Metalele biomedicale, cunoscute și sub numele de metale pentru implanturi chirurgicale, sunt aliaje utilizate pentru diagnosticare, tratament și pentru a înlocui sau îmbunătăți funcția țesuturilor din organism. Metalul a fost unul dintre primele materiale medicale folosite vreodată, datând chiar din anii 400-300 î.Hr. când fenicienii foloseau sârme pentru a repara dinții lipsă. În anii 1930, odată cu utilizarea cu succes a aliajului de cobalt-crom, a oțelului inoxidabil și a aliajului de titan în stomatologie și ortopedie, materialele biomedicale metalice au fost un subiect fierbinte în domeniul cercetării chirurgicale. În anii 1970, aplicarea cu succes a aliajului cu memorie de formă Ni-Ti în medicina clinică și dezvoltarea materialelor de acoperire biomedicale pe suprafețele metalice au promovat aplicațiile aliajelor metalice biomedicale. Cerințele materialelor metalice biomedicale ar trebui să fie următoarele:

  • Proprietăți mecanice bune

Materialele metalice biomedicale ar trebui să fie, în general, ușoare, să aibă o rezistență și o tenacitate excelente, un modul de elasticitate scăzut, o bună rezistență la oboseală, o rezistență la fluaj și o rezistență necesară la uzură și autolubrifiere. Din cauza rănilor, a tumorilor și a altor factori, deteriorarea oaselor și a articulațiilor, este necesar să se stabilească o schelă osoasă stabilă cu placă de arc, șurub, os artificial și articulație. Aceste implanturi pe termen lung sunt supuse la îndoire, stoarcere și contracții musculare și necesită o rezistență și o tenacitate ridicate.

  • Rezistență excelentă la coroziune

Coroziunea materialelor metalice medicale este cauzată în principal de: coroziunea generală uniformă: suprafața materialelor implantate este expusă la mediul fiziologic uman și are loc o acțiune electrolitică; coroziunea punctiformă cauzată de amestecul materialelor implantului cu impurități; coroziunea intergranulară cauzată de diferite componente și proprietăți fizice și chimice; coroziunea galvanică cauzată de o utilizare mixtă a materialelor cu energie de ionizare diferită; uzura și coroziunea dintre implant și țesutul uman; coroziunea sub tensiune cauzată de concentrația de tensiune într-o parte a materialului implantat din cauza sarcinii; coroziunea prin oboseală de fractură a materialului implantului și așa mai departe.

  • Biocompatibilitate

Biocompatibilitatea este un indicator important pentru a măsura calitatea materialelor. Aceasta se referă la toleranța și adaptarea reciprocă a țesutului uman și a materialului de implant, adică dacă materialul de implant va cauza daune, toxicitate sau alte prejudicii țesutului uman. Materialele biomedicale ar trebui să nu aibă nicio toxicitate, nicio stimulare, nicio carcinogeneză, nicio mutație și alte efecte asupra corpului uman. Nici o reacție de respingere în corpul uman; Puternic legat cu osul înconjurător și alte țesuturi, de preferință legat chimic și biologic activ; Fără hemoliză, reacție de coagulare, adică cu antitrombotic.

  • Fără magnetism

Materialele metalice nu sunt afectate de câmpurile electromagnetice și de vremea furtunilor, ceea ce favorizează siguranța oamenilor.

În comparație cu materialele polimerice, materialele compozite, materialele hibride și derivate și alte materiale biomedicale, materialele medicale metalice oferă o rezistență ridicată, o bună tenacitate și rezistență la oboseală prin flexiune, o performanță excelentă de prelucrare și alte proprietăți excelente, care au fost cele mai utilizate materiale de implant în aplicațiile clinice. Tehnologia de imprimare 3D a făcut ca materialele medicale metalice să fie utilizate pe scară mai largă, componentele tipice de aplicare includ plăci de fixare internă a fracturilor, șuruburi, articulații artificiale și implanturi dentare de rădăcină. În prezent, materialele metalice medicale includ în principal oțel inoxidabil, aliaj de cobalt, aliaj de titan, aliaj cu memorie de formă, metal prețios și metal pur tantal, niobiu, zirconiu și așa mai departe.

Oțel inoxidabil

Oțelul inoxidabil medical este unul dintre aliajele biomedicale utilizate inițial, este ușor de procesat, are un preț scăzut, oferă o bună rezistență la coroziune și rezistență la randament și poate fi îmbunătățit prin procesare la rece, evitând fractura de oboseală. Tipul cel mai frecvent utilizat este oțelul inoxidabil austenitic 304/304L, 316/316L și 317L, care sunt utilizate pentru fabricarea instrumentelor medicale, cum ar fi cuțite, foarfece, forceps hemostatic, ace, componente de implant chirurgical, cum ar fi articulația artificială, fixatorul intern de fracturi, orteza dentară, valva cardiacă artificială și alte dispozitive implantate.

Biocompatibilitatea oțelului inoxidabil medical implică reacția țesutului cauzată de dizolvarea ionilor metalici cauzată de coroziune sau uzură după ce oțelul inoxidabil este implantat în corpul uman. Un număr mare de date clinice arată că coroziunea oțelului inoxidabil medical duce la o stabilitate slabă a implantării pe termen lung, iar densitatea și modulul său de elasticitate sunt departe de țesutul dur uman, ceea ce duce la o compatibilitate mecanică slabă. Coroziunea poate provoca precipitarea ionilor metalici, cum ar fi ionii de nichel (oțelul inoxidabil medical austenitic general conține aproximativ 10% nichel) sau a altor compuși în țesuturile înconjurătoare sau în întregul organism, provocând unele reacții histologice adverse, cum ar fi edemul, infecția, necroza tisulară, durerea și reacțiile alergice. Aceste oțeluri inoxidabile austenitice au fost înlocuite treptat cu noi oțeluri inoxidabile medicale cu și fără nichel.

Aliaj de cobalt

Aliajul de cobalt este, de asemenea, un material medical metalic utilizat în mod obișnuit în tratamentele medicale. În comparație cu oțelul inoxidabil, aliajul de cobalt medical este mai potrivit pentru fabricarea de implanturi pe termen lung pentru mediul corpului uman, iar rezistența sa la coroziune este de 40 de ori mai mare decât cea a oțelului inoxidabil. Primul aliaj de cobalt medical a fost aliajul cobalt-crom-molibden (Co-Cr-Mo), iar mai târziu au fost dezvoltate și aplicate aliajul forjat cobalt-nichel-crom-aluminiu-tungsten (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) cu o bună performanță la oboseală și aliajul MP35N cobalt-nichel-crom-aluminiu cu structură multifazică, care a fost inclus în ISO5582/4. Aliajul de cobalt este utilizat în principal pentru fabricarea șoldului artificial, a genunchiului, a unghiilor pentru catarame articulare, a plăcii osoase, a cuiului și a acului.

Aliajul de cobalt rămâne pasivat în corpul uman, iar filmul său pasivat este mai stabil decât oțelul inoxidabil, cu o rezistență mai bună la coroziune și rezistență la uzură, fără reacție histologică evidentă după implantarea în corpul uman. Dar aliajele de cobalt au dezavantaje inevitabile: sunt scumpe; uzura și coroziunea determină dizolvarea plasmei de Co și Ni și provoacă alergii sau necroza celulelor și țesuturilor, ceea ce duce la dureri și slăbirea articulațiilor. În ultimii ani, tehnologia de modificare a suprafeței a îmbunătățit proprietățile de suprafață ale aliajului de cobalt și a îmbunătățit în mod eficient efectul său clinic.

Aliaj de titan

Aliajul de titan este unul dintre cele mai biocompatibile metale cunoscute datorită avantajelor sale incomparabile: ușor, netoxic, nemagnetic, rezistență excelentă la uzură și la coroziune. Titanul și aliajele de titan sunt utilizate în principal în chirurgia plastică, în special pentru reconstrucția osoasă a membrelor și a craniului, precum și pentru diverse dispozitive de fixare internă a fracturilor, articulații artificiale, craniu și dura, valve cardiace artificiale, dinți, gingii, inele de susținere și coroane. Cel mai utilizat aliaj de titan este aliajul de titan а+β Ti-6A1-4V, care reprezintă mai mult de 80% din piața globală de aliaje de titan biomedicale, din care rezistența și proprietățile mecanice ale aliajului de titan pot fi îmbunătățite semnificativ prin tratamentul cu soluție de aur și tratamentul de îmbătrânire.

Densitatea titanului și a aliajului de titan este de aproximativ 4,5 g / cm3, aproape jumătate din cea a oțelului inoxidabil și a aliajului de cobalt, mai aproape de țesutul dur al corpului uman, iar biocompatibilitatea, rezistența la coroziune și rezistența la oboseală sunt mai bune decât cele ale oțelului inoxidabil și ale aliajului de cobalt, făcându-l cel mai bun material medical metalic în prezent. Afinitatea dintre titan și aliajul de titan și corpul uman derivă din capacitatea de a induce depunerea de ioni de calciu și fosfor în lichidul corporal pentru a genera apatită prin pelicula densă de pasivare a oxidului de titan (TiO2) pe suprafața sa după implantare, prezentând o anumită activitate biologică și capacitate de legare a oaselor, fiind deosebit de potrivit pentru implantarea osoasă. S-a raportat că elementul V provoacă reacții tisulare maligne și poate avea efecte secundare toxice asupra organismului uman, în timp ce Al poate provoca boli precum osteoporoza și tulburări mentale. Prin urmare, oamenii de știință din domeniul biomaterialelor dezvoltă în prezent aliaje de titan β cu o biocompatibilitate mai bună și un modul de elasticitate mai mic.

Aliaj de zirconiu

Materialul din aliaj pe bază de zirconiu este utilizat pe scară largă ca material de înlocuire a țesutului dur uman datorită modulului său de elasticitate scăzut, rezistenței ridicate, tenacității bune, rezistenței bune la coroziune, non-toxicității, biocompatibilității bune și altor avantaje.

Zr și Ti se pot dizolva unul în celălalt, ceea ce indică faptul că au proprietăți fizice și chimice similare. Zr este adesea adăugat în aliajele de Ti ca element de aliere pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale aliajelor de Ti. În ultimii ani, au fost dezvoltate noi materiale de aliaje biomedicale prin consolidarea aliajului Zr cu elemente de aliere netoxice și optimizarea proprietăților acestuia.

Aliaj de memorie de formă

Aliajul cu memorie de formă (SMA) este un nou tip de material funcțional care poate suferi transformări de fază sub acțiunea temperaturii și a stresului. Acesta are un efect unic de memorie de formă și o pseudoelasticitate de transformare de fază. S-a constatat că există mai multe tipuri de aliaje cu efect de memorie a formei, care pot fi împărțite în aliaje de nichel-titan, aliaje de cupru și aliaje de fier. Dintre acestea, aliajele de nichel-titan cu memorie de formă sunt utilizate pe scară largă în chirurgia plastică și stomatologie, cum ar fi stenturile autogonflabile, în special stenturile cardiovasculare. Temperatura de recuperare a memoriei formei a aliajului medical cu memorie de formă din nichel-titan este de 36±2 ℃, care este conformă cu temperatura corpului uman și prezintă o biocompatibilitate comparabilă cu cea a aliajului de titan. Dar, deoarece aliajele cu memorie de nichel-titan conțin o cantitate mare de nichel, ionii de nichel se pot răspândi în țesuturile înconjurătoare și pot pătrunde, provocând necroza celulelor și a țesuturilor dacă suprafața nu este tratată corespunzător.