I. Определение и применение медицинских металлических материалов
Медицинские металлические материалы, также известные как металлические материалы для хирургических имплантатов, в основном используются для диагностики, лечения, замены или улучшения тканей в организме человека. За последние 20 лет, хотя разработка металлических медицинских материалов шла медленнее, чем разработка биомедицинских материалов, таких как полимеры, композиты, гибриды и производные, они обладают многочисленными незаменимыми свойствами, с которыми не могут сравниться другие медицинские материалы, включая высокую прочность, хорошую ударную вязкость, сопротивление усталости при изгибе и отличные технологические свойства. Они являются наиболее широко используемыми-материалами для имплантатов, несущими нагрузку в клинической практике. С развитием технологии 3D-печати металлом металлические медицинские материалы получили более широкое применение, наиболее важными из которых являются пластины для фиксации переломов, винты, искусственные суставы и зубные имплантаты.
II. Обычно используемые металлические медицинские материалы
Основные металлические материалы, используемые в клинической медицине, включают нержавеющую сталь, кобальтовые сплавы, титановые сплавы, сплавы с памятью формы, драгоценные металлы и чистые металлы, такие как тантал, ниобий и цирконий.
1. Нержавеющая сталь
Медицинская нержавеющая сталь (нержавеющая сталь как биомедицинский материал) — это-коррозионно-стойкий-сплав на основе железа, один из первых разработанных биомедицинских сплавов. Он отличается простотой обработки и невысокой стоимостью. Придание нержавеющей стали холодной обработки формы не только повышает предел текучести, но и делает сплав более устойчивым к ржавчине, что, в свою очередь, снижает вероятность возникновения усталостного разрушения. Если посмотреть на микроструктуру, нержавеющие стали можно разделить на аустенитные, ферритные, мартенситные или дисперсионно-закаленные марки. Неудивительно, что эти стали стали стандартом в медицинском мире; вы обнаружите, что из них выкованы хирургические ножи, направляющая на лезвии ножниц, бранши кровоостанавливающего зажима и корпус полой иглы. Помимо ручных инструментов, нержавеющая сталь также используется в имплантируемых изделиях, включая искусственные суставы, пластинчатые и винтовые фиксаторы, опоры для ортодонтических дуг и корпуса клапанов механических устройств сердечного клапана. Среди этих полезных методов преобладают аустенитные марки 316L и 317L, имеющие сверх-низкое содержание углерода, позволяющее минимизировать выделение карбидов на границах зерен. Письменные спецификации для этих сплавов были впервые опубликованы в редакции 1987 года стандарта ISO для имплантируемых металлических материалов ISO 5832 и ISO 7153. Вслед за международным корпусом в 1990 году был разработан национальный стандарт в моей стране GB 12417, который был принят в 1991 году.
Биосовместимость и связанные с ней проблемы медицинской нержавеющей стали в первую очередь касаются реакций тканей, вызванных растворением ионов металла из-за коррозии или износа после имплантации. Обширные клинические данные показывают, что коррозия медицинской нержавеющей стали приводит к ухудшению долгосрочной-стабильности имплантата. Кроме того, его плотность и модуль упругости значительно отличаются от плотности и модуля упругости твердых тканей человека, что приводит к плохой механической совместимости. Коррозия может привести к попаданию ионов металлов или других соединений в окружающие ткани или организм в целом, что потенциально может привести к неблагоприятным гистологическим реакциям, таким как отек, инфекция и некроз тканей, что приводит к боли и аллергическим реакциям. В частности, растворение ионов никеля из нержавеющей стали может вызвать серьезные патологические изменения (обычно используемая аустенитная медицинская нержавеющая сталь содержит около 10% никеля). В последние годы постепенно разрабатываются и применяются медицинские нержавеющие стали с низким содержанием-никеля и-без никеля.
2. Кобальтовые сплавы
Сплавы кобальта (сплавы на основе Co- в качестве биомедицинских материалов) также широко используются в медицине. По сравнению с нержавеющей сталью они больше подходят для изготовления долгосрочных-имплантатов, подвергающихся высоким нагрузкам на организм, а их коррозионная стойкость в 40 раз выше, чем у нержавеющей стали. Первым металлическим сплавом кобальта-, специально разработанным для медицины, был кобальт-хром-молибден, смесь, которая при охлаждении приобретает стабильную аустенитную структуру. Затем, в конце 1970-х годов, появилось множество новых вариантов, в частности, кованый мутант из кобальта, никеля, хрома, алюминия и вольфрама-железа, который демонстрирует превосходную усталостную прочность, и вариант MP35N, который сохраняет сердцевину из кобальта, никеля, хрома и алюминия, но термомеханически аустенизируется до сложной многофазной микроструктуры. Клиническая аустенитная матрица с меньшим содержанием кобальта и кобальт-никелевые варианты с тех пор преуспели в протезировании.Они формируют ножки и чашечки искусственных тазобедренных суставов на основе кобальта-хромаМо-, сочленяющиеся поверхности коленей из кобальт-хромового сплава и ортопедические крепежные устройства, которые включают в себя пластины для нестабильных переломов, транспортировочные-шовные винты и запрессованные-костные штифты. В настоящее время литые кобальтовые-хромовые-алюминиевые сплавы являются наиболее широко используемыми и включены в стандарт ISO 5582/4. В 1990 году моя страна включила его в национальный стандарт GB12417.
Сплавы кобальта обычно остаются в организме человека в пассивном состоянии и редко подвергаются коррозии. По сравнению с нержавеющей сталью их пассивная пленка более стабильна и -устойчива к коррозии. Они также обладают лучшей износостойкостью среди всех медицинских металлических материалов, и обычно считается, что они не вызывают заметных гистологических реакций после имплантации. Однако из-за высокой стоимости искусственные тазобедренные суставы из кобальтовых сплавов обладают высокой скоростью расшатывания in vivo из-за выделения ионов Co и Ni, вызванных износом металла и коррозией. Кроме того, осажденные элементы Co и Ni представляют собой биологические проблемы, такие как серьезная аллергенность, которая может легко вызвать некроз клеток и тканей in vivo, что приводит к боли, расшатыванию суставов и опусканию. Следовательно, их применение было ограничено. В последние годы методы модификации поверхности использовались для улучшения свойств поверхности кобальтовых сплавов, эффективно повышая их клиническую эффективность.
3. Титановые сплавы
Сплавы на основе Ti-как биомедицинские материалы относятся к числу наиболее биосовместимых известных металлов. С 1940-х годов титан и титановые сплавы постепенно получили применение в клинической медицине. В 1951 году люди начали использовать чистый титан для изготовления костных пластин и винтов. В середине-1970-х годов титан и титановые сплавы начали получать широкое медицинское применение, став одними из наиболее перспективных медицинских материалов. В настоящее время титан и титановые сплавы преимущественно используются в ортопедии, в частности при реконструкции конечностей и черепа. Из них изготавливают различные приспособления для фиксации переломов, искусственные суставы, черепную и твердую мозговую оболочку, искусственные клапаны сердца, зубы, десны, стопорные кольца, коронки. Наиболее широко используемый в медицине титановый сплав — ТС4 (Ti-6Al-4V). Этот сплав имеет + двухфазную структуру при комнатной температуре. Его прочность и другие механические свойства можно значительно улучшить за счет обработки раствором и старения.
Плотность титана и его сплавов составляет примерно 4,5 г/см³, что примерно вдвое меньше, чем у нержавеющей стали и сплавов кобальта, и приближается к плотности твердых тканей человека. Кроме того, их биосовместимость, коррозионная стойкость и усталостная стойкость превосходят показатели нержавеющей стали и кобальтовых сплавов, что делает их на сегодняшний день лучшими металлическими медицинскими материалами. Сродство титана и его сплавов к организму человека обусловлено плотной пассивирующей пленкой оксида титана (TiO2) на их поверхности, которая после имплантации вызывает отложение ионов кальция и фосфора в жидкостях организма с образованием апатита. Они обладают определенной степенью биологической активности и связывания с костью, что делает их особенно подходящими для внутрикостной имплантации. Однако недостатками титана и его сплавов являются низкая твердость и плохая износостойкость. При износе сначала разрушается оксидная пленка с последующим выделением продуктов коррозии частиц износа, которые попадают в ткани человека. В частности, токсичный ванадий (V) в сплаве Ti-6Al-4V может вызвать отказ имплантата. Для повышения износостойкости титана и его сплавов можно использовать высокотемпературное ионное аминирование или ионную имплантацию, повышающую их поверхностную износостойкость. В последние годы были разработаны некоторые новые титановые сплавы (в основном сплавы -типа), все из которых направлены на снижение вредных для организма человека элементов, эффективно улучшая биосовместимость титановых сплавов.
4. Сплавы с памятью формы
Исследования медицинских сплавов с памятью формы (SMA) в качестве биомедицинских материалов начались в 1970-х годах и быстро получили широкое распространение. Наиболее широко используемым в клинической практике СМА является никель-титановый СМА. Температура восстановления памяти формы медицинских SMA составляет 36 ± 2 градуса, что соответствует температуре человеческого тела и демонстрирует сопоставимую биосовместимость с титановыми сплавами. Однако, поскольку СМА содержат большое количество никеля, неправильная обработка поверхности может привести к диффузии ионов никеля и проникновению в окружающие ткани, вызывая некроз клеток и тканей. Медицинские СМА в основном используются в пластической хирургии и стоматологии. Саморасширяющиеся стенты, особенно сердечно-сосудистые, являются ярким примером их применения.
5. Драгоценные и чистые металлы: тантал, ниобий и цирконий.
К медицинским драгоценным металлам относятся золото, серебро, платина и их сплавы, используемые в качестве биомедицинских материалов. Драгоценные металлы обладают превосходной биосовместимостью, сильной устойчивостью к окислению и коррозии, уникальной физической и химической стабильностью, отличными технологическими характеристиками и не-токсичны для тканей человека. Они используются при реставрации зубов, ремонте черепа, имплантируемых электронных устройствах, нервных протезах, устройствах стимуляции ушных и диафрагмальных нервов, устройствах зрительного нерва и электродах кардиостимулятора.
Тантал для стоматологических реставраций обладает превосходной химической стабильностью и устойчивостью к физиологической коррозии. Оксид тантала практически не усваивается и не-токсичен. Тантал можно сочетать с другими металлами, не повреждая поверхностную оксидную пленку. В повседневной клинической практике кажется возможным склеивать металлы, избегая при этом разрушения непрерывного оксидного слоя, пассивирующего их поверхности. Поскольку тантал, ниобий и цирконий обладают как микроструктурой, так и профилями реакционной способности, близкими к профилям титана, они были оценены для различных применений имплантатов, начиная от инструментальных костных трансплантатов и винтовых-корней зубов до шарнирных секций съемных зубных протезов, тонких-сосудистых стентов и широкого спектра устройств, таких как температурные-полные искусственные сердца. Тем не менее, поиск этих металлов в повседневной практике остается ограниченным; присущая им технологичность и экономичность изготовления ставят их далеко за рамки бюджета большинства имплантатов.
