Biomedicínské kovy, známé také jako kovy pro chirurgické implantáty, jsou slitiny používané pro diagnostiku, léčbu a k nahrazení nebo zlepšení funkce tkání v těle. Kov byl jedním z prvních lékařských materiálů, které se kdy používaly, a to dokonce již 400 až 300 let před naším letopočtem, kdy Féničané používali dráty k opravě chybějících zubů. Ve 30. letech 20. století, kdy se v zubním lékařství a ortopedii začala úspěšně používat slitina kobaltu a chromu, nerezová ocel a slitina titanu, se kovové biomedicínské materiály staly horkým tématem v oblasti chirurgického výzkumu. V 70. letech 20. století podpořilo úspěšné použití slitiny s tvarovou pamětí Ni-Ti v klinické medicíně a vývoj biomedicínských povlakových materiálů na kovové povrchy aplikace biomedicínských kovových slitin. Požadavky na biomedicínské kovové materiály by měly být následující:

  • Dobré mechanické vlastnosti

Biomedicínské kovové materiály by měly být obecně lehké, mít vynikající pevnost a houževnatost, nízký modul pružnosti, dobrou únavovou odolnost, odolnost proti tečení a potřebnou odolnost proti opotřebení a samomazání. V důsledku úrazu, nádoru a dalších faktorů, poškození kostí a kloubů je nutné vytvořit stabilní kostní lešení s obloukovou destičkou, šroubem, umělou kostí a kloubem. Tyto dlouhodobé implantáty jsou vystaveny ohýbání, stlačování a svalovým kontrakcím a vyžadují vysokou pevnost a houževnatost.

  • Vynikající odolnost proti korozi

Koroze kovových materiálů ve zdravotnictví je způsobena zejména: obecnou rovnoměrnou korozí: povrch implantovaných materiálů je vystaven fyziologickému prostředí člověka a dochází k elektrolytickému působení; bodovou korozí způsobenou smícháním materiálů implantátu s nečistotami; mezikrystalovou korozí způsobenou různými složkami a fyzikálními a chemickými vlastnostmi; galvanickou korozí způsobenou smíšeným použitím materiálů s různou ionizační energií; opotřebením a korozí mezi implantátem a lidskou tkání; napěťovou korozí způsobenou koncentrací napětí v části implantovaného materiálu v důsledku zatížení; únavovou korozí v důsledku poškození materiálu implantátu a podobně.

  • Biokompatibilita

Biokompatibilita je důležitým ukazatelem pro měření kvality materiálů. Odkazuje na vzájemnou toleranci a přizpůsobení lidské tkáně a materiálu implantátu, tj. zda materiál implantátu nezpůsobí poškození, toxicitu nebo jiné poškození lidské tkáně. Biomedicínské materiály by neměly mít toxické, stimulační, karcinogenní, mutační a jiné účinky na lidský organismus. Žádná odmítavá reakce v lidském těle; Pevná vazba s okolní kostí a dalšími tkáněmi, nejlépe chemicky vázaná a biologicky aktivní; Žádná hemolýza, koagulační reakce, to znamená s antitrombotikem.

  • Žádný magnetismus

Kovové materiály nejsou ovlivňovány elektromagnetickými poli a bouřkovým počasím, což přispívá k bezpečnosti lidí.

Ve srovnání s polymerními materiály, kompozitními materiály, hybridními a odvozenými materiály a dalšími biomedicínskými materiály nabízejí kovové zdravotnické materiály vysokou pevnost, dobrou houževnatost a únavovou pevnost v ohybu, vynikající výkon při obrábění a další vynikající vlastnosti, které jsou nejrozšířenějšími materiály pro implantáty v klinické praxi. Technologie 3D tisku kovů umožnila širší využití kovových zdravotnických materiálů, mezi typické aplikační komponenty patří destičky pro vnitřní fixaci zlomenin, šrouby, umělé klouby a zubní kořenové implantáty. V současné době zahrnují kovové materiály pro lékařství především nerezovou ocel, kobaltovou slitinu, slitinu titanu, slitinu s tvarovou pamětí, drahé kovy a čisté kovy tantal, niob, zirkonium atd.

Nerezová ocel

Lékařská nerezová ocel je jednou z původně používaných biomedicínských slitin, snadno se zpracovává, má nízkou cenu, dobrou odolnost proti korozi a mez kluzu a lze ji zlepšit zpracováním za studena, čímž se zabrání únavovému lomu. Nejčastěji používaným typem je austenitická nerezová ocel 304/304L, 316/316L a 317L, která se používá k výrobě lékařských nástrojů, jako jsou nože, nůžky, hemostatické kleště, jehly, součásti chirurgických implantátů, jako je umělý kloub, vnitřní fixátor zlomenin, zubní ortéza, umělá srdeční chlopeň a další implantované přístroje.

Biokompatibilita lékařské nerezové oceli zahrnuje reakci tkáně způsobenou rozpouštěním kovových iontů v důsledku koroze nebo opotřebení po implantaci nerezové oceli do lidského těla. Velké množství klinických údajů ukazuje, že koroze lékařské nerezové oceli vede ke špatné stabilitě dlouhodobé implantace a její hustota a modul pružnosti jsou daleko od lidských tvrdých tkání, což má za následek špatnou mechanickou kompatibilitu. Koroze může způsobit, že se ionty kovů, jako jsou ionty niklu (obecná austenitická lékařská nerezová ocel obsahuje přibližně 10% niklu) nebo jiné sloučeniny, vysráží do okolních tkání nebo do celého těla, což způsobuje některé nežádoucí histologické reakce, jako je otok, infekce, nekróza tkání, bolest a alergické reakce. Tyto austenitické korozivzdorné oceli byly postupně nahrazeny novými lékařskými korozivzdornými ocelemi bez niklu a s niklem.

Slitina kobaltu

Slitina kobaltu je také kovový lékařský materiál, který se běžně používá při léčbě. Ve srovnání s nerezovou ocelí je lékařská kobaltová slitina vhodnější pro výrobu dlouhodobých implantátů pro prostředí lidského těla a její odolnost proti korozi je 40krát vyšší než u nerezové oceli. První slitinou lékařského kobaltu byla slitina kobaltu, chromu a molybdenu (Co-Cr-Mo), později byla vyvinuta a použita kovaná slitina kobaltu, niklu, chromu, hliníku a wolframu (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) s dobrými únavovými vlastnostmi a slitina kobaltu, niklu a chromu MP35N s vícefázovou strukturou, která byla zahrnuta do normy ISO5582/4. Tato slitina byla vyvinuta a použita pro výrobu lékařských implantátů. Kobaltová slitina se používá hlavně k výrobě umělých kyčelních a kolenních kloubů, hřebů pro kloubní spony, kostních desek, hřebů a jehel.

Kobaltová slitina zůstává v lidském těle pasivovaná a její pasivovaný film je stabilnější než u nerezové oceli, má lepší odolnost proti korozi a opotřebení a po implantaci do lidského těla nemá žádnou zjevnou histologickou reakci. Kobaltové slitiny však mají nevyhnutelné nevýhody: jsou drahé; opotřebení a koroze způsobují rozpouštění Co a Ni plazmy a vyvolávají alergie nebo nekrózu buněk a tkání, což má za následek bolest a uvolnění kloubů. V posledních letech technologie modifikace povrchu zlepšila povrchové vlastnosti kobaltové slitiny a účinně zlepšila její klinický účinek.

Slitina titanu

Slitina titanu je jedním z nejlépe biokompatibilních kovů díky svým nesrovnatelným výhodám: je lehká, netoxická, nemagnetická, vynikající odolnost proti opotřebení a korozi. Titan a slitiny titanu se používají především v plastické chirurgii, zejména pro rekonstrukce kostí končetin a lebky, a různá zařízení pro vnitřní fixaci zlomenin, umělé klouby, lebeční a mozkové pleny, umělé srdeční chlopně, zuby, dásně, podpůrné kroužky a korunky. Nejpoužívanější titanovou slitinou je slitina titanu a+β Ti-6A1-4V, která představuje více než 80% světového trhu s biomedicínskými titanovými slitinami, jejichž pevnost a mechanické vlastnosti lze výrazně zlepšit úpravou roztokem zlata a stárnutím.

Hustota titanu a slitiny titanu je přibližně 4,5 g/cm3, což je téměř polovina hustoty nerezové oceli a kobaltové slitiny, blíže k tvrdé tkáni lidského těla, a jeho biokompatibilita, odolnost proti korozi a odolnost proti únavě jsou lepší než u nerezové oceli a kobaltové slitiny, což z něj činí nejlepší kovový zdravotnický materiál v současnosti. Příbuznost titanu a slitiny titanu s lidským tělem je odvozena od schopnosti vyvolat ukládání vápenatých a fosforových iontů v tělní tekutině za vzniku apatitu hustým pasivačním filmem oxidu titaničitého (TiO2) na jeho povrchu po implantaci, který vykazuje určitou biologickou aktivitu a schopnost vázat kosti, zejména je vhodný pro implantaci do kostí. Bylo zjištěno, že prvek V způsobuje zhoubné reakce tkání a může mít toxické vedlejší účinky na lidský organismus, zatímco Al může způsobovat onemocnění, jako je osteoporóza a duševní poruchy. Proto vědci zabývající se biomateriály v současné době vyvíjejí β titanové slitiny s lepší biokompatibilitou a nižším modulem pružnosti.

Slitina zirkonia

Materiál na bázi slitiny zirkonia je široce používán jako materiál pro náhradu tvrdých lidských tkání, protože má nízký modul pružnosti, vysokou pevnost, dobrou houževnatost, dobrou odolnost proti korozi, není toxický, je dobře biokompatibilní a má další výhody.

Zr a Ti se mohou navzájem rozpouštět, což naznačuje, že mají podobné fyzikální a chemické vlastnosti. Zr se často přidává do slitin Ti jako legující prvek pro zlepšení mechanických vlastností slitin Ti. V posledních letech byly vyvinuty nové biomedicínské slitinové materiály zesílením slitiny Zr netoxickými legujícími prvky a optimalizací jejich vlastností.

Slitina s tvarovou pamětí

Slitina s tvarovou pamětí (SMA) je nový typ funkčního materiálu, který může podléhat fázové přeměně působením teploty a napětí. Má jedinečný efekt tvarové paměti a pseudoelasticitu fázové přeměny. Bylo zjištěno, že existuje mnoho druhů slitin s efektem tvarové paměti, které lze rozdělit na slitiny niklu a titanu, slitiny mědi a slitiny železa. Mezi nimi jsou slitiny niklu a titanu s tvarovou pamětí široce používány v plastické chirurgii a stomatologii, jako jsou samonafukovací stenty, zejména kardiovaskulární stenty. Teplota obnovy tvarové paměti lékařské slitiny niklu a titanu s tvarovou pamětí je 36 ± 2 ℃, což odpovídá teplotě lidského těla a vykazuje srovnatelnou biokompatibilitu s titanovou slitinou. Protože však slitiny niklu a titanu s tvarovou pamětí obsahují velké množství niklu, mohou se ionty niklu šířit do okolních tkání a pronikat do nich, což může způsobit nekrózu buněk a tkání, pokud není povrch řádně ošetřen.