Biomedizinische Metalle, auch bekannt als chirurgische Implantatmetalle, sind Legierungen, die zur Diagnose, Behandlung und zum Ersatz oder zur Verbesserung der Funktion von Geweben im Körper verwendet werden. Metall war eines der frühesten medizinischen Materialien, die jemals verwendet wurden, und geht sogar bis in die Zeit zwischen 400 und 300 v. Chr. zurück, als die Phönizier Drähte zur Reparatur fehlender Zähne verwendeten. In den 1930er Jahren, als Kobalt-Chrom-Legierungen, rostfreier Stahl und Titanlegierungen in der Zahnmedizin und Orthopädie erfolgreich eingesetzt wurden, waren biomedizinische Metallwerkstoffe ein heißes Thema in der chirurgischen Forschung. In den 1970er Jahren förderten die erfolgreiche Anwendung von Ni-Ti-Formgedächtnislegierungen in der klinischen Medizin und die Entwicklung von biomedizinischen Beschichtungsmaterialien auf Metalloberflächen die Anwendungen von biomedizinischen Metalllegierungen. Die Anforderungen an biomedizinische Metallwerkstoffe sollten folgende sein:

  • Gute mechanische Eigenschaften

Biomedizinische Metallwerkstoffe sollten in der Regel leicht sein, eine ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit, einen niedrigen Elastizitätsmodul, eine gute Ermüdungsfestigkeit, Kriechfestigkeit und die erforderliche Verschleißfestigkeit und Selbstschmierung aufweisen. Aufgrund von Verletzungen, Tumoren und anderen Faktoren, die Knochen und Gelenke schädigen, ist es notwendig, ein stabiles Knochengerüst mit Bogenplatten, Schrauben, künstlichen Knochen und Gelenken zu schaffen. Diese Langzeitimplantate sind Biegungen, Quetschungen und Muskelkontraktionen ausgesetzt und erfordern eine hohe Festigkeit und Zähigkeit.

  • Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Die Korrosion medizinischer Metallwerkstoffe wird hauptsächlich durch folgende Ursachen verursacht: allgemeine gleichmäßige Korrosion: die Oberfläche der implantierten Werkstoffe ist der menschlichen physiologischen Umgebung ausgesetzt und es kommt zu elektrolytischen Vorgängen; Punktkorrosion durch Vermischung von Implantatwerkstoffen mit Verunreinigungen; interkristalline Korrosion durch unterschiedliche Komponenten und physikalische und chemische Eigenschaften; galvanische Korrosion durch gemischte Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlicher Ionisierungsenergie; Verschleiß und Korrosion zwischen dem Implantat und dem menschlichen Gewebe; Spannungskorrosion durch Spannungskonzentration in einem Teil des implantierten Werkstoffs aufgrund von Belastung; Korrosion durch Bruch und Ermüdung von Implantatwerkstoffen und vieles mehr.

  • Biokompatibilität

Die Biokompatibilität ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Qualität von Materialien. Sie bezieht sich auf die gegenseitige Verträglichkeit und Anpassung von menschlichem Gewebe und Implantatmaterial, d. h. darauf, ob das Implantatmaterial Schäden, Toxizität oder andere Beeinträchtigungen des menschlichen Gewebes verursachen wird. Biomedizinische Materialien sollten keine Toxizität, keine Stimulation, keine Karzinogenese, keine Mutation und keine anderen Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben. Keine Abstoßungsreaktion im menschlichen Körper; Starke Verbindung mit dem umgebenden Knochen und anderen Geweben, vorzugsweise chemisch gebunden und biologisch aktiv; Keine Hämolyse, Gerinnungsreaktion, d.h. mit Antithrombotikum.

  • Kein Magnetismus

Metallische Werkstoffe werden durch elektromagnetische Felder und Gewitter nicht beeinträchtigt, was der menschlichen Sicherheit zugute kommt.

Im Vergleich zu Polymerwerkstoffen, Verbundwerkstoffen, hybriden und abgeleiteten Werkstoffen und anderen biomedizinischen Werkstoffen bieten metallische medizinische Werkstoffe eine hohe Festigkeit, gute Zähigkeit und Biegewechselfestigkeit, hervorragende Bearbeitungseigenschaften und andere hervorragende Eigenschaften, die in der klinischen Anwendung die am häufigsten verwendeten Implantatwerkstoffe sind. Die 3D-Drucktechnologie für Metall hat dazu geführt, dass medizinische Metallwerkstoffe immer häufiger eingesetzt werden. Zu den typischen Anwendungskomponenten gehören Platten zur internen Fixierung von Frakturen, Schrauben, künstliche Gelenke und Zahnwurzelimplantate. Zu den medizinischen Metallwerkstoffen gehören derzeit vor allem Edelstahl, Kobaltlegierungen, Titanlegierungen, Legierungen mit Formgedächtnis, Edelmetall und reines Metall wie Tantal, Niob und Zirkonium.

Rostfreier Stahl

Medizinischer Edelstahl ist eine der am häufigsten verwendeten biomedizinischen Legierungen. Er ist leicht zu verarbeiten, preisgünstig, bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und Streckgrenze und kann durch Kaltbearbeitung verbessert werden, wodurch Ermüdungsbrüche vermieden werden. Der am häufigsten verwendete Typ ist der austenitische Edelstahl 304/304L, 316/316L und 317L, der zur Herstellung von medizinischen Instrumenten wie Messern, Scheren, hämostatischen Zangen, Nadeln, chirurgischen Implantatkomponenten wie künstlichen Gelenken, internen Fixateuren für Frakturen, Zahnorthesen, künstlichen Herzklappen und anderen implantierten Geräten verwendet wird.

Bei der Biokompatibilität von medizinischem Edelstahl geht es um die Gewebereaktion, die durch die Auflösung von Metallionen infolge von Korrosion oder Verschleiß nach der Implantation des Edelstahls in den menschlichen Körper verursacht wird. Zahlreiche klinische Daten zeigen, dass die Korrosion von medizinischem nichtrostendem Stahl zu einer schlechten Stabilität bei der Langzeitimplantation führt und dass seine Dichte und sein Elastizitätsmodul weit von menschlichem Hartgewebe entfernt sind, was zu einer schlechten mechanischen Kompatibilität führt. Die Korrosion kann dazu führen, dass Metallionen wie Nickelionen (allgemeiner austenitischer medizinischer Edelstahl enthält ca. 10% Nickel) oder andere Verbindungen in das umgebende Gewebe oder den gesamten Körper ausfallen, was einige negative histologische Reaktionen wie Ödeme, Infektionen, Gewebenekrosen, Schmerzen und allergische Reaktionen verursacht. Diese austenitischen nichtrostenden Stähle wurden nach und nach durch neue nickelhaltige und nickelfreie medizinische nichtrostende Stähle ersetzt.

Kobalt-Legierung

Kobaltlegierung ist auch ein medizinisches Metall, das häufig in der medizinischen Behandlung verwendet wird. Im Vergleich zu rostfreiem Stahl eignet sich die medizinische Kobaltlegierung besser für die Herstellung von Langzeitimplantaten für die Umgebung des menschlichen Körpers, und ihre Korrosionsbeständigkeit ist 40 Mal höher als die von rostfreiem Stahl. Die erste medizinische Kobaltlegierung war die Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung (Co-Cr-Mo). Später wurden geschmiedete Kobalt-Nickel-Chrom-Aluminium-Wolfram-Legierungen (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) mit guten Ermüdungseigenschaften und die MP35N-Kobalt-Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung mit Mehrphasenstruktur entwickelt und eingesetzt, die in die ISO5582/4 aufgenommen wurde. Die Kobaltlegierung wird hauptsächlich für die Herstellung von künstlichen Hüft- und Kniegelenken, Gelenkschnallennägeln, Knochenplatten, Nägeln und Nadeln verwendet.

Die Kobaltlegierung bleibt im menschlichen Körper passiviert, und ihr passivierter Film ist stabiler als der von rostfreiem Stahl, mit besserer Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit, ohne offensichtliche histologische Reaktion nach der Implantation im menschlichen Körper. Kobaltlegierungen haben jedoch unvermeidliche Nachteile: Sie sind teuer; Verschleiß und Korrosion führen dazu, dass sich Co- und Ni-Plasma auflösen und Allergien oder Zell- und Gewebsnekrosen verursachen, was zu Schmerzen und Gelenklockerungen führt. In den letzten Jahren hat die Technologie der Oberflächenmodifizierung die Oberflächeneigenschaften von Kobaltlegierungen verbessert und ihre klinische Wirkung wirksam erhöht.

Titan-Legierung

Die Titanlegierung ist eines der biokompatibelsten Metalle, die aufgrund ihrer unvergleichlichen Vorteile bekannt sind: leicht, ungiftig, nicht magnetisch, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Titan und Titanlegierungen werden vor allem in der plastischen Chirurgie verwendet, insbesondere für die Rekonstruktion von Gliedmaßen und Schädelknochen, für verschiedene Vorrichtungen zur internen Fixierung von Brüchen, für künstliche Gelenke, Schädel und Dura, künstliche Herzklappen, Zähne, Zahnfleisch, Stützringe und Kronen. Die am weitesten verbreitete Titanlegierung ist die а+β-Titanlegierung Ti-6A1-4V, auf die mehr als 80% des globalen Marktes für biomedizinische Titanlegierungen entfallen. Die Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Titanlegierung können durch die Behandlung mit Goldlösung und die Alterungsbehandlung erheblich verbessert werden.

Die Dichte von Titan und Titanlegierungen beträgt etwa 4,5 g/cm3 und ist damit fast halb so hoch wie die von rostfreiem Stahl und Kobaltlegierungen. Sie kommen dem harten Gewebe des menschlichen Körpers näher, und ihre Biokompatibilität, Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit sind besser als die von rostfreiem Stahl und Kobaltlegierungen, was sie zum derzeit besten metallischen medizinischen Material macht. Die Affinität zwischen Titan und Titanlegierungen und dem menschlichen Körper ergibt sich aus der Fähigkeit, die Ablagerung von Kalzium- und Phosphor-Ionen in der Körperflüssigkeit zu induzieren, um Apatit durch einen dichten Passivierungsfilm aus Titanoxid (TiO2) auf der Oberfläche nach der Implantation zu erzeugen, der eine gewisse biologische Aktivität und Knochenbindungsfähigkeit aufweist und besonders für die Knochenimplantation geeignet ist. Das Element V soll bösartige Gewebereaktionen hervorrufen und kann toxische Nebenwirkungen auf den menschlichen Körper haben, während Al Krankheiten wie Osteoporose und psychische Störungen verursachen kann. Daher entwickeln Biomaterialwissenschaftler derzeit β-Titanlegierungen mit besserer Biokompatibilität und niedrigerem Elastizitätsmodul.

Zirkonium-Legierung

Legierungen auf Zirkoniumbasis werden wegen ihres niedrigen Elastizitätsmoduls, ihrer hohen Festigkeit, ihrer guten Zähigkeit, ihrer guten Korrosionsbeständigkeit, ihrer Ungiftigkeit, ihrer guten Biokompatibilität und anderer Vorteile häufig als Ersatzmaterial für menschliches Hartgewebe verwendet.

Zr und Ti können sich ineinander auflösen, was darauf hindeutet, dass sie ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften haben. Zr wird häufig als Legierungselement zu Ti-Legierungen hinzugefügt, um die mechanischen Eigenschaften von Ti-Legierungen zu verbessern. In den letzten Jahren wurden neue biomedizinische Legierungsmaterialien entwickelt, indem die Zr-Legierung mit nichttoxischen Legierungselementen verstärkt und ihre Eigenschaften optimiert wurden.

Formgedächtnis-Legierung

Die Shape-Memory-Legierung (SMA) ist ein neuartiges Funktionsmaterial, das unter Einwirkung von Temperatur und Spannung eine Phasenumwandlung durchlaufen kann. Sie hat einen einzigartigen Formgedächtniseffekt und eine Pseudoelastizität der Phasenumwandlung. Es wurde festgestellt, dass es viele Arten von Legierungen mit Formgedächtniseffekt gibt, die in Nickel-Titan-Legierungen, Kupferlegierungen und Eisenlegierungen unterteilt werden können. Nickel-Titan-Legierungen mit Formgedächtnis werden häufig in der plastischen Chirurgie und der Stomatologie verwendet, z. B. für selbstaufblasende Stents, insbesondere für kardiovaskuläre Stents. Die Formgedächtnis-Erholungstemperatur der medizinischen Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung beträgt 36±2℃, was der menschlichen Körpertemperatur entspricht und eine vergleichbare Biokompatibilität wie die Titanlegierung aufweist. Da Nickel-Titan-Gedächtnislegierungen jedoch eine große Menge an Nickel enthalten, können sich die Nickelionen auf das umliegende Gewebe ausbreiten und in dieses eindringen, was zu Zell- und Gewebenekrosen führen kann, wenn die Oberfläche nicht ordnungsgemäß behandelt wird.