Logam biomedis, yang juga dikenal sebagai logam implan bedah, adalah paduan yang digunakan untuk diagnosis, pengobatan dan untuk mengganti atau meningkatkan fungsi jaringan dalam tubuh. Logam merupakan salah satu bahan medis paling awal yang pernah digunakan, bahkan sudah ada sejak 400 hingga 300 SM ketika bangsa Fenisia menggunakan kawat untuk memperbaiki gigi yang hilang. Pada tahun 1930-an, dengan keberhasilan penggunaan paduan kobalt-kromium, baja tahan karat dan paduan titanium dalam bidang kedokteran gigi dan ortopedi, bahan biomedis logam telah menjadi topik hangat di bidang penelitian bedah. Pada tahun 1970-an, keberhasilan penerapan paduan memori bentuk Ni-Ti dalam pengobatan klinis dan pengembangan bahan pelapis biomedis pada permukaan logam mendorong aplikasi paduan logam biomedis. Persyaratan bahan logam biomedis harus mengikuti:

  • Sifat mekanik yang baik

Bahan logam biomedis umumnya harus ringan, memiliki kekuatan dan ketangguhan yang sangat baik, modulus elastisitas rendah, ketahanan lelah yang baik, ketahanan mulur dan ketahanan aus yang diperlukan serta pelumasan sendiri. Karena cedera, tumor dan faktor lainnya, kerusakan tulang dan sendi, perlu untuk membuat perancah tulang yang stabil dengan pelat busur, sekrup, tulang dan sendi buatan. Implan jangka panjang ini dapat menekuk, meremas dan kontraksi otot, serta membutuhkan kekuatan dan ketangguhan yang tinggi.

  • Ketahanan korosi yang sangat baik

Korosi bahan logam medis terutama disebabkan oleh: korosi seragam umum: permukaan bahan implan terpapar ke lingkungan fisiologis manusia dan terjadi aksi elektrolitik; Korosi bercak yang disebabkan oleh pencampuran bahan implan dengan kotoran; Korosi intergranular yang disebabkan oleh komponen dan sifat fisik dan kimia yang berbeda; Korosi galvanis yang disebabkan oleh penggunaan campuran bahan dengan energi ionisasi yang berbeda; Keausan dan korosi antara implan dan jaringan manusia; Korosi tegangan yang disebabkan oleh konsentrasi tegangan pada bagian bahan implan akibat beban; Kerusakan bahan implan korosi kelelahan patah tulang dan sebagainya.

  • Biokompatibilitas

Biokompatibilitas adalah indikator penting untuk mengukur kualitas bahan. Hal ini mengacu pada toleransi timbal balik dan adaptasi antara jaringan manusia dan bahan implan, yaitu apakah bahan implan akan menyebabkan kerusakan, toksisitas, atau bahaya lain pada jaringan manusia. Bahan biomedis tidak boleh memiliki toksisitas, tidak memiliki stimulasi, tidak memiliki karsinogenesis, tidak memiliki mutasi, dan efek lain pada tubuh manusia. Tidak ada reaksi penolakan dalam tubuh manusia; Berikatan kuat dengan tulang di sekitarnya dan jaringan lain, lebih disukai yang terikat secara kimiawi dan aktif secara biologis; Tidak ada hemolisis, reaksi koagulasi, yaitu dengan antitrombotik.

  • Tidak ada magnet

Bahan logam tidak terpengaruh oleh medan elektromagnetik dan cuaca badai petir, sehingga kondusif bagi keselamatan manusia.

Dibandingkan dengan bahan polimer, bahan komposit, bahan hibrida dan turunannya serta bahan biomedis lainnya, bahan medis logam menawarkan kekuatan tinggi, ketangguhan yang baik dan kekuatan kelelahan lentur, kinerja permesinan yang sangat baik dan sifat-sifat unggul lainnya, yang telah menjadi bahan implan yang paling banyak digunakan dalam aplikasi klinis. Teknologi pencetakan 3D logam telah membuat bahan medis logam lebih banyak digunakan, komponen aplikasi yang umum termasuk pelat fiksasi internal fraktur, sekrup, sambungan buatan, dan implan akar gigi. Saat ini, bahan logam medis terutama meliputi baja tahan karat, paduan kobalt, paduan titanium, paduan memori bentuk, logam mulia dan tantalum logam murni, niobium, zirkonium, dan sebagainya.

Baja tahan karat

Medical Stainless Steel adalah salah satu paduan Biomedis yang awalnya digunakan, mudah diproses, harga murah, menawarkan ketahanan korosi dan kekuatan luluh yang baik dan dapat ditingkatkan dengan pemrosesan dingin, menghindari fraktur kelelahan. Jenis yang paling umum digunakan adalah Austenitic Stainless Steel 304 / 304L, 316 / 316L dan 317L, yang digunakan untuk membuat instrumen medis seperti pisau, gunting, tang hemostatik, jarum, komponen implan bedah seperti sendi buatan, fiksator internal patah tulang, ortosis gigi, katup jantung buatan, dan perangkat implan lainnya.

Biokompatibilitas baja tahan karat medis melibatkan reaksi jaringan yang disebabkan oleh pelarutan ion logam yang disebabkan oleh korosi atau keausan setelah baja tahan karat ditanamkan ke dalam tubuh manusia. Sejumlah besar data klinis menunjukkan bahwa korosi pada baja tahan karat medis menyebabkan stabilitas implantasi jangka panjang yang buruk, dan kepadatan serta modulus elastisitasnya jauh dari jaringan keras manusia, yang mengakibatkan kompatibilitas mekanis yang buruk. Korosi dapat menyebabkan ion logam seperti ion nikel (Baja tahan karat medis austenitik umum mengandung sekitar 10% nikel) atau senyawa lain mengendap ke jaringan di sekitarnya atau seluruh tubuh, menyebabkan beberapa reaksi histologis yang merugikan seperti edema, infeksi, nekrosis jaringan, nyeri, dan reaksi alergi. Baja tahan karat austenitik ini secara bertahap digantikan oleh baja tahan karat medis baru yang bebas nikel dan bebas nikel.

Paduan Kobalt

Paduan kobalt juga merupakan bahan medis logam yang biasa digunakan dalam perawatan medis. Dibandingkan dengan baja tahan karat, paduan kobalt medis lebih cocok untuk pembuatan implan jangka panjang untuk lingkungan tubuh manusia, dan ketahanan korosinya 40 kali lebih tinggi dari baja tahan karat. Paduan kobalt medis pertama adalah paduan kobalt-Kromium-Molibdenum (Co-Cr-Mo), dan kemudian ditempa paduan kobalt-nikel-kromium-aluminium-tungsten (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) dengan kinerja kelelahan yang baik dan paduan kobalt-nikel-kromium aluminium MP35N dengan struktur multifase dikembangkan dan diterapkan, yang telah dimasukkan dalam ISO5582 / 4. Paduan kobalt terutama digunakan untuk membuat paku gesper pinggul, lutut, sendi, pelat tulang, paku, dan jarum.

Paduan kobalt tetap pasif di dalam tubuh manusia, dan lapisan pasifnya lebih stabil daripada baja tahan karat, dengan ketahanan korosi dan ketahanan aus yang lebih baik, tanpa reaksi histologis yang jelas setelah implantasi di dalam tubuh manusia. Tetapi paduan kobalt memiliki kekurangan yang tak terhindarkan: harganya mahal; Keausan dan korosi menyebabkan plasma Co dan Ni larut dan menyebabkan alergi, atau nekrosis sel dan jaringan, yang mengakibatkan rasa sakit dan melonggarnya persendian. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi modifikasi permukaan telah meningkatkan sifat permukaan paduan kobalt dan secara efektif meningkatkan efek klinisnya.

Paduan Titanium

Paduan titanium adalah salah satu logam yang paling biokompatibel yang dikenal karena keunggulannya yang tak tertandingi: ringan, tidak beracun, non-magnetik, ketahanan aus yang sangat baik dan ketahanan terhadap korosi. Paduan titanium dan titanium terutama digunakan dalam bedah plastik, terutama untuk rekonstruksi tulang tungkai dan tengkorak, serta berbagai perangkat fiksasi internal fraktur, sendi buatan, tempurung kepala dan dura, katup jantung buatan, gigi, gusi, cincin penyangga, dan mahkota. Paduan titanium yang paling banyak digunakan adalah paduan titanium а + β Ti-6A1-4V, yang menyumbang lebih dari 80% dari pasar paduan titanium biomedis global, di mana kekuatan dan sifat mekanik paduan titanium dapat ditingkatkan secara signifikan dengan perawatan larutan emas dan perawatan penuaan.

Kepadatan titanium dan paduan titanium sekitar 4,5 g / cm3, hampir setengah dari baja tahan karat dan paduan kobalt, lebih dekat dengan jaringan keras tubuh manusia, dan biokompatibilitas, ketahanan korosi dan ketahanan lelahnya lebih baik daripada baja tahan karat dan paduan kobalt, sehingga merupakan bahan medis logam terbaik saat ini. Afinitas antara titanium dan paduan titanium dan tubuh manusia berasal dari kemampuan untuk menginduksi pengendapan ion kalsium dan fosfor dalam cairan tubuh untuk menghasilkan apatit dengan film pasif titanium oksida (TiO2) padat di permukaannya setelah implantasi, menunjukkan aktivitas biologis dan kemampuan pengikatan tulang tertentu, terutama cocok untuk implantasi tulang. Unsur V telah dilaporkan menyebabkan reaksi jaringan ganas dan mungkin memiliki efek samping toksik pada tubuh manusia, sedangkan Al dapat menyebabkan penyakit seperti osteoporosis dan gangguan mental. Oleh karena itu, para ilmuwan biomaterial saat ini sedang mengembangkan paduan titanium β dengan biokompatibilitas yang lebih baik dan modulus elastisitas yang lebih rendah.

Paduan Zirkonium

Bahan paduan berbasis zirkonium banyak digunakan sebagai bahan pengganti jaringan keras manusia karena modulus elastisitasnya yang rendah, kekuatannya yang tinggi, ketangguhan yang baik, ketahanan terhadap korosi yang baik, tidak beracun, biokompatibilitas yang baik, dan keunggulan lainnya.

Zr dan Ti dapat larut satu sama lain, menunjukkan bahwa mereka memiliki sifat fisik dan kimia yang serupa. Zr sering ditambahkan ke dalam paduan Ti sebagai elemen paduan untuk meningkatkan sifat mekanik paduan Ti. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan paduan biomedis baru telah dikembangkan dengan memperkuat paduan Zr dengan elemen paduan yang tidak beracun dan mengoptimalkan sifat-sifatnya.

Paduan Memori Bentuk

Shape Memory alloy (SMA) adalah jenis material fungsional baru yang dapat mengalami transformasi fasa di bawah pengaruh suhu dan tekanan. Material ini memiliki efek Shape Memory yang unik dan elastisitas semu transformasi fase. Telah ditemukan bahwa ada banyak jenis paduan dengan efek memori bentuk, yang dapat dibagi menjadi paduan nikel-titanium, paduan tembaga, dan paduan besi. Diantaranya, paduan memori bentuk nikel-titanium banyak digunakan dalam bedah plastik dan stomatologi, seperti stent yang dapat menggembung sendiri, terutama stent kardiovaskular. Suhu pemulihan memori bentuk paduan memori bentuk nikel-titanium medis adalah 36 ± 2 ℃, yang sesuai dengan suhu tubuh manusia dan menunjukkan biokompatibilitas yang sebanding dengan paduan titanium. Tetapi karena paduan memori nikel-titanium mengandung nikel dalam jumlah besar, ion nikel dapat menyebar ke jaringan di sekitarnya dan menembus, menyebabkan nekrosis sel dan jaringan jika permukaannya tidak dirawat dengan benar.