Τα βιοϊατρικά μέταλλα, γνωστά και ως μέταλλα χειρουργικών εμφυτευμάτων, είναι τα κράματα που χρησιμοποιούνται για τη διάγνωση, τη θεραπεία και την αντικατάσταση ή την ενίσχυση της λειτουργίας των ιστών του σώματος. Το μέταλλο ήταν ένα από τα πρώτα ιατρικά υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ποτέ, χρονολογείται μάλιστα από το 400 έως το 300 π.Χ., όταν οι Φοίνικες χρησιμοποιούσαν σύρματα για να επισκευάσουν τα χαμένα δόντια. Στη δεκαετία του 1930, με την επιτυχή χρήση του κράματος κοβαλτίου-χρωμίου, του ανοξείδωτου χάλυβα και του κράματος τιτανίου στην οδοντιατρική και την ορθοπεδική, τα μεταλλικά βιοϊατρικά υλικά αποτέλεσαν ένα καυτό θέμα στον τομέα της χειρουργικής έρευνας. Στη δεκαετία του 1970, η επιτυχής εφαρμογή του κράματος μνήμης σχήματος Ni-Ti στην κλινική ιατρική και η ανάπτυξη βιοϊατρικών υλικών επικάλυψης σε μεταλλικές επιφάνειες προώθησαν τις εφαρμογές των βιοϊατρικών μεταλλικών κραμάτων. Οι απαιτήσεις των βιοϊατρικών μεταλλικών υλικών θα πρέπει να είναι οι ακόλουθες:

  • Καλές μηχανικές ιδιότητες

Τα βιοϊατρικά μεταλλικά υλικά πρέπει γενικά να είναι ελαφριά, να έχουν εξαιρετική αντοχή και ανθεκτικότητα, χαμηλό μέτρο ελαστικότητας, καλή αντοχή σε κόπωση, αντοχή σε ερπυσμό και την απαραίτητη αντοχή στη φθορά και αυτολίπανση. Λόγω τραυματισμού, όγκου και άλλων παραγόντων, βλάβης των οστών και των αρθρώσεων, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα σταθερό οστικό ικρίωμα με πλάκα τόξου, βίδα, τεχνητό οστό και άρθρωση. Αυτά τα μακροπρόθεσμα εμφυτεύματα υπόκεινται σε κάμψη, συμπίεση και μυϊκές συσπάσεις και απαιτούν υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα.

  • Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση

Η διάβρωση των ιατρικών μεταλλικών υλικών προκαλείται κυρίως από: γενική ομοιόμορφη διάβρωση: η επιφάνεια των εμφυτευμένων υλικών εκτίθεται στο ανθρώπινο φυσιολογικό περιβάλλον και λαμβάνει χώρα ηλεκτρολυτική δράση, σημειακή διάβρωση που προκαλείται από την ανάμιξη των υλικών των εμφυτευμάτων με ακαθαρσίες, ενδοκρυσταλλική διάβρωση που προκαλείται από διαφορετικά συστατικά και φυσικές και χημικές ιδιότητες, γαλβανική διάβρωση που προκαλείται από τη μικτή χρήση υλικών με διαφορετική ενέργεια ιονισμού, φθορά και διάβρωση μεταξύ του εμφυτεύματος και του ανθρώπινου ιστού, διάβρωση λόγω τάσης που προκαλείται από τη συγκέντρωση τάσεων σε ένα τμήμα του εμφυτευμένου υλικού λόγω φόρτισης, διάβρωση λόγω κόπωσης λόγω θραύσης του υλικού του εμφυτεύματος και ούτω καθεξής.

  • Βιοσυμβατότητα

Η βιοσυμβατότητα είναι ένας σημαντικός δείκτης για τη μέτρηση της ποιότητας των υλικών. Αναφέρεται στην αμοιβαία ανοχή και προσαρμογή του ανθρώπινου ιστού και του υλικού του εμφυτεύματος, δηλαδή αν το υλικό του εμφυτεύματος θα προκαλέσει βλάβη, τοξικότητα ή άλλη ζημία στον ανθρώπινο ιστό. Τα βιοϊατρικά υλικά δεν πρέπει να έχουν τοξικότητα, διέγερση, καρκινογένεση, μετάλλαξη και άλλες επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό. Να μην υπάρχει αντίδραση απόρριψης στο ανθρώπινο σώμα- Να είναι ισχυρά συνδεδεμένο με το περιβάλλον οστό και άλλους ιστούς, κατά προτίμηση χημικά συνδεδεμένο και βιολογικά ενεργό- Να μην υπάρχει αιμόλυση, αντίδραση πήξης, δηλαδή με αντιθρομβωτικό.

  • Δεν υπάρχει μαγνητισμός

Τα μεταλλικά υλικά δεν επηρεάζονται από τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και τις καταιγίδες, γεγονός που ευνοεί την ανθρώπινη ασφάλεια.

Σε σύγκριση με τα πολυμερή υλικά, τα σύνθετα υλικά, τα υβριδικά και παράγωγα υλικά και άλλα βιοϊατρικά υλικά, τα μεταλλικά ιατρικά υλικά προσφέρουν υψηλή αντοχή, καλή ανθεκτικότητα και αντοχή σε κόπωση λόγω κάμψης, εξαιρετική απόδοση κατεργασίας και άλλες εξαιρετικές ιδιότητες, τα οποία είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά εμφυτευμάτων στην κλινική εφαρμογή. Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων έχει καταστήσει τα μεταλλικά ιατρικά υλικά ευρύτερα χρησιμοποιούμενα, τα τυπικά στοιχεία εφαρμογής περιλαμβάνουν πλάκες εσωτερικής στερέωσης κατάγματος, βίδες, τεχνητές αρθρώσεις και εμφυτεύματα οδοντικής ρίζας. Επί του παρόντος, τα ιατρικά μεταλλικά υλικά περιλαμβάνουν κυρίως ανοξείδωτο χάλυβα, κράμα κοβαλτίου, κράμα τιτανίου, κράμα μνήμης σχήματος, πολύτιμο μέταλλο και καθαρό μέταλλο ταντάλιο, νιόβιο, ζιρκόνιο και ούτω καθεξής.

Ανοξείδωτο χάλυβα

Ο ιατρικός ανοξείδωτος χάλυβας είναι ένα από τα αρχικά χρησιμοποιούμενα βιοϊατρικά κράματα, είναι εύκολο στην επεξεργασία, χαμηλή τιμή, προσφέρει καλή αντοχή στη διάβρωση και αντοχή στην απόδοση και μπορεί να βελτιωθεί με ψυχρή επεξεργασία, αποφεύγοντας το κάταγμα κόπωσης. Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος είναι ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας 304/304L, 316/316L και 317L, ο οποίος χρησιμοποιείται για την κατασκευή ιατρικών εργαλείων όπως μαχαίρια, ψαλίδια, αιμοστατικές λαβίδες, βελόνες, εξαρτήματα χειρουργικών εμφυτευμάτων όπως τεχνητή άρθρωση, εσωτερικός διορθωτής κατάγματος, οδοντιατρική ορθοπεδική διάταξη, τεχνητή καρδιακή βαλβίδα και άλλες εμφυτευμένες συσκευές.

Η βιοσυμβατότητα του ιατρικού ανοξείδωτου χάλυβα περιλαμβάνει την αντίδραση των ιστών που προκαλείται από τη διάλυση ιόντων μετάλλων που προκαλούνται από διάβρωση ή φθορά μετά την εμφύτευση του ανοξείδωτου χάλυβα στο ανθρώπινο σώμα. Ένας μεγάλος αριθμός κλινικών δεδομένων δείχνει ότι η διάβρωση του ιατρικού ανοξείδωτου χάλυβα οδηγεί σε κακή σταθερότητα της μακροχρόνιας εμφύτευσης και η πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητάς του απέχουν πολύ από τον ανθρώπινο σκληρό ιστό, με αποτέλεσμα την κακή μηχανική συμβατότητα. Η διάβρωση μπορεί να προκαλέσει ιόντα μετάλλων, όπως ιόντα νικελίου (ο γενικός ωστενιτικός ιατρικός ανοξείδωτος χάλυβας περιέχει περίπου 10% νικέλιο) ή άλλες ενώσεις να κατακρημνιστούν στους περιβάλλοντες ιστούς ή σε ολόκληρο το σώμα, προκαλώντας ορισμένες δυσμενείς ιστολογικές αντιδράσεις όπως οίδημα, μόλυνση, νέκρωση ιστών, πόνο και αλλεργικές αντιδράσεις. Αυτοί οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες έχουν σταδιακά αντικατασταθεί από νέους ιατρικούς ανοξείδωτους χάλυβες χωρίς νικέλιο και χωρίς νικέλιο.

Κράμα κοβαλτίου

Το κράμα κοβαλτίου είναι επίσης ένα μεταλλικό ιατρικό υλικό που χρησιμοποιείται συνήθως στην ιατρική θεραπεία. Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα, το ιατρικό κράμα κοβαλτίου είναι πιο κατάλληλο για την κατασκευή μακροχρόνιων εμφυτευμάτων για το περιβάλλον του ανθρώπινου σώματος και η αντοχή του στη διάβρωση είναι 40 φορές υψηλότερη από τον ανοξείδωτο χάλυβα. Το πρώτο ιατρικό κράμα κοβαλτίου ήταν το κράμα κοβαλτίου-χρωμίου-μολυβδαινίου (Co-Cr-Mo) και αργότερα αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε το σφυρήλατο κράμα κοβαλτίου-νικελίου-χρωμίου-αλουμινίου-βολφραμίου (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) με καλές επιδόσεις κόπωσης και το κράμα αλουμινίου κοβαλτίου-νικελίου-χρωμίου MP35N με πολυφασική δομή, το οποίο έχει συμπεριληφθεί στο ISO5582/4. Το κράμα κοβαλτίου χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή τεχνητού ισχίου, γόνατος, καρφιών πόρπης άρθρωσης, οστικής πλάκας, καρφιών και βελόνων.

Το κράμα κοβαλτίου παραμένει παθητικοποιημένο στο ανθρώπινο σώμα και η παθητικοποιημένη μεμβράνη του είναι πιο σταθερή από τον ανοξείδωτο χάλυβα, με καλύτερη αντοχή στη διάβρωση και αντοχή στη φθορά, χωρίς εμφανή ιστολογική αντίδραση μετά την εμφύτευση στο ανθρώπινο σώμα. Αλλά τα κράματα κοβαλτίου έχουν αναπόφευκτα μειονεκτήματα: είναι ακριβά- η φθορά και η διάβρωση προκαλούν διάλυση του πλάσματος Co και Ni και προκαλούν αλλεργία ή νέκρωση κυττάρων και ιστών, με αποτέλεσμα πόνο και χαλάρωση των αρθρώσεων. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία τροποποίησης της επιφάνειας έχει βελτιώσει τις επιφανειακές ιδιότητες του κράματος κοβαλτίου και έχει βελτιώσει αποτελεσματικά το κλινικό του αποτέλεσμα.

Κράμα τιτανίου

Το κράμα τιτανίου είναι ένα από τα πιο βιοσυμβατά γνωστά μέταλλα, λόγω των ασύγκριτων πλεονεκτημάτων του: ελαφρύ, μη τοξικό, μη μαγνητικό, εξαιρετική αντοχή στη φθορά και στη διάβρωση. Το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται κυρίως στην πλαστική χειρουργική, ιδίως για την ανακατασκευή των οστών των άκρων και του κρανίου, καθώς και για διάφορες συσκευές εσωτερικής στερέωσης καταγμάτων, τεχνητές αρθρώσεις, κρανίο και σκληρή μήνιγγα, τεχνητές καρδιακές βαλβίδες, δόντια, ούλα, δακτυλίους στήριξης και στεφάνες. Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κράμα τιτανίου είναι το κράμα τιτανίου α+β Ti-6A1-4V, το οποίο αντιπροσωπεύει περισσότερο από 80% της παγκόσμιας αγοράς βιοϊατρικών κραμάτων τιτανίου, των οποίων η αντοχή και οι μηχανικές ιδιότητες του κράματος τιτανίου μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά με επεξεργασία με διάλυμα χρυσού και επεξεργασία γήρανσης.

Η πυκνότητα του τιτανίου και του κράματος τιτανίου είναι περίπου 4,5g / cm3, σχεδόν το ήμισυ αυτής του κράματος ανοξείδωτου χάλυβα και του κράματος κοβαλτίου, πιο κοντά στον σκληρό ιστό του ανθρώπινου σώματος και η βιοσυμβατότητα, η αντοχή στη διάβρωση και η αντοχή στην κόπωση είναι καλύτερες από αυτές του ανοξείδωτου χάλυβα και του κράματος κοβαλτίου, καθιστώντας το το καλύτερο μεταλλικό ιατρικό υλικό επί του παρόντος. Η συγγένεια μεταξύ του τιτανίου και του κράματος τιτανίου και του ανθρώπινου σώματος προέρχεται από την ικανότητα να προκαλεί την εναπόθεση ιόντων ασβεστίου και φωσφόρου στο σωματικό υγρό για τη δημιουργία απατίτη με πυκνό φιλμ παθητικοποίησης οξειδίου του τιτανίου (TiO2) στην επιφάνειά του μετά την εμφύτευση, παρουσιάζοντας ορισμένη βιολογική δραστηριότητα και ικανότητα οστικής δέσμευσης, ιδιαίτερα κατάλληλη για την εμφύτευση οστών. Το στοιχείο V έχει αναφερθεί ότι προκαλεί κακοήθεις ιστικές αντιδράσεις και μπορεί να έχει τοξικές παρενέργειες στον ανθρώπινο οργανισμό, ενώ το Al μπορεί να προκαλέσει ασθένειες όπως η οστεοπόρωση και οι ψυχικές διαταραχές. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες βιοϋλικών αναπτύσσουν επί του παρόντος κράματα τιτανίου β με καλύτερη βιοσυμβατότητα και χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας.

Κράμα ζιρκονίου

Το υλικό κράμα με βάση το ζιρκόνιο χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό αντικατάστασης ανθρώπινων σκληρών ιστών λόγω του χαμηλού μέτρου ελαστικότητας, της υψηλής αντοχής, της καλής ανθεκτικότητας, της καλής αντοχής στη διάβρωση, της μη τοξικής, της καλής βιοσυμβατότητας και άλλων πλεονεκτημάτων.

Ο Zr και το Ti μπορούν να διαλυθούν μεταξύ τους, γεγονός που υποδηλώνει ότι έχουν παρόμοιες φυσικές και χημικές ιδιότητες. Ο Zr προστίθεται συχνά σε κράματα Ti ως στοιχείο κράματος για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των κραμάτων Ti. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί νέα βιοϊατρικά υλικά κράματος με ενίσχυση του κράματος Zr με μη τοξικά στοιχεία κράματος και βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του.

Κράμα μνήμης σχήματος

Το κράμα μνήμης σχήματος (SMA) είναι ένας νέος τύπος λειτουργικού υλικού που μπορεί να υποστεί μετασχηματισμό φάσης υπό την επίδραση της θερμοκρασίας και της τάσης. Διαθέτει ένα μοναδικό φαινόμενο μνήμης σχήματος και ψευδοελαστικότητα μετασχηματισμού φάσης. Έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχουν πολλά είδη κραμάτων με φαινόμενο μνήμης σχήματος, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε κράματα νικελίου-τιτανίου, κράματα χαλκού και κράματα σιδήρου. Μεταξύ αυτών, τα κράματα μνήμης σχήματος νικελίου-τιτανίου χρησιμοποιούνται ευρέως στην πλαστική χειρουργική και τη στοματολογία, όπως τα αυτοεκπτυσσόμενα στεντ, ιδίως τα καρδιαγγειακά στεντ. Η θερμοκρασία αποκατάστασης της μνήμης σχήματος του ιατρικού κράματος μνήμης σχήματος νικελίου-τιτανίου είναι 36±2℃, η οποία συμμορφώνεται με τη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος και παρουσιάζει συγκρίσιμη βιοσυμβατότητα με το κράμα τιτανίου. Επειδή όμως τα κράματα μνήμης νικελίου-τιτανίου περιέχουν μεγάλη ποσότητα νικελίου, τα ιόντα νικελίου μπορεί να εξαπλωθούν στους περιβάλλοντες ιστούς και να διεισδύσουν, προκαλώντας νέκρωση κυττάρων και ιστών εάν η επιφάνεια δεν υποστεί κατάλληλη επεξεργασία.