I. Medicininių metalų medžiagų apibrėžimas ir pritaikymas
Medicininės metalo medžiagos, taip pat žinomos kaip chirurginių implantų metalinės medžiagos, pirmiausia naudojamos diagnozuoti, gydyti ir žmogaus organizmo audinių pakeitimui ar gerinimui. Per pastaruosius 20 metų, nors metalinių medicininių medžiagų kūrimas buvo lėtesnis nei biomedicininių medžiagų, tokių kaip polimerai, kompozitai, hibridai ir dariniai, jos pasižymi daugybe nepakeičiamų savybių, kurių negali prilygti kitos medicininės medžiagos, įskaitant didelį stiprumą, gerą kietumą, atsparumą lenkimui ir puikias apdorojimo savybes. Tai yra plačiausiai klinikiniuose pritaikymuose naudojamos apkrovą{3}}nešančios implantų medžiagos. Plėtojant metalo 3D spausdinimo technologiją, metalinės medicininės medžiagos tapo plačiau pritaikomos, o svarbiausia – lūžių fiksavimo plokštelės, varžtai, dirbtiniai sąnariai ir dantų implantai.
II. Dažniausiai naudojamos metalinės medicininės medžiagos
Pagrindinės metalo medžiagos, naudojamos klinikinėje medicinoje, yra nerūdijantis plienas, kobalto lydiniai, titano lydiniai, formos atminties lydiniai, taurieji metalai ir gryni metalai, tokie kaip tantalas, niobis ir cirkonis.
1. Nerūdijantis plienas
Medicininis nerūdijantis plienas (nerūdijantis plienas kaip biomedicininė medžiaga) yra geležies{0}}pagrindo korozijai-atsparus lydinys ir vienas iš pirmųjų sukurtų biomedicininių lydinių. Jis pasižymi paprastu apdorojimu ir mažomis sąnaudomis. Nerūdijantis plienas ne tik padidina takumo ribą, bet ir sustiprina lydinį nuo rūdžių, o tai savo ruožtu sumažina nuovargio lūžimo tikimybę. Žvelgiant į mikrostruktūrą, nerūdijantis plienas yra austenitinio, ferito, martensitinio arba krituliais sukietintos klasės -. Nenuostabu, kad šie plienai medicinos pasaulyje tapo standartine įranga; rasite juos nukaltus į chirurginius peilius, žirklių ašmenų po-bėgelį, hemostato nasrus ir tuščiavidurės adatos korpusą. Be rankinių instrumentų, nerūdijantis plienas taip pat naudojamas implantuojant, įskaitant dirbtines jungtis, plokštelių ir varžtų fiksatorius, ortodontines lankines atramas ir mechaninių širdies vožtuvų įtaisų vožtuvų korpusus. Tarp šių naudingų metodų dominuoja austenitiniai 316 l ir 317 l, turintys ypač mažą anglies kiekį, kad sumažintų grūdelių ribos karbido nusodinimą. Rašytinė šių lydinių specifikacija pirmą kartą buvo paskelbta 1987 m. persvarstant implantuojamų metalinių medžiagų ISO standartą ISO 5832 ir ISO 7153. Remiantis tarptautiniu korpusu, mano šalies nacionalinis standartas GB 12417 buvo parengtas 1990 m. ir priimtas 1991 m.
Medicininio nerūdijančio plieno biologinis suderinamumas ir susiję klausimai pirmiausia susiję su audinių reakcijomis, kurias sukelia metalo jonų tirpimas dėl korozijos arba susidėvėjimo po implantacijos. Išsamūs klinikiniai duomenys rodo, kad medicininio nerūdijančio plieno korozija blogina ilgalaikį implanto stabilumą. Be to, jo tankis ir elastingumo modulis labai skiriasi nuo žmogaus kietojo audinio, todėl mechaninis suderinamumas yra prastas. Dėl korozijos metalo jonai ar kiti junginiai gali patekti į aplinkinius audinius arba į visą organizmą, o tai gali sukelti nepageidaujamas histologines reakcijas, tokias kaip edema, infekcija ir audinių nekrozė, sukelianti skausmą ir alergines reakcijas. Visų pirma, nikelio jonų ištirpimas iš nerūdijančio plieno gali sukelti rimtų patologinių pakitimų (dažniausiai naudojamas austenitinis medicininis nerūdijantis plienas turi apie 10 % nikelio). Pastaraisiais metais palaipsniui buvo kuriamas ir taikomas medicininis nerūdijantis plienas, kuriame yra mažai -nikelio ir nikelio{8}}.
2. Kobalto lydiniai
Kobalto lydiniai (Co{0}}pagrindo lydiniai kaip biomedicininės medžiagos) taip pat dažnai naudojami medicinoje. Palyginti su nerūdijančiu plienu, jie yra tinkamesni ilgalaikiams implantams, kuriems taikoma didelė kūno apkrova, gamybai, kurių atsparumas korozijai yra 40 kartų didesnis nei nerūdijančio plieno. Pirmasis kobalto -metalų lydinys, specialiai sukurtas medicinai, buvo kobalto, chromo ir molibdeno mišinys, kuris atvėsta iki stabilios austenitinės struktūros. Tada, aštuntojo dešimtmečio pabaigoje, atsirado daugybė naujų variantų, ypač kaltas kobalto, nikelio, chromo, aliuminio ir volframo -geležies mutantas, pasižymintis puikiu atsparumu nuovargiui, ir MP35N variantas, išlaikantis kobalto, nikelio, chromo ir aliuminio šerdį, tačiau mikromechaniškai austenitizuojantis kompleksinę termomechaninę struktūrą. Klinikinės kobalto liesesnės austenitinės matricos ir kobalto-nikelio variantai nuo to laiko puikiai pasirodė protezų inžinerijoje.Jie formuoja kobalto ir chromo Mo{0}}pagrindo dirbtinių klubų stiebus ir kaušelius, kobalto ir chromo lydinio kelių sąnarinius paviršius ir ortopedinius tvirtinimo įtaisus, apimančius nestabiliųjų lūžių dangą, susiuvimo{1}}sraigtus ir presuojamus-kaulinius kaiščius. Šiuo metu kobalto -chromo-aliuminio lydiniai yra plačiausiai naudojami ir yra įtraukti į ISO 5582/4 standartą. 1990 m. mano šalis įtraukė jį į nacionalinį standartą GB12417.
Kobalto lydiniai žmogaus kūne paprastai lieka pasyvioje būsenoje, retai korozijos metu. Palyginti su nerūdijančiu plienu, jų pasyvioji plėvelė yra stabilesnė ir atsparesnė korozijai{1}. Jie taip pat pasižymi geriausiu atsparumu dilimui iš visų medicininių metalinių medžiagų, paprastai manoma, kad po implantacijos nesukelia jokių pastebimų histologinių reakcijų. Tačiau dėl didelių sąnaudų dirbtiniai klubų sąnariai, pagaminti iš kobalto lydinių, pasižymi dideliu atsipalaidavimo greičiu in vivo, nes dėl metalo susidėvėjimo ir korozijos išsiskiria Co ir Ni jonai. Be to, nusodinti Co ir Ni elementai kelia biologinius iššūkius, tokius kaip stiprus alergiškumas, kuris gali lengvai sukelti ląstelių ir audinių nekrozę in vivo, dėl ko gali atsirasti skausmas, sąnarių atsipalaidavimas ir grimzti. Todėl jų taikymas buvo ribotas. Pastaraisiais metais paviršiaus modifikavimo metodai buvo naudojami siekiant pagerinti kobalto lydinių paviršiaus savybes, efektyviai didinant jų klinikinį efektyvumą.
3. Titano lydiniai
Ti-pagrindo lydiniai, kaip biomedicininės medžiagos, yra vieni geriausiai žinomų biologiškai suderinamų metalų. Nuo 1940-ųjų titanas ir titano lydiniai palaipsniui pradėjo taikyti klinikinėje medicinoje. 1951 m. žmonės pradėjo naudoti gryną titaną kaulų plokštelėms ir varžtams gaminti. Aštuntojo dešimtmečio viduryje{15}}titanas ir titano lydiniai pradėjo plačiai taikyti medicinoje ir tapo viena perspektyviausių medicininių medžiagų. Šiuo metu titanas ir titano lydiniai pirmiausia naudojami ortopedijoje, ypač galūnių ir kaukolių rekonstrukcijai. Iš jų gaminami įvairūs lūžių fiksavimo įtaisai, dirbtiniai sąnariai, kaukolės gaubteliai ir kietoji medžiaga, dirbtiniai širdies vožtuvai, dantys, dantenos, atraminiai žiedai, vainikėliai. Plačiausiai medicinoje naudojamas titano lydinys yra TC4 (Ti-6Al-4V). Šis lydinys kambario temperatūroje turi + dvifazę struktūrą. Jo stiprumas ir kitos mechaninės savybės gali būti žymiai pagerintos apdorojant tirpalu ir senstant.
Titano ir jo lydinių tankis yra maždaug 4,5 g/cm³, maždaug perpus mažesnis nei nerūdijančio plieno ir kobalto lydinių, o tai priartėja prie žmogaus kietojo audinio tankio. Be to, jų biologinis suderinamumas, atsparumas korozijai ir atsparumas nuovargiui pranoksta nerūdijančio plieno ir kobalto lydinių, todėl šiuo metu jie yra geriausios metalinės medicininės medžiagos. Titano ir jo lydinių afinitetas žmogaus organizmui kyla dėl tankios titano oksido (TiO2) pasyvinimo plėvelės ant jų paviršių, kuri po implantacijos sukelia kalcio ir fosforo jonų nusėdimą kūno skysčiuose ir susidaro apatitas. Tai pasižymi tam tikru biologinio aktyvumo ir kaulų surišimo laipsniu, todėl jie ypač tinkami intrakauliniam implantavimui. Tačiau titano ir jo lydinių trūkumai yra mažas jų kietumas ir menkas atsparumas dilimui. Jei susidėvi, pirmiausia sunaikinama oksido plėvelė, po to išsiskiria dilimo dalelių korozijos produktai, kurie patenka į žmogaus audinius. Ypač toksiškas vanadis (V) Ti-6Al-4V lydinyje gali sukelti implanto gedimą. Siekiant pagerinti titano ir jo lydinių atsparumą dilimui, gali būti naudojamas aukštos temperatūros jonų aminavimas arba jonų implantacija, siekiant padidinti jų paviršiaus atsparumą dilimui. Pastaraisiais metais buvo sukurti kai kurie nauji titano lydiniai (daugiausia – tipo lydiniai), kurių pagrindinis tikslas – sumažinti žmogaus organizmui kenksmingus elementus, efektyviai pagerinti titano lydinių biologinį suderinamumą.
4. Formos atminties lydiniai
Medicininių formų atminties lydinių (SMA), kaip biomedicininių medžiagų, tyrimai prasidėjo aštuntajame dešimtmetyje ir greitai tapo plačiai pritaikyti. Klinikinėje praktikoje plačiausiai naudojamas SMA yra nikelio -titano SMA. Medicininių SMA formų atminties atkūrimo temperatūra yra 36 ± 2 laipsniai, o tai atitinka žmogaus kūno temperatūrą ir rodo panašų biologinį suderinamumą su titano lydiniais. Tačiau kadangi SMA yra daug nikelio, netinkamas paviršiaus apdorojimas gali sukelti nikelio jonų difuziją ir prasiskverbimą į aplinkinius audinius, sukeldami ląstelių ir audinių nekrozę. Medicininiai SMA pirmiausia naudojami plastinėje chirurgijoje ir odontologijoje. Savaime-išsiplečiantys stentai, ypač širdies ir kraujagyslių sistemos stentai, yra puikus jų taikymo pavyzdys.
5. Taurieji metalai ir grynieji metalai: tantalas, niobis ir cirkonis
Medicininiai taurieji metalai yra auksas, sidabras, platina ir jų lydiniai, naudojami kaip biomedicininės medžiagos. Taurieji metalai pasižymi puikiu biologiniu suderinamumu, stipriu atsparumu oksidacijai ir korozijai, unikaliu fiziniu ir cheminiu stabilumu, puikiomis apdorojimo savybėmis ir nėra toksiški žmogaus audiniams. Jie naudojami dantų restauravimui, kaukolės taisymui, implantuojamiems elektroniniams prietaisams, nerviniams protezams, ausies ir diafragminio nervo stimuliavimo prietaisams, regos nervų prietaisams, širdies stimuliatoriaus elektrodams.
Dantų restauravimui skirtas tantalas pasižymi puikiu cheminiu stabilumu ir atsparumu fiziologinei korozijai. Tantalo oksidas iš esmės nėra absorbuojamas ir netoksiškas. Tantalą galima derinti su kitais metalais nepažeidžiant paviršiaus oksido plėvelės. Atrodo, kad kasdienėje klinikoje įmanoma surišti metalus, išvengiant ištisinio oksido sluoksnio, kuris pasyvina jų paviršius, pažeidimo. Kadangi tantalo, niobio ir cirkonio mikrostruktūros ir reaktyvumo profiliai yra glaudžiai sutampa su titano, jie buvo įvertinti dėl įvairių implantų pritaikymo būdų, pradedant instrumentiniais kaulų transplantatais ir sraigtinėmis{5}}išlaikomomis dantų šaknimis iki išimamų protezų vyrių dalių, plataus spektro kraujagyslinių įtaisų, plonų{6}}statmenų. temperatūros -moduliuotų visų dirbtinių širdžių. Nepaisant to, šių metalų naudojimas įprastinėje praktikoje išlieka ribotas; Dėl jų būdingo tobulinimo ir gamybos ekonomikos jie gerokai viršija daugumos implantų maržų biudžetus.
