I metalli biomedici, noti anche come metalli per impianti chirurgici, sono leghe utilizzate per la diagnosi, il trattamento e per sostituire o migliorare la funzione dei tessuti del corpo. Il metallo è stato uno dei primi materiali medici mai utilizzati, risalendo addirittura al 400-300 a.C., quando i Fenici usavano fili per riparare i denti mancanti. Negli anni '30, con il successo dell'uso della lega di cobalto-cromo, dell'acciaio inossidabile e della lega di titanio in odontoiatria e ortopedia, i materiali biomedici metallici sono diventati un tema caldo nel campo della ricerca chirurgica. Negli anni '70, il successo dell'applicazione della lega Ni-Ti a memoria di forma nella medicina clinica e lo sviluppo di materiali di rivestimento biomedico sulle superfici metalliche hanno promosso le applicazioni delle leghe metalliche biomediche. I requisiti dei materiali metallici biomedici devono essere i seguenti:

  • Buone proprietà meccaniche

I materiali metallici biomedici devono essere generalmente leggeri, avere eccellente resistenza e tenacità, basso modulo elastico, buona resistenza alla fatica, resistenza al creep e necessaria resistenza all'usura e autolubrificazione. A causa di lesioni, tumori e altri fattori, i danni alle ossa e alle articolazioni richiedono la creazione di un'impalcatura ossea stabile con placche ad arco, viti, ossa artificiali e articolazioni. Questi impianti a lungo termine sono soggetti a flessione, compressione e contrazioni muscolari e richiedono un'elevata resistenza e tenacità.

  • Eccellente resistenza alla corrosione

La corrosione dei materiali metallici medicali è causata principalmente da: corrosione uniforme generale: la superficie dei materiali impiantati è esposta all'ambiente fisiologico umano e si verifica un'azione elettrolitica; corrosione puntiforme causata dalla miscelazione di materiali impiantati con impurità; corrosione intergranulare causata da componenti e proprietà fisiche e chimiche diverse; corrosione galvanica causata dall'uso misto di materiali con energia di ionizzazione diversa; usura e corrosione tra l'impianto e il tessuto umano; corrosione da stress causata dalla concentrazione di stress in una parte del materiale impiantato a causa del carico; corrosione da fatica da frattura del materiale dell'impianto e così via.

  • Biocompatibilità

La biocompatibilità è un indicatore importante per misurare la qualità dei materiali. Si riferisce alla tolleranza e all'adattamento reciproco del tessuto umano e del materiale implantare, cioè se il materiale implantare causerà danni, tossicità o altri danni al tessuto umano. I materiali biomedici non devono avere tossicità, stimolazione, cancerogenesi, mutazioni e altri effetti sul corpo umano. Nessuna reazione di rigetto nel corpo umano; forte legame con l'osso e gli altri tessuti circostanti, preferibilmente chimicamente legato e biologicamente attivo; nessuna emolisi, reazione di coagulazione, cioè con antitrombo.

  • Nessun magnetismo

I materiali metallici non sono influenzati dai campi elettromagnetici e dai temporali, il che favorisce la sicurezza umana.

Rispetto ai materiali polimerici, ai materiali compositi, ai materiali ibridi e derivati e ad altri materiali biomedici, i materiali medicali metallici offrono un'elevata resistenza, una buona tenacità e resistenza alla fatica per flessione, eccellenti prestazioni di lavorazione e altre eccellenti proprietà, che sono stati i materiali implantari più utilizzati nell'applicazione clinica. La tecnologia di stampa 3D del metallo ha reso i materiali medicali metallici più ampiamente utilizzati; i componenti tipici dell'applicazione includono piastre per la fissazione interna delle fratture, viti, articolazioni artificiali e impianti radicolari dentali. Attualmente, i materiali metallici per uso medico includono principalmente acciaio inossidabile, lega di cobalto, lega di titanio, lega a memoria di forma, metallo prezioso e metallo puro, tantalio, niobio, zirconio e così via.

Acciaio inox

L'acciaio inossidabile per uso medico è una delle leghe biomediche più utilizzate, è facile da lavorare, ha un prezzo basso, offre una buona resistenza alla corrosione e un buon carico di snervamento e può essere migliorato con la lavorazione a freddo, evitando la frattura da fatica. Il tipo più comunemente usato è l'acciaio inossidabile austenitico 304/304L, 316/316L e 317L, che viene utilizzato per produrre strumenti medici come coltelli, forbici, pinze emostatiche, aghi, componenti di impianti chirurgici come articolazioni artificiali, fissatori interni di fratture, ortesi dentali, valvole cardiache artificiali e altri dispositivi impiantati.

La biocompatibilità dell'acciaio inossidabile per uso medico riguarda la reazione dei tessuti causata dalla dissoluzione degli ioni metallici provocata dalla corrosione o dall'usura dopo l'impianto dell'acciaio inossidabile nel corpo umano. Numerosi dati clinici dimostrano che la corrosione dell'acciaio inossidabile per uso medico porta a una scarsa stabilità dell'impianto a lungo termine e che la sua densità e il suo modulo elastico sono lontani dai tessuti duri umani, con conseguente scarsa compatibilità meccanica. La corrosione può far precipitare nei tessuti circostanti o nell'intero organismo ioni metallici come quelli di nichel (l'acciaio inossidabile medicale austenitico generale contiene circa 10% di nichel) o altri composti, causando alcune reazioni istologiche avverse come edema, infezione, necrosi dei tessuti, dolore e reazioni allergiche. Questi acciai inossidabili austenitici sono stati gradualmente sostituiti da nuovi acciai inossidabili medicali con e senza nichel.

Lega di cobalto

La lega di cobalto è anche un materiale metallico medico comunemente utilizzato nel trattamento medico. Rispetto all'acciaio inossidabile, la lega di cobalto per uso medico è più adatta alla produzione di impianti a lungo termine per l'ambiente del corpo umano e la sua resistenza alla corrosione è 40 volte superiore a quella dell'acciaio inossidabile. La prima lega di cobalto per uso medico è stata la lega di cobalto-cromo-molibdeno (Co-Cr-Mo); in seguito sono state sviluppate e applicate la lega forgiata di cobalto-nichel-cromo-alluminio-tungsteno (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) con buone prestazioni a fatica e la lega di alluminio MP35N di cobalto-nichel-cromo con struttura multifasica, che è stata inclusa nella norma ISO5582/4. La lega di cobalto è utilizzata principalmente per la produzione di anca artificiale, ginocchio, chiodi per fibbie articolari, piastre ossee, chiodi e aghi.

La lega di cobalto rimane passivata nel corpo umano e il suo film passivato è più stabile dell'acciaio inossidabile, con una migliore resistenza alla corrosione e all'usura, senza alcuna reazione istologica evidente dopo l'impianto nel corpo umano. Ma le leghe di cobalto presentano inevitabili svantaggi: sono costose; l'usura e la corrosione causano la dissoluzione del plasma di Co e Ni e provocano allergie o necrosi di cellule e tessuti, con conseguente dolore e allentamento delle articolazioni. Negli ultimi anni, la tecnologia di modifica della superficie ha migliorato le proprietà superficiali della lega di cobalto, migliorandone efficacemente l'effetto clinico.

Lega di titanio

La lega di titanio è uno dei metalli più biocompatibili conosciuti grazie ai suoi incomparabili vantaggi: leggerezza, atossicità, amagnetismo, eccellente resistenza all'usura e alla corrosione. Il titanio e le leghe di titanio sono utilizzati principalmente in chirurgia plastica, in particolare per la ricostruzione delle ossa degli arti e del cranio, e per vari dispositivi di fissazione interna delle fratture, articolazioni artificiali, cranio e dura, valvole cardiache artificiali, denti, gengive, anelli di sostegno e corone. La lega di titanio più utilizzata è la lega di titanio а+β Ti-6A1-4V, che rappresenta oltre l'80% del mercato globale delle leghe di titanio biomediche, la cui resistenza e le cui proprietà meccaniche possono essere migliorate in modo significativo con il trattamento in soluzione d'oro e il trattamento di invecchiamento.

La densità del titanio e della lega di titanio è di circa 4,5 g/cm3, quasi la metà di quella dell'acciaio inossidabile e della lega di cobalto, più vicina ai tessuti duri del corpo umano, e le sue caratteristiche di biocompatibilità, resistenza alla corrosione e alla fatica sono migliori di quelle dell'acciaio inossidabile e della lega di cobalto, rendendolo il miglior materiale medico metallico al momento. L'affinità tra il titanio e la lega di titanio e il corpo umano deriva dalla capacità di indurre la deposizione di ioni calcio e fosforo nel fluido corporeo per generare apatite attraverso una pellicola di passivazione di ossido di titanio (TiO2) densa sulla sua superficie dopo l'impianto, mostrando una certa attività biologica e capacità di legare le ossa, particolarmente adatta per l'impianto osseo. L'elemento V è stato segnalato come causa di reazioni maligne dei tessuti e può avere effetti collaterali tossici sul corpo umano, mentre l'Al può causare malattie come l'osteoporosi e disturbi mentali. Pertanto, gli scienziati dei biomateriali stanno attualmente sviluppando leghe di titanio β con una migliore biocompatibilità e un modulo elastico inferiore.

Lega di zirconio

Il materiale in lega a base di zirconio è ampiamente utilizzato come materiale sostitutivo dei tessuti duri umani grazie al suo basso modulo elastico, all'elevata resistenza, alla buona tenacità, alla buona resistenza alla corrosione, alla non tossicità, alla buona biocompatibilità e ad altri vantaggi.

Zr e Ti possono dissolversi l'uno nell'altro, il che indica che hanno proprietà fisiche e chimiche simili. Lo Zr viene spesso aggiunto alle leghe di Ti come elemento di lega per migliorarne le proprietà meccaniche. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati nuovi materiali in lega biomedica rafforzando la lega di Zr con elementi di lega non tossici e ottimizzandone le proprietà.

Lega a memoria di forma

La lega a memoria di forma (SMA) è un nuovo tipo di materiale funzionale che può subire una trasformazione di fase sotto l'azione della temperatura e delle sollecitazioni. Ha un effetto di memoria di forma unico e una pseudo-elasticità da trasformazione di fase. È stato scoperto che esistono molti tipi di leghe con effetto di memoria di forma, che possono essere suddivise in leghe di nichel-titanio, leghe di rame e leghe di ferro. Tra queste, le leghe di nichel-titanio a memoria di forma sono ampiamente utilizzate in chirurgia plastica e stomatologia, come gli stent autogonfianti, soprattutto quelli cardiovascolari. La temperatura di recupero della memoria di forma della lega medica di nichel-titanio è di 36±2℃, conforme alla temperatura del corpo umano e con una biocompatibilità paragonabile a quella della lega di titanio. Tuttavia, poiché le leghe a memoria di forma di nichel-titanio contengono una grande quantità di nichel, gli ioni di nichel possono diffondersi nei tessuti circostanti e penetrare, causando la necrosi delle cellule e dei tessuti, se la superficie non viene trattata adeguatamente.