{"id":1522,"date":"2022-01-29T15:40:53","date_gmt":"2022-01-29T15:40:53","guid":{"rendered":"http:\/\/energy-ti.com\/?p=1522"},"modified":"2022-01-29T15:55:50","modified_gmt":"2022-01-29T15:55:50","slug":"the-metal-alloys-used-for-medical-implants","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/energy-ti.com\/de\/the-metal-alloys-used-for-medical-implants\/","title":{"rendered":"Die f\u00fcr medizinische Implantate verwendeten Metalllegierungen"},"content":{"rendered":"

Biomedizinische Metalle, auch bekannt als chirurgische Implantatmetalle, sind Legierungen, die zur Diagnose, Behandlung und zum Ersatz oder zur Verbesserung der Funktion von Geweben im K\u00f6rper verwendet werden. Metall war eines der fr\u00fchesten medizinischen Materialien, die jemals verwendet wurden, und geht sogar bis in die Zeit zwischen 400 und 300 v. Chr. zur\u00fcck, als die Ph\u00f6nizier Dr\u00e4hte zur Reparatur fehlender Z\u00e4hne verwendeten. In den 1930er Jahren, als Kobalt-Chrom-Legierungen, rostfreier Stahl und Titanlegierungen in der Zahnmedizin und Orthop\u00e4die erfolgreich eingesetzt wurden, waren biomedizinische Metallwerkstoffe ein hei\u00dfes Thema in der chirurgischen Forschung. In den 1970er Jahren f\u00f6rderten die erfolgreiche Anwendung von Ni-Ti-Formged\u00e4chtnislegierungen in der klinischen Medizin und die Entwicklung von biomedizinischen Beschichtungsmaterialien auf Metalloberfl\u00e4chen die Anwendungen von biomedizinischen Metalllegierungen. Die Anforderungen an biomedizinische Metallwerkstoffe sollten folgende sein:<\/p>\n

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  • Gute mechanische Eigenschaften<\/li>\n<\/ul>\n

    Biomedizinische Metallwerkstoffe sollten in der Regel leicht sein, eine ausgezeichnete Festigkeit und Z\u00e4higkeit, einen niedrigen Elastizit\u00e4tsmodul, eine gute Erm\u00fcdungsfestigkeit, Kriechfestigkeit und die erforderliche Verschlei\u00dffestigkeit und Selbstschmierung aufweisen. Aufgrund von Verletzungen, Tumoren und anderen Faktoren, die Knochen und Gelenke sch\u00e4digen, ist es notwendig, ein stabiles Knochenger\u00fcst mit Bogenplatten, Schrauben, k\u00fcnstlichen Knochen und Gelenken zu schaffen. Diese Langzeitimplantate sind Biegungen, Quetschungen und Muskelkontraktionen ausgesetzt und erfordern eine hohe Festigkeit und Z\u00e4higkeit.<\/p>\n

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    • Ausgezeichnete Korrosionsbest\u00e4ndigkeit<\/li>\n<\/ul>\n

      Die Korrosion medizinischer Metallwerkstoffe wird haupts\u00e4chlich durch folgende Ursachen verursacht: allgemeine gleichm\u00e4\u00dfige Korrosion: die Oberfl\u00e4che der implantierten Werkstoffe ist der menschlichen physiologischen Umgebung ausgesetzt und es kommt zu elektrolytischen Vorg\u00e4ngen; 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; Verschlei\u00df 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 Erm\u00fcdung von Implantatwerkstoffen und vieles mehr.<\/p>\n

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      • Biokompatibilit\u00e4t<\/li>\n<\/ul>\n

        Die Biokompatibilit\u00e4t ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Qualit\u00e4t von Materialien. Sie bezieht sich auf die gegenseitige Vertr\u00e4glichkeit und Anpassung von menschlichem Gewebe und Implantatmaterial, d. h. darauf, ob das Implantatmaterial Sch\u00e4den, Toxizit\u00e4t oder andere Beeintr\u00e4chtigungen des menschlichen Gewebes verursachen wird. Biomedizinische Materialien sollten keine Toxizit\u00e4t, keine Stimulation, keine Karzinogenese, keine Mutation und keine anderen Auswirkungen auf den menschlichen K\u00f6rper haben. Keine Absto\u00dfungsreaktion im menschlichen K\u00f6rper; Starke Verbindung mit dem umgebenden Knochen und anderen Geweben, vorzugsweise chemisch gebunden und biologisch aktiv; Keine H\u00e4molyse, Gerinnungsreaktion, d.h. mit Antithrombotikum.<\/p>\n

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        • Kein Magnetismus<\/li>\n<\/ul>\n

          Metallische Werkstoffe werden durch elektromagnetische Felder und Gewitter nicht beeintr\u00e4chtigt, was der menschlichen Sicherheit zugute kommt.<\/p>\n

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          Im Vergleich zu Polymerwerkstoffen, Verbundwerkstoffen, hybriden und abgeleiteten Werkstoffen und anderen biomedizinischen Werkstoffen bieten metallische medizinische Werkstoffe eine hohe Festigkeit, gute Z\u00e4higkeit und Biegewechselfestigkeit, hervorragende Bearbeitungseigenschaften und andere hervorragende Eigenschaften, die in der klinischen Anwendung die am h\u00e4ufigsten verwendeten Implantatwerkstoffe sind. Die 3D-Drucktechnologie f\u00fcr Metall hat dazu gef\u00fchrt, dass medizinische Metallwerkstoffe immer h\u00e4ufiger eingesetzt werden. Zu den typischen Anwendungskomponenten geh\u00f6ren Platten zur internen Fixierung von Frakturen, Schrauben, k\u00fcnstliche Gelenke und Zahnwurzelimplantate. Zu den medizinischen Metallwerkstoffen geh\u00f6ren derzeit vor allem Edelstahl, Kobaltlegierungen, Titanlegierungen, Legierungen mit Formged\u00e4chtnis, Edelmetall und reines Metall wie Tantal, Niob und Zirkonium.<\/p>\n

          Rostfreier Stahl<\/strong><\/p>\n

          Medizinischer Edelstahl ist eine der am h\u00e4ufigsten verwendeten biomedizinischen Legierungen. Er ist leicht zu verarbeiten, preisg\u00fcnstig, bietet eine gute Korrosionsbest\u00e4ndigkeit und Streckgrenze und kann durch Kaltbearbeitung verbessert werden, wodurch Erm\u00fcdungsbr\u00fcche vermieden werden. Der am h\u00e4ufigsten verwendete Typ ist der austenitische Edelstahl 304\/304L, 316\/316L und 317L, der zur Herstellung von medizinischen Instrumenten wie Messern, Scheren, h\u00e4mostatischen Zangen, Nadeln, chirurgischen Implantatkomponenten wie k\u00fcnstlichen Gelenken, internen Fixateuren f\u00fcr Frakturen, Zahnorthesen, k\u00fcnstlichen Herzklappen und anderen implantierten Ger\u00e4ten verwendet wird.<\/p>\n

          Bei der Biokompatibilit\u00e4t von medizinischem Edelstahl geht es um die Gewebereaktion, die durch die Aufl\u00f6sung von Metallionen infolge von Korrosion oder Verschlei\u00df nach der Implantation des Edelstahls in den menschlichen K\u00f6rper verursacht wird. Zahlreiche klinische Daten zeigen, dass die Korrosion von medizinischem nichtrostendem Stahl zu einer schlechten Stabilit\u00e4t bei der Langzeitimplantation f\u00fchrt und dass seine Dichte und sein Elastizit\u00e4tsmodul weit von menschlichem Hartgewebe entfernt sind, was zu einer schlechten mechanischen Kompatibilit\u00e4t f\u00fchrt. Die Korrosion kann dazu f\u00fchren, dass Metallionen wie Nickelionen (allgemeiner austenitischer medizinischer Edelstahl enth\u00e4lt ca. 10% Nickel) oder andere Verbindungen in das umgebende Gewebe oder den gesamten K\u00f6rper ausfallen, was einige negative histologische Reaktionen wie \u00d6deme, Infektionen, Gewebenekrosen, Schmerzen und allergische Reaktionen verursacht. Diese austenitischen nichtrostenden St\u00e4hle wurden nach und nach durch neue nickelhaltige und nickelfreie medizinische nichtrostende St\u00e4hle ersetzt.<\/p>\n

          Kobalt-Legierung<\/strong><\/p>\n

          Kobaltlegierung ist auch ein medizinisches Metall, das h\u00e4ufig in der medizinischen Behandlung verwendet wird. Im Vergleich zu rostfreiem Stahl eignet sich die medizinische Kobaltlegierung besser f\u00fcr die Herstellung von Langzeitimplantaten f\u00fcr die Umgebung des menschlichen K\u00f6rpers, und ihre Korrosionsbest\u00e4ndigkeit ist 40 Mal h\u00f6her als die von rostfreiem Stahl. Die erste medizinische Kobaltlegierung war die Kobalt-Chrom-Molybd\u00e4n-Legierung (Co-Cr-Mo). Sp\u00e4ter wurden geschmiedete Kobalt-Nickel-Chrom-Aluminium-Wolfram-Legierungen (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) mit guten Erm\u00fcdungseigenschaften und die MP35N-Kobalt-Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung mit Mehrphasenstruktur entwickelt und eingesetzt, die in die ISO5582\/4 aufgenommen wurde. Die Kobaltlegierung wird haupts\u00e4chlich f\u00fcr die Herstellung von k\u00fcnstlichen H\u00fcft- und Kniegelenken, Gelenkschnallenn\u00e4geln, Knochenplatten, N\u00e4geln und Nadeln verwendet.<\/p>\n

          Die Kobaltlegierung bleibt im menschlichen K\u00f6rper passiviert, und ihr passivierter Film ist stabiler als der von rostfreiem Stahl, mit besserer Korrosionsbest\u00e4ndigkeit und Verschlei\u00dffestigkeit, ohne offensichtliche histologische Reaktion nach der Implantation im menschlichen K\u00f6rper. Kobaltlegierungen haben jedoch unvermeidliche Nachteile: Sie sind teuer; Verschlei\u00df und Korrosion f\u00fchren dazu, dass sich Co- und Ni-Plasma aufl\u00f6sen und Allergien oder Zell- und Gewebsnekrosen verursachen, was zu Schmerzen und Gelenklockerungen f\u00fchrt. In den letzten Jahren hat die Technologie der Oberfl\u00e4chenmodifizierung die Oberfl\u00e4cheneigenschaften von Kobaltlegierungen verbessert und ihre klinische Wirkung wirksam erh\u00f6ht.<\/p>\n

          Titan-Legierung<\/strong><\/p>\n

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          Die Titanlegierung ist eines der biokompatibelsten Metalle, die aufgrund ihrer unvergleichlichen Vorteile bekannt sind: leicht, ungiftig, nicht magnetisch, ausgezeichnete Verschlei\u00dffestigkeit und Korrosionsbest\u00e4ndigkeit. Titan und Titanlegierungen werden vor allem in der plastischen Chirurgie verwendet, insbesondere f\u00fcr die Rekonstruktion von Gliedma\u00dfen und Sch\u00e4delknochen, f\u00fcr verschiedene Vorrichtungen zur internen Fixierung von Br\u00fcchen, f\u00fcr k\u00fcnstliche Gelenke, Sch\u00e4del und Dura, k\u00fcnstliche Herzklappen, Z\u00e4hne, Zahnfleisch, St\u00fctzringe und Kronen. Die am weitesten verbreitete Titanlegierung ist die \u0430+\u03b2-Titanlegierung Ti-6A1-4V, auf die mehr als 80% des globalen Marktes f\u00fcr biomedizinische Titanlegierungen entfallen. Die Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Titanlegierung k\u00f6nnen durch die Behandlung mit Goldl\u00f6sung und die Alterungsbehandlung erheblich verbessert werden.<\/p>\n

          Die Dichte von Titan und Titanlegierungen betr\u00e4gt 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 K\u00f6rpers n\u00e4her, und ihre Biokompatibilit\u00e4t, Korrosions- und Erm\u00fcdungsbest\u00e4ndigkeit sind besser als die von rostfreiem Stahl und Kobaltlegierungen, was sie zum derzeit besten metallischen medizinischen Material macht. Die Affinit\u00e4t zwischen Titan und Titanlegierungen und dem menschlichen K\u00f6rper ergibt sich aus der F\u00e4higkeit, die Ablagerung von Kalzium- und Phosphor-Ionen in der K\u00f6rperfl\u00fcssigkeit zu induzieren, um Apatit durch einen dichten Passivierungsfilm aus Titanoxid (TiO2) auf der Oberfl\u00e4che nach der Implantation zu erzeugen, der eine gewisse biologische Aktivit\u00e4t und Knochenbindungsf\u00e4higkeit aufweist und besonders f\u00fcr die Knochenimplantation geeignet ist. Das Element V soll b\u00f6sartige Gewebereaktionen hervorrufen und kann toxische Nebenwirkungen auf den menschlichen K\u00f6rper haben, w\u00e4hrend Al Krankheiten wie Osteoporose und psychische St\u00f6rungen verursachen kann. Daher entwickeln Biomaterialwissenschaftler derzeit \u03b2-Titanlegierungen mit besserer Biokompatibilit\u00e4t und niedrigerem Elastizit\u00e4tsmodul.<\/p>\n

          Zirkonium-Legierung<\/strong><\/p>\n

          Legierungen auf Zirkoniumbasis werden wegen ihres niedrigen Elastizit\u00e4tsmoduls, ihrer hohen Festigkeit, ihrer guten Z\u00e4higkeit, ihrer guten Korrosionsbest\u00e4ndigkeit, ihrer Ungiftigkeit, ihrer guten Biokompatibilit\u00e4t und anderer Vorteile h\u00e4ufig als Ersatzmaterial f\u00fcr menschliches Hartgewebe verwendet.<\/p>\n

          Zr und Ti k\u00f6nnen sich ineinander aufl\u00f6sen, was darauf hindeutet, dass sie \u00e4hnliche physikalische und chemische Eigenschaften haben. Zr wird h\u00e4ufig als Legierungselement zu Ti-Legierungen hinzugef\u00fcgt, 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 verst\u00e4rkt und ihre Eigenschaften optimiert wurden.<\/p>\n

          Formged\u00e4chtnis-Legierung<\/strong><\/p>\n

          Die Shape-Memory-Legierung (SMA) ist ein neuartiges Funktionsmaterial, das unter Einwirkung von Temperatur und Spannung eine Phasenumwandlung durchlaufen kann. Sie hat einen einzigartigen Formged\u00e4chtniseffekt und eine Pseudoelastizit\u00e4t der Phasenumwandlung. Es wurde festgestellt, dass es viele Arten von Legierungen mit Formged\u00e4chtniseffekt gibt, die in Nickel-Titan-Legierungen, Kupferlegierungen und Eisenlegierungen unterteilt werden k\u00f6nnen. Nickel-Titan-Legierungen mit Formged\u00e4chtnis werden h\u00e4ufig in der plastischen Chirurgie und der Stomatologie verwendet, z. B. f\u00fcr selbstaufblasende Stents, insbesondere f\u00fcr kardiovaskul\u00e4re Stents. Die Formged\u00e4chtnis-Erholungstemperatur der medizinischen Nickel-Titan-Formged\u00e4chtnislegierung betr\u00e4gt 36\u00b12\u2103, was der menschlichen K\u00f6rpertemperatur entspricht und eine vergleichbare Biokompatibilit\u00e4t wie die Titanlegierung aufweist. Da Nickel-Titan-Ged\u00e4chtnislegierungen jedoch eine gro\u00dfe Menge an Nickel enthalten, k\u00f6nnen sich die Nickelionen auf das umliegende Gewebe ausbreiten und in dieses eindringen, was zu Zell- und Gewebenekrosen f\u00fchren kann, wenn die Oberfl\u00e4che nicht ordnungsgem\u00e4\u00df behandelt wird.<\/p>\n<\/div><\/section><\/div>