Metale biomedyczne, znane również jako metale do implantów chirurgicznych, to stopy stosowane do diagnozowania, leczenia i zastępowania lub wzmacniania funkcji tkanek w organizmie. Metal był jednym z najwcześniej stosowanych materiałów medycznych, sięgającym nawet 400-300 r. p.n.e., kiedy Fenicjanie używali drutów do naprawy brakujących zębów. W latach 30. XX wieku, wraz z udanym wykorzystaniem stopu kobaltowo-chromowego, stali nierdzewnej i stopu tytanu w stomatologii i ortopedii, metalowe materiały biomedyczne stały się gorącym tematem w dziedzinie badań chirurgicznych. W latach 70-tych, udane zastosowanie stopu Ni-Ti z pamięcią kształtu w medycynie klinicznej i rozwój biomedycznych materiałów powłokowych na powierzchniach metalowych promowały zastosowania biomedycznych stopów metali. Wymagania stawiane biomedycznym materiałom metalowym powinny być następujące:

  • Dobre właściwości mechaniczne

Biomedyczne materiały metalowe powinny być generalnie lekkie, mieć doskonałą wytrzymałość i ciągliwość, niski moduł sprężystości, dobrą odporność na zmęczenie, odporność na pełzanie oraz niezbędną odporność na zużycie i samosmarowanie. Z powodu urazu, guza i innych czynników, uszkodzenia kości i stawów, konieczne jest ustanowienie stabilnego rusztowania kostnego z płytką łukową, śrubą, sztuczną kością i stawem. Te długoterminowe implanty są narażone na zginanie, ściskanie i skurcze mięśni oraz wymagają wysokiej wytrzymałości i odporności.

  • Doskonała odporność na korozję

Korozja medycznych materiałów metalowych jest spowodowana głównie przez: ogólną jednolitą korozję: powierzchnia wszczepionych materiałów jest narażona na działanie środowiska fizjologicznego człowieka i występuje działanie elektrolityczne; korozję punktową spowodowaną mieszaniem materiałów implantu z zanieczyszczeniami; korozję międzykrystaliczną spowodowaną różnymi składnikami oraz właściwościami fizycznymi i chemicznymi; korozję galwaniczną spowodowaną mieszanym użyciem materiałów o różnej energii jonizacji; zużycie i korozję między implantem a tkanką ludzką; korozję naprężeniową spowodowaną koncentracją naprężeń w części wszczepionego materiału z powodu obciążenia; korozję zmęczeniową spowodowaną pęknięciem materiału implantu i tak dalej.

  • Biokompatybilność

Biokompatybilność jest ważnym wskaźnikiem służącym do pomiaru jakości materiałów. Odnosi się do wzajemnej tolerancji i adaptacji tkanki ludzkiej i materiału implantu, czyli tego, czy materiał implantu spowoduje uszkodzenie, toksyczność lub inne szkody dla tkanki ludzkiej. Materiały biomedyczne nie powinny mieć toksyczności, stymulacji, rakotwórczości, mutacji i innych skutków dla organizmu ludzkiego. Brak reakcji odrzucenia w ludzkim ciele; Silnie związany z otaczającą kością i innymi tkankami, najlepiej związany chemicznie i biologicznie aktywny; Brak hemolizy, reakcji krzepnięcia, to znaczy z przeciwzakrzepowym.

  • Brak magnetyzmu

Na materiały metalowe nie mają wpływu pola elektromagnetyczne i burze, co sprzyja bezpieczeństwu ludzi.

W porównaniu z materiałami polimerowymi, materiałami kompozytowymi, materiałami hybrydowymi i pochodnymi oraz innymi materiałami biomedycznymi, metalowe materiały medyczne oferują wysoką wytrzymałość, dobrą ciągliwość i wytrzymałość zmęczeniową na zginanie, doskonałą wydajność obróbki i inne doskonałe właściwości, które są najczęściej stosowanymi materiałami implantacyjnymi w zastosowaniach klinicznych. Technologia druku 3D w metalu sprawiła, że metalowe materiały medyczne są coraz szerzej stosowane, a typowe komponenty aplikacji obejmują wewnętrzne płytki mocujące złamania, śruby, sztuczne stawy i implanty korzeni zębów. Obecnie medyczne materiały metalowe obejmują głównie stal nierdzewną, stop kobaltu, stop tytanu, stop z pamięcią kształtu, metal szlachetny i czysty metal tantal, niob, cyrkon i tak dalej.

Stal nierdzewna

Medyczna stal nierdzewna jest jednym z początkowo stosowanych stopów biomedycznych, jest łatwa w obróbce, ma niską cenę, oferuje dobrą odporność na korozję i granicę plastyczności i może być ulepszona przez obróbkę na zimno, unikając pęknięć zmęczeniowych. Najczęściej stosowanym typem jest austenityczna stal nierdzewna 304/304L, 316/316L i 317L, które są używane do produkcji instrumentów medycznych, takich jak noże, nożyczki, kleszcze hemostatyczne, igły, elementy implantów chirurgicznych, takie jak sztuczny staw, wewnętrzny stabilizator złamań, orteza dentystyczna, sztuczna zastawka serca i inne wszczepione urządzenia.

Biokompatybilność medycznej stali nierdzewnej wiąże się z reakcją tkanek spowodowaną rozpuszczaniem jonów metali w wyniku korozji lub zużycia po wszczepieniu stali nierdzewnej do ludzkiego ciała. Wiele danych klinicznych pokazuje, że korozja medycznej stali nierdzewnej prowadzi do słabej stabilności długotrwałej implantacji, a jej gęstość i moduł sprężystości są dalekie od ludzkiej tkanki twardej, co skutkuje słabą kompatybilnością mechaniczną. Korozja może powodować wytrącanie się jonów metali, takich jak jony niklu (ogólna austenityczna medyczna stal nierdzewna zawiera około 10% niklu) lub innych związków w otaczających tkankach lub całym ciele, powodując pewne niepożądane reakcje histologiczne, takie jak obrzęk, infekcja, martwica tkanek, ból i reakcje alergiczne. Te austenityczne stale nierdzewne zostały stopniowo zastąpione przez nowe niklowe i bezniklowe medyczne stale nierdzewne.

Stop kobaltu

Stop kobaltu jest również metalowym materiałem medycznym powszechnie stosowanym w leczeniu. W porównaniu ze stalą nierdzewną, medyczny stop kobaltu jest bardziej odpowiedni do produkcji długoterminowych implantów dla środowiska ludzkiego ciała, a jego odporność na korozję jest 40 razy wyższa niż stali nierdzewnej. Pierwszym medycznym stopem kobaltu był stop kobaltowo-chromowo-molibdenowy (Co-Cr-Mo), a później opracowano i zastosowano kuty stop kobaltowo-niklowo-chromowo-aluminiowo-wolframowy (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) o dobrych właściwościach zmęczeniowych oraz stop kobaltowo-niklowo-chromowo-aluminiowy MP35N o strukturze wielofazowej, który został uwzględniony w normie ISO5582/4. Stop kobaltu jest używany głównie do produkcji sztucznych bioder, kolan, gwoździ klamrowych do stawów, płytek kostnych, gwoździ i igieł.

Stop kobaltu pozostaje pasywowany w ludzkim ciele, a jego pasywowana warstwa jest bardziej stabilna niż stal nierdzewna, z lepszą odpornością na korozję i odpornością na zużycie, bez wyraźnej reakcji histologicznej po wszczepieniu do ludzkiego ciała. Stopy kobaltu mają jednak nieuniknione wady: są drogie; zużycie i korozja powodują rozpuszczanie plazmy Co i Ni i powodują alergię lub martwicę komórek i tkanek, powodując ból i rozluźnienie stawów. W ostatnich latach technologia modyfikacji powierzchni poprawiła właściwości powierzchni stopu kobaltu i skutecznie poprawiła jego efekt kliniczny.

Stop tytanu

Stop tytanu jest jednym z najbardziej biokompatybilnych metali znanych ze względu na jego nieporównywalne zalety: lekkość, nietoksyczność, niemagnetyczność, doskonałą odporność na zużycie i odporność na korozję. Tytan i stopy tytanu są stosowane głównie w chirurgii plastycznej, zwłaszcza do rekonstrukcji kości kończyn i czaszki oraz różnych urządzeń do wewnętrznego mocowania złamań, sztucznych stawów, czaszki i opony twardej, sztucznych zastawek serca, zębów, dziąseł, pierścieni podtrzymujących i koron. Najczęściej stosowanym stopem tytanu jest stop tytanu а+β Ti-6A1-4V, który stanowi ponad 80% globalnego rynku biomedycznych stopów tytanu, którego wytrzymałość i właściwości mechaniczne stopu tytanu można znacznie poprawić poprzez obróbkę roztworem złota i starzenie.

Gęstość tytanu i stopu tytanu wynosi około 4,5 g / cm3, prawie połowę gęstości stali nierdzewnej i stopu kobaltu, bliżej twardej tkanki ludzkiego ciała, a jego biokompatybilność, odporność na korozję i odporność na zmęczenie są lepsze niż stali nierdzewnej i stopu kobaltu, dzięki czemu jest to obecnie najlepszy metaliczny materiał medyczny. Powinowactwo między tytanem i stopem tytanu a ludzkim ciałem wynika ze zdolności do indukowania osadzania jonów wapnia i fosforu w płynie ustrojowym w celu wytworzenia apatytu przez gęstą warstwę pasywacyjną tlenku tytanu (TiO2) na jego powierzchni po implantacji, wykazując pewną aktywność biologiczną i zdolność wiązania kości, szczególnie odpowiednią do implantacji kości. Doniesiono, że pierwiastek V powoduje złośliwe reakcje tkanek i może mieć toksyczne skutki uboczne dla organizmu ludzkiego, podczas gdy Al może powodować choroby, takie jak osteoporoza i zaburzenia psychiczne. Dlatego naukowcy zajmujący się biomateriałami opracowują obecnie stopy tytanu β o lepszej biokompatybilności i niższym module sprężystości.

Stop cyrkonu

Materiał stopowy na bazie cyrkonu jest szeroko stosowany jako materiał zastępujący ludzką tkankę twardą ze względu na niski moduł sprężystości, wysoką wytrzymałość, dobrą ciągliwość, dobrą odporność na korozję, nietoksyczność, dobrą biokompatybilność i inne zalety.

Zr i Ti mogą rozpuszczać się w sobie nawzajem, co wskazuje, że mają podobne właściwości fizyczne i chemiczne. Zr jest często dodawany do stopów Ti jako pierwiastek stopowy w celu poprawy właściwości mechanicznych stopów Ti. W ostatnich latach opracowano nowe biomedyczne materiały stopowe poprzez wzmocnienie stopu Zr nietoksycznymi pierwiastkami stopowymi i optymalizację jego właściwości.

Stop z pamięcią kształtu

Stop z pamięcią kształtu (SMA) to nowy rodzaj funkcjonalnego materiału, który może ulegać przemianie fazowej pod wpływem temperatury i naprężeń. Posiada unikalny efekt pamięci kształtu i pseudoelastyczność przemiany fazowej. Stwierdzono, że istnieje wiele rodzajów stopów z efektem pamięci kształtu, które można podzielić na stopy niklowo-tytanowe, stopy miedzi i stopy żelaza. Wśród nich stopy niklowo-tytanowe z pamięcią kształtu są szeroko stosowane w chirurgii plastycznej i stomatologii, takie jak stenty samopompujące, zwłaszcza stenty sercowo-naczyniowe. Temperatura odzyskiwania pamięci kształtu medycznego stopu niklowo-tytanowego z pamięcią kształtu wynosi 36 ± 2 ℃, co jest zgodne z temperaturą ludzkiego ciała i wykazuje porównywalną biokompatybilność ze stopem tytanu. Ponieważ jednak stopy niklowo-tytanowe z pamięcią kształtu zawierają dużą ilość niklu, jony niklu mogą rozprzestrzeniać się na otaczające tkanki i przenikać, powodując martwicę komórek i tkanek, jeśli powierzchnia nie zostanie odpowiednio oczyszczona.