수술용 임플란트 금속으로도 알려진 생체 의료용 금속은 진단, 치료 및 신체 조직의 기능을 대체하거나 향상시키는 데 사용되는 합금입니다. 금속은 기원전 400~300년 전 페니키아인들이 빠진 치아를 수리하기 위해 와이어를 사용했을 정도로 가장 초기에 사용된 의료 재료 중 하나였습니다. 1930년대에 코발트-크롬 합금, 스테인리스 스틸, 티타늄 합금을 치과 및 정형외과에 성공적으로 사용하면서 금속 생체 의학 재료는 외과 연구 분야에서 뜨거운 감자였습니다. 1970년대에 임상 의학에서 Ni-Ti 형상 기억 합금을 성공적으로 적용하고 금속 표면에 생체 의학 코팅 재료를 개발하면서 생체 의학 금속 합금의 응용이 촉진되었습니다. 생체 의료용 금속 재료의 요구 사항은 다음과 같아야 합니다:

  • 우수한 기계적 특성

생체 의학 금속 재료는 일반적으로 가볍고 강도와 인성이 우수하고 탄성 계수가 낮으며 피로 저항성, 크리프 저항성 및 필요한 내마모성 및 자체 윤활성이 있어야합니다. 부상, 종양 및 기타 요인, 뼈 및 관절 손상으로 인해 아크 플레이트, 나사, 인공 뼈 및 관절로 안정적인 뼈 스캐 폴드를 구축해야합니다. 이러한 장기 임플란트는 구부러짐, 압박 및 근육 수축의 영향을받으며 높은 강도와 인성이 필요합니다.

  • 뛰어난 내식성

의료용 금속 재료의 부식은 주로 다음과 같은 원인에 의해 발생합니다: 이식된 재료의 표면이 인체 생리 환경에 노출되어 전해 작용이 발생하는 일반적인 균일 부식, 임플란트 재료와 불순물이 혼합되어 발생하는 점 부식, 성분과 물리적 및 화학적 특성이 다른 재료의 혼합 사용으로 인한 입자 간 부식, 이온화 에너지가 다른 재료를 혼합하여 발생하는 갈바닉 부식, 임플란트와 인체 조직 사이의 마모 및 부식, 하중으로 인해 이식 재료 일부에 응력이 집중되어 발생하는 응력 부식, 이식 재료 손상 파단 피로 부식 등이 있습니다.

  • 생체 적합성

생체 적합성은 재료의 품질을 측정하는 중요한 지표입니다. 이는 인체 조직과 임플란트 재료의 상호 내성 및 적응, 즉 임플란트 재료가 인체 조직에 손상, 독성 또는 기타 해를 끼칠 수 있는지 여부를 나타냅니다. 생체 의학 재료는 독성, 자극, 발암, 돌연변이 및 기타 인체에 미치는 영향이 없어야 합니다. 인체에 거부 반응 없음; 주변 뼈 및 기타 조직과 강하게 결합, 바람직하게는 화학적으로 결합되고 생물학적으로 활성; 용혈, 응고 반응 없음, 즉 항혈전제와 함께.

  • 자성 없음

금속 소재는 전자기장 및 뇌우 날씨의 영향을 받지 않아 사람의 안전에 도움이 됩니다.

고분자 재료, 복합 재료, 하이브리드 및 파생 재료 및 기타 생체 의학 재료와 비교하여 금속 의료 재료는 고강도, 우수한 인성 및 굴곡 피로 강도, 우수한 가공 성능 및 기타 우수한 특성을 제공하여 임상 적용에서 가장 널리 사용되는 임플란트 재료였습니다. 금속 3D 프린팅 기술은 금속 의료 재료를 더욱 널리 사용하게 만들었으며, 일반적인 응용 구성 요소에는 골절 내부 고정판, 나사, 인공 관절 및 치아 뿌리 임플란트가 포함됩니다. 현재 의료용 금속 재료에는 주로 스테인리스 스틸, 코발트 합금, 티타늄 합금, 형상 기억 합금, 귀금속 및 순수 금속 탄탈륨, 니오븀, 지르코늄 등이 포함됩니다.

스테인리스 스틸

의료용 스테인리스 스틸은 초기에 사용되는 생의학 합금 중 하나이며 가공이 쉽고 가격이 저렴하며 내식성과 항복 강도가 우수하며 냉간 가공으로 피로 골절을 방지하여 개선 할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 유형은 오스테 나이트 계 스테인리스 스틸 304/304L, 316/316L 및 317L로 칼, 가위, 지혈 겸자, 바늘, 인공 관절, 골절 내부 고정 장치, 치과 보조기, 인공 심장 판막 및 기타 이식 장치와 같은 수술용 임플란트 구성 요소와 같은 의료 기기를 만드는 데 사용됩니다.

의료용 스테인리스 스틸의 생체 적합성은 스테인리스 스틸이 인체에 이식된 후 부식 또는 마모로 인한 금속 이온의 용해로 인한 조직 반응을 포함합니다. 많은 임상 데이터에 따르면 의료용 스테인리스 스틸의 부식은 장기 이식의 안정성을 떨어뜨리고 밀도와 탄성 계수가 인간의 경조직과 거리가 멀어 기계적 호환성이 좋지 않습니다. 부식은 니켈 이온 (일반 오스테 나이트 계 의료용 스테인리스 스틸에는 약 10% 니켈이 포함되어 있음) 또는 기타 화합물과 같은 금속 이온이 주변 조직이나 전신에 침전되어 부종, 감염, 조직 괴사, 통증 및 알레르기 반응과 같은 일부 불리한 조직 학적 반응을 일으킬 수 있습니다. 이러한 오스테나이트계 스테인리스강은 점차 새로운 니켈 및 니켈이 없는 의료용 스테인리스강으로 대체되고 있습니다.

코발트 합금

코발트 합금은 또한 의료 치료에 일반적으로 사용되는 금속 의료 재료입니다. 스테인리스 스틸에 비해 의료용 코발트 합금은 인체 환경을위한 장기 임플란트 제조에 더 적합하며 내식성이 스테인리스 스틸보다 40 배 높습니다. 최초의 의료용 코발트 합금은 코발트-크롬-몰리브덴(Co-Cr-Mo) 합금이었으며, 이후 피로 성능이 좋은 단조 코발트-니켈-크롬-알루미늄-텅스텐(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) 합금과 다상 구조의 MP35N 코발트-니켈-크롬 알루미늄 합금이 개발 및 적용되었으며 ISO5582/4에 포함되었습니다. 코발트 합금은 주로 인공 고관절, 무릎, 관절 버클 못, 뼈판, 못 및 바늘을 만드는 데 사용됩니다.

코발트 합금은 인체에서 부동 태화 된 상태로 유지되며 부동 태화 된 필름은 스테인리스 스틸보다 더 안정적이며 내식성과 내마모성이 우수하며 인체 이식 후 명백한 조직 학적 반응이 없습니다. 그러나 코발트 합금은 가격이 비싸고 마모와 부식으로 인해 코발트 및 니켈 플라즈마가 용해되어 알레르기를 유발하거나 세포 및 조직 괴사를 일으켜 통증과 관절이 느슨해지는 등 피할 수 없는 단점을 가지고 있습니다. 최근 몇 년 동안 표면 개질 기술은 코발트 합금의 표면 특성을 개선하고 임상 효과를 효과적으로 개선했습니다.

티타늄 합금

티타늄 합금은 경량, 무독성, 비자성, 우수한 내마모성 및 내식성 등 비교할 수 없는 장점으로 인해 알려진 가장 생체 적합성이 높은 금속 중 하나입니다. 티타늄 및 티타늄 합금은 주로 성형 수술, 특히 사지 뼈 및 두개골 재건, 다양한 골절 내부 고정 장치, 인공 관절, 두개골 및 경막, 인공 심장 판막, 치아, 잇몸, 지지 고리 및 크라운에 사용됩니다. 가장 널리 사용되는 티타늄 합금은 а+β 티타늄 합금 Ti-6A1-4V로, 전 세계 생의학 티타늄 합금 시장의 80% 이상을 차지하며, 그 중 티타늄 합금의 강도와 기계적 특성은 금 용액 처리 및 노화 처리에 의해 크게 향상될 수 있습니다.

티타늄과 티타늄 합금의 밀도는 약 4.5g / cm3로 스테인리스 스틸과 코발트 합금의 거의 절반으로 인체의 경조직에 가깝고 생체 적합성, 내식성 및 피로 저항성이 스테인리스 스틸 및 코발트 합금보다 우수하여 현재 최고의 금속 의료 재료입니다. 티타늄 및 티타늄 합금과 인체 간의 친화력은 체액에 칼슘과 인 이온의 침착을 유도하여 이식 후 표면에 조밀 한 산화 티타늄 (TiO2) 패시베이션 필름에 의해 인회석을 생성하여 특정 생물학적 활성과 뼈 결합 능력을 보여주는 능력에서 파생되며, 특히 뼈 이식에 적합합니다. 원소 V는 악성 조직 반응을 일으키고 인체에 독성 부작용을 일으킬 수 있는 것으로 보고된 반면, Al은 골다공증 및 정신 장애와 같은 질병을 유발할 수 있습니다. 따라서 생체 재료 과학자들은 현재 생체 적합성이 우수하고 탄성 계수가 낮은 β 티타늄 합금을 개발하고 있습니다.

지르코늄 합금

지르코늄 기반 합금 소재는 낮은 탄성 계수, 고강도, 우수한 인성, 우수한 내식성, 무독성, 우수한 생체 적합성 및 기타 장점으로 인해 인체 경조직 대체 재료로 널리 사용됩니다.

Zr과 Ti는 서로 용해될 수 있어 물리적, 화학적 특성이 비슷하다는 것을 나타냅니다. Zr은 종종 Ti 합금의 기계적 특성을 개선하기 위해 합금 원소로 Ti 합금에 첨가됩니다. 최근에는 무독성 합금 원소로 Zr 합금을 강화하고 그 특성을 최적화하여 새로운 생체 의학 합금 재료가 개발되었습니다.

형상 기억 합금

형상 기억 합금(SMA)은 온도와 응력의 작용에 따라 상 변형을 일으킬 수 있는 새로운 유형의 기능성 소재입니다. 독특한 형상 기억 효과와 상 변형 의사 탄성을 가지고 있습니다. 형상 기억 효과가있는 합금에는 니켈-티타늄 합금, 구리 합금 및 철 합금으로 나눌 수있는 많은 종류의 합금이 있음이 밝혀졌습니다. 그 중에서도 니켈-티타늄 형상 기억 합금은 자체 팽창 스텐트, 특히 심혈관 스텐트와 같은 성형 수술 및 구강 내과에 널리 사용됩니다. 의료용 니켈-티타늄 형상 기억 합금의 형상 기억 회복 온도는 36±2℃로 인체 온도에 부합하며 티타늄 합금과 유사한 생체 적합성을 보여줍니다. 그러나 니켈-티타늄 메모리 합금에는 다량의 니켈이 포함되어 있기 때문에 니켈 이온이 주변 조직으로 퍼져 침투하여 표면을 적절하게 처리하지 않으면 세포 및 조직 괴사를 일으킬 수 있습니다.