska metallmaterialen. Titanets och dess legeringars affinitet för människokroppen härrör från den täta passiveringsfilmen av titanoxid (TiO2) på deras ytor, som efter implantation inducerar avsättning av kalcium- och fosforjoner i kroppsvätskor för att bilda apatit. Detta uppvisar en viss grad av bioaktivitet och benbindning, vilket gör dem särskilt lämpliga för intraossös implantation. Nackdelarna med titan och dess legeringar är dock deras låga hårdhet och dåliga slitstyrka. Om slitage uppstår förstörs först oxidfilmen, följt av frigörande av slitagepartikelkorrosionsprodukter som tränger in i mänsklig vävnad. I synnerhet kan det giftiga vanadinet (V) i Ti-6Al-4V-legeringen orsaka implantatfel. För att förbättra slitstyrkan hos titan och dess legeringar, kan högtemperaturjonaminering eller jonimplantation användas för att förbättra deras ytslitagemotstånd. Under de senaste åren har några nya titanlegeringar (främst legeringar av typen) utvecklats, som alla fokuserar på att reducera element som är skadliga för människokroppen, vilket effektivt förbättrar biokompatibiliteten hos titanlegeringar.
4. Formminneslegeringar
Forskning om medicinska formminneslegeringar (SMA) som biomedicinska material började på 1970-talet och fick snabbt en omfattande tillämpning. Den mest använda SMA i klinisk praxis är nickel-titan SMA. Formminnets återvinningstemperatur för medicinska SMA är 36 ± 2 grader, vilket matchar mänsklig kroppstemperatur och visar biokompatibilitet jämförbar med titanlegeringar. Men eftersom SMA innehåller en stor mängd nickel, kan felaktig ytbehandling göra att nickeljoner diffunderar och penetrerar omgivande vävnader, vilket orsakar cell- och vävnadsnekros. Medicinska SMA används främst inom plastikkirurgi och tandvård. Själv-expanderande stentar, särskilt kardiovaskulära stentar, är ett utmärkt exempel på deras tillämpning.
5. Ädelmetaller och rena metaller: Tantal, niob och zirkonium
Medicinska ädelmetaller hänvisar till guld, silver, platina och deras legeringar som används som biomedicinska material. Ädelmetaller har utmärkt biokompatibilitet, stark oxidations- och korrosionsbeständighet, unik fysisk och kemisk stabilitet, utmärkta bearbetningsegenskaper och är icke-toxiska för mänsklig vävnad. De används vid dentala restaureringar, kraniala reparationer, implanterbara elektroniska enheter, neurala proteser, öron- och diafragmanervstimuleringsenheter, synnervenheter och pacemakerelektroder.
Tantal för dentala restaureringar har utmärkt kemisk stabilitet och motståndskraft mot fysiologisk korrosion. Tantaloxid är i huvudsak oabsorberad och icke-giftig. Tantal kan kombineras med andra metaller utan att skada ytoxidfilmen. I vardagliga kliniska förhållanden verkar det vara möjligt att binda metaller samtidigt som man undviker störningar av det kontinuerliga oxidskiktet som passiviserar deras ytor. Eftersom tantal, niob och zirkonium uppvisar både mikrostruktur- och reaktivitetsprofiler som är nära inriktade med titan, har de utvärderats för olika implantattillämpningar, allt från instrumenterade bentransplantat och skruv-kvarhållna tandrötter till gångjärnssektioner av avtagbara proteser, tunna kärlstentar, t.ex. temperatur-modulerade totala konstgjorda hjärtan. Icke desto mindre är jakten på dessa metaller i rutinmässig praxis fortfarande begränsad; deras inneboende förfining och tillverkningsekonomi placerar dem långt bortom budgeten för de flesta implantatmarginaler.
