Биомедицинские металлы, также известные как металлы для хирургических имплантатов, представляют собой сплавы, используемые для диагностики, лечения, а также для замены или усиления функций тканей организма. Металл был одним из самых ранних медицинских материалов, применявшихся еще в 400-300 гг. до н.э., когда финикийцы использовали проволоку для восстановления отсутствующих зубов. В 1930-х годах, после успешного применения кобальто-хромового сплава, нержавеющей стали и титанового сплава в стоматологии и ортопедии, металлические биомедицинские материалы стали актуальной темой в области хирургических исследований. В 1970-х годах успешное применение сплава с памятью формы Ni-Ti в клинической медицине и разработка биомедицинских материалов для нанесения покрытий на металлические поверхности способствовали расширению применения биомедицинских металлических сплавов. Требования, предъявляемые к биомедицинским металлическим материалам, должны быть следующими:

  • Хорошие механические свойства

Металлические материалы биомедицинского назначения, как правило, должны быть легкими, обладать отличной прочностью и вязкостью, низким модулем упругости, хорошей усталостной прочностью, сопротивлением ползучести и необходимой износостойкостью и самосмазыванием. Вследствие травмы, опухоли и других факторов, повреждения костей и суставов возникает необходимость создания стабильного костного каркаса с помощью дуговой пластины, винта, искусственной кости и сустава. Эти долговременные имплантаты подвергаются изгибам, сжатиям и мышечным сокращениям, от них требуется высокая прочность и вязкость.

  • Отличная коррозионная стойкость

Коррозия металлических материалов медицинского назначения в основном обусловлена: общей равномерной коррозией: поверхность имплантируемых материалов подвергается воздействию физиологической среды человека и происходит электролитическое воздействие; точечной коррозией, вызванной смешением материалов имплантата с примесями; межкристаллитной коррозией, вызванной различием компонентов и физико-химических свойств; гальванической коррозией, вызванной смешанным использованием материалов с различной энергией ионизации; износом и коррозией между имплантатом и тканями человека; стрессовой коррозией, вызванной концентрацией напряжения в части имплантируемого материала под действием нагрузки; коррозией усталости при разрушении материала имплантата и т.д.

  • Биосовместимость

Биосовместимость является важным показателем для оценки качества материалов. Под ней понимается взаимная переносимость и адаптация тканей человека и материала имплантата, т.е. не вызовет ли материал имплантата повреждения, токсичности или другого вреда для тканей человека. Биомедицинские материалы не должны оказывать токсического, стимулирующего, канцерогенного, мутационного и других воздействий на организм человека. Отсутствие реакции отторжения в организме человека; Прочное сцепление с окружающей костью и другими тканями, желательно химически связанными и биологически активными; Отсутствие гемолиза, реакции свертывания крови, то есть с антитромботическим действием.

  • Отсутствие магнетизма

Металлические материалы не подвержены влиянию электромагнитных полей и грозовой погоды, что способствует безопасности человека.

По сравнению с полимерными, композитными, гибридными и производными материалами и другими биомедицинскими материалами металлические медицинские материалы обладают высокой прочностью, хорошей вязкостью и усталостной прочностью при изгибе, отличной механической обработкой и другими превосходными свойствами, которые наиболее широко используются в качестве имплантационных материалов в клинической практике. Благодаря технологии 3D-печати металлические медицинские материалы получили более широкое применение, типичными компонентами которых являются пластины для внутренней фиксации переломов, винты, искусственные суставы и зубные корневые имплантаты. В настоящее время медицинские металлические материалы в основном включают нержавеющую сталь, кобальтовый сплав, титановый сплав, сплав с памятью формы, драгоценные металлы и чистые металлы тантал, ниобий, цирконий и т.д.

Нержавеющая сталь

Медицинская нержавеющая сталь - один из первых сплавов, используемых в биомедицине. Она проста в обработке, имеет низкую цену, обладает хорошей коррозионной стойкостью и пределом текучести, а также может быть улучшена холодной обработкой, что позволяет избежать усталостного разрушения. Наиболее часто используется аустенитная нержавеющая сталь 304/304L, 316/316L и 317L, которая применяется для изготовления медицинских инструментов, таких как ножи, ножницы, гемостатические щипцы, иглы, компонентов хирургических имплантатов, таких как искусственный сустав, внутренний фиксатор перелома, зубной ортез, искусственный сердечный клапан и другие имплантируемые устройства.

Биосовместимость медицинской нержавеющей стали подразумевает реакцию тканей, вызванную растворением ионов металла в результате коррозии или износа после имплантации нержавеющей стали в организм человека. Большое количество клинических данных показывает, что коррозия медицинской нержавеющей стали приводит к ухудшению стабильности долгосрочной имплантации, а ее плотность и модуль упругости далеки от твердых тканей человека, что приводит к плохой механической совместимости. Коррозия может привести к осаждению ионов металлов, таких как ионы никеля (аустенитная медицинская нержавеющая сталь общего назначения содержит около 10% никеля), или других соединений в окружающих тканях или во всем организме, вызывая некоторые неблагоприятные гистологические реакции, такие как отек, инфекция, некроз тканей, боль и аллергические реакции. Эти аустенитные нержавеющие стали постепенно заменяются новыми никельсодержащими и безникелевыми медицинскими нержавеющими сталями.

Кобальтовый сплав

Кобальтовый сплав также является металлическим медицинским материалом, широко используемым в медицине. По сравнению с нержавеющей сталью медицинский кобальтовый сплав более пригоден для изготовления долговременных имплантатов для работы в условиях человеческого организма, а его коррозионная стойкость в 40 раз выше, чем у нержавеющей стали. Первым медицинским кобальтовым сплавом был сплав кобальт-хром-молибден (Co-Cr-Mo), позднее были разработаны и применены кованый сплав кобальт-никель-хром-алюминий-вольфрам (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) с хорошими усталостными характеристиками и сплав кобальт-никель-хром-алюминий MP35N с многофазной структурой, который был включен в ISO5582/4. Кобальтовый сплав в основном используется для изготовления искусственного тазобедренного и коленного суставов, гвоздей для скрепления суставов, костных пластин, гвоздей и игл.

Кобальтовый сплав остается пассивированным в организме человека, причем его пассивированная пленка более стабильна, чем у нержавеющей стали, обладает лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью, не имеет явной гистологической реакции после имплантации в организм человека. Однако кобальтовые сплавы имеют неизбежные недостатки: они дороги; износ и коррозия приводят к растворению Co и Ni в плазме и вызывают аллергию или некроз клеток и тканей, что приводит к болям и разболтанности суставов. В последние годы технология модификации поверхности позволила улучшить поверхностные свойства кобальтового сплава и эффективно повысить его клинический эффект.

Титановый сплав

Титановый сплав - один из самых биосовместимых металлов из всех известных благодаря своим несравненным достоинствам: легкости, нетоксичности, немагнитности, отличной износостойкости и коррозионной стойкости. Титан и титановые сплавы в основном используются в пластической хирургии, особенно для реконструкции костей конечностей и черепа, а также различных устройств внутренней фиксации переломов, искусственных суставов, черепной коробки и твердой мозговой оболочки, искусственных клапанов сердца, зубов, десен, опорных колец и коронок. Наиболее широко используемым титановым сплавом является а+β титановый сплав Ti-6A1-4V, на долю которого приходится более 80% мирового рынка биомедицинских титановых сплавов, прочность и механические свойства которых могут быть значительно улучшены обработкой раствором золота и старением.

Плотность титана и титанового сплава составляет около 4,5 г/см3 , что почти в два раза меньше плотности нержавеющей стали и кобальтового сплава, они ближе к твердым тканям человеческого тела, а их биосовместимость, коррозионная стойкость и усталостная прочность лучше, чем у нержавеющей стали и кобальтового сплава, что делает их лучшими металлическими медицинскими материалами на сегодняшний день. Сродство титана и титанового сплава к человеческому организму обусловлено способностью вызывать осаждение ионов кальция и фосфора в жидкости организма с образованием апатита за счет плотной пассивирующей пленки оксида титана (TiO2) на его поверхности после имплантации, проявляя определенную биологическую активность и костносвязывающую способность, особенно подходящую для имплантации в кость. По имеющимся данным, элемент V вызывает злокачественные реакции тканей и может оказывать токсическое побочное действие на организм человека, а Al может вызывать такие заболевания, как остеопороз и психические расстройства. Поэтому в настоящее время ученые-биоматериаловеды разрабатывают β-титановые сплавы с лучшей биосовместимостью и более низким модулем упругости.

Циркониевый сплав

Сплав на основе циркония широко используется в качестве материала для замены твердых тканей человека благодаря низкому модулю упругости, высокой прочности, хорошей вязкости, коррозионной стойкости, нетоксичности, хорошей биосовместимости и другим преимуществам.

Zr и Ti могут растворяться друг в друге, что свидетельствует об их схожих физико-химических свойствах. Zr часто добавляют в сплавы Ti в качестве легирующего элемента для улучшения механических свойств сплавов Ti. В последние годы были разработаны новые биомедицинские сплавы путем усиления сплава Zr нетоксичными легирующими элементами и оптимизации его свойств.

Сплав с памятью формы

Сплав с памятью формы (СМА) - это новый тип функционального материала, способного к фазовым превращениям под действием температуры и напряжения. Он обладает уникальным эффектом памяти формы и псевдоупругостью фазового превращения. Установлено, что существует множество видов сплавов с эффектом памяти формы, которые можно разделить на никель-титановые, медные и железные сплавы. Среди них никель-титановые сплавы с памятью формы широко используются в пластической хирургии и стоматологии, например, для изготовления самонадувающихся стентов, особенно сердечно-сосудистых. Температура восстановления памяти формы медицинского никель-титанового сплава с памятью формы составляет 36±2℃, что соответствует температуре человеческого тела и по биосовместимости сопоставимо с титановым сплавом. Но поскольку никель-титановые сплавы с памятью формы содержат большое количество никеля, то при отсутствии должной обработки поверхности ионы никеля могут распространяться на окружающие ткани и проникать внутрь, вызывая некроз клеток и тканей.