Biomedicinska metaller, även kända som kirurgiska implantatmetaller, är de legeringar som används för diagnos, behandling och för att ersätta eller förbättra funktionen hos vävnader i kroppen. Metall var ett av de tidigaste medicinska material som någonsin användes, till och med 400-300 år före Kristus då fenicierna använde trådar för att reparera saknade tänder. På 1930-talet, när kobolt-kromlegeringar, rostfritt stål och titanlegeringar framgångsrikt användes inom tandvård och ortopedi, blev biomedicinska metallmaterial ett hett ämne inom kirurgisk forskning. Under 1970-talet främjade den framgångsrika tillämpningen av Ni-Ti-formminneslegeringen inom klinisk medicin och utvecklingen av biomedicinska beläggningsmaterial på metallytor tillämpningen av biomedicinska metalllegeringar. Kraven på biomedicinska metallmaterial bör vara följande:

  • Goda mekaniska egenskaper

Biomedicinska metallmaterial bör i allmänhet vara lätta, ha utmärkt styrka och seghet, låg elasticitetsmodul, god utmattningshållfasthet, krypbeständighet och nödvändig slitstyrka och självsmörjning. På grund av skada, tumör och andra faktorer, ben- och ledskada, är det nödvändigt att skapa en stabil benställning med bågplatta, skruv, konstgjort ben och led. Dessa långsiktiga implantat utsätts för böjning, klämning och muskelsammandragningar och kräver hög hållfasthet och seghet.

  • Utmärkt korrosionsbeständighet

Korrosion av medicinska metallmaterial orsakas huvudsakligen av: allmän enhetlig korrosion: ytan på implanterade material utsätts för den mänskliga fysiologiska miljön och elektrolytisk verkan uppstår; punktkorrosion orsakad av blandning av implantatmaterial med föroreningar; intergranulär korrosion orsakad av olika komponenter och fysiska och kemiska egenskaper; galvanisk korrosion orsakad av en blandad användning av material med olika joniseringsenergi; slitage och korrosion mellan implantatet och mänsklig vävnad; spänningskorrosion orsakad av spänningskoncentration i en del av det implanterade materialet på grund av belastning; implantatmaterialskador frakturutmattningskorrosion och så vidare.

  • Biokompatibilitet

Biokompatibilitet är en viktig indikator för att mäta materialkvaliteten. Det handlar om ömsesidig tolerans och anpassning mellan mänsklig vävnad och implantatmaterial, dvs. om implantatmaterialet kommer att orsaka skada, toxicitet eller annan skada på mänsklig vävnad. Biomedicinska material bör inte ha någon toxicitet, ingen stimulering, ingen cancerogenes, ingen mutation och andra effekter på människokroppen. Ingen avstötningsreaktion i människokroppen; Starkt bunden med det omgivande benet och andra vävnader, företrädesvis kemiskt bundna och biologiskt aktiva; Ingen hemolys, koagulationsreaktion, det vill säga med antitrombotisk.

  • Ingen magnetism

Metallmaterial påverkas inte av elektromagnetiska fält och åskväder, vilket bidrar till människors säkerhet.

Jämfört med polymermaterial, kompositmaterial, hybridmaterial och andra biomedicinska material har medicinska metallmaterial hög hållfasthet, god seghet och böjhållfasthet, utmärkt maskinbearbetning och andra utmärkta egenskaper, vilket har varit de mest använda implantatmaterialen i kliniska tillämpningar. 3D-utskriftsteknik för metall har gjort medicinska metallmaterial mer allmänt använda, typiska applikationskomponenter inkluderar frakturinterna fixeringsplattor, skruvar, konstgjorda leder och tandrotimplantat. För närvarande omfattar medicinska metallmaterial huvudsakligen rostfritt stål, koboltlegering, titanlegering, formminneslegering, ädelmetall och ren metall tantal, niob, zirkonium och så vidare.

Rostfritt stål

Medicinskt rostfritt stål är en av de ursprungligen använda biomedicinska legeringarna, det är lätt att bearbeta, lågt pris, erbjuder bra korrosionsbeständighet och sträckgräns och kan förbättras genom kallbearbetning, vilket undviker utmattningsfraktur. Den vanligaste typen är austenitiskt rostfritt stål 304/304L, 316/316L och 317L, som används för att tillverka medicinska instrument som knivar, saxar, hemostatiska pincetter, nålar, kirurgiska implantatkomponenter som konstgjorda leder, inre fixatorer för frakturer, tandortoser, konstgjorda hjärtklaffar och andra implanterade enheter.

Biokompatibiliteten hos medicinskt rostfritt stål innefattar vävnadsreaktionen som orsakas av upplösningen av metalljoner som orsakas av korrosion eller slitage efter att det rostfria stålet har implanterats i människokroppen. Ett stort antal kliniska data visar att korrosion av medicinskt rostfritt stål leder till dålig stabilitet vid långvarig implantation, och dess densitet och elasticitetsmodul är långt ifrån mänsklig hårdvävnad, vilket resulterar i dålig mekanisk kompatibilitet. Korrosion kan leda till att metalljoner som nickeljoner (allmänt austenitiskt medicinskt rostfritt stål innehåller ca 10% nickel) eller andra föreningar fälls ut i de omgivande vävnaderna eller i hela kroppen, vilket orsakar vissa negativa histologiska reaktioner som ödem, infektion, vävnadsnekros, smärta och allergiska reaktioner. Dessa austenitiska rostfria stål har gradvis ersatts av nya nickel- och nickelfria medicinska rostfria stål.

Koboltlegering

Koboltlegering är också ett medicinskt metallmaterial som ofta används vid medicinsk behandling. Jämfört med rostfritt stål är medicinsk koboltlegering mer lämplig för tillverkning av långsiktiga implantat för människokroppens miljö, och dess korrosionsbeständighet är 40 gånger högre än rostfritt stål. Den första medicinska koboltlegeringen var kobolt-krom-molybdenlegering (Co-Cr-Mo), och senare utvecklades och tillämpades smidd kobolt-nickel-krom-aluminium-volframlegering (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) med bra utmattningsegenskaper och MP35N kobolt-nickel-kromaluminiumlegering med flerfasstruktur, som har inkluderats i ISO5582/4. Koboltlegeringar används främst för att tillverka konstgjorda höfter, knän, spikar för ledspännen, benplattor, spikar och nålar.

Koboltlegeringen förblir passiverad i människokroppen, och dess passiverade film är stabilare än rostfritt stål, med bättre korrosionsbeständighet och slitstyrka, utan någon uppenbar histologisk reaktion efter implantation i människokroppen. Men koboltlegeringar har oundvikliga nackdelar: de är dyra; slitage och korrosion gör att Co- och Ni-plasma löses upp och orsakar allergi, eller cell- och vävnadsnekros, vilket leder till smärta och lossning av leder. Under de senaste åren har ytmodifieringsteknik förbättrat ytegenskaperna hos koboltlegering och effektivt förbättrat dess kliniska effekt.

Titanlegering

Titanlegering är en av de mest biokompatibla metaller som finns tack vare dess ojämförliga fördelar: lätt, giftfri, icke-magnetisk, utmärkt slitstyrka och korrosionsbeständighet. Titan och titanlegeringar används främst inom plastikkirurgi, särskilt för rekonstruktion av ben och skallben, och olika anordningar för intern fixering av frakturer, konstgjorda leder, kranium och dura, konstgjorda hjärtklaffar, tänder, tandkött, stödringar och kronor. Den mest använda titanlegeringen är а+β titanlegering Ti-6A1-4V, som står för mer än 80% av den globala biomedicinska titanlegeringsmarknaden, där titanlegeringens styrka och mekaniska egenskaper kan förbättras avsevärt genom guldlösningsbehandling och åldringsbehandling.

Densiteten hos titan och titanlegering är ca 4,5 g/cm3, nästan hälften av den för rostfritt stål och koboltlegering, närmare den hårda vävnaden i människokroppen, och dess biokompatibilitet, korrosionsbeständighet och utmattningsbeständighet är bättre än för rostfritt stål och koboltlegering, vilket gör det till det bästa metalliska medicinska materialet för närvarande. Affiniteten mellan titan och titanlegering och människokroppen härrör från förmågan att inducera avsättning av kalcium- och fosforjoner i kroppsvätska för att generera apatit genom tät titanoxid (TiO2) passiveringsfilm på dess yta efter implantation, vilket visar viss biologisk aktivitet och benbindningsförmåga, särskilt lämplig för benimplantation. Elementet V har rapporterats orsaka maligna vävnadsreaktioner och kan ha toxiska biverkningar på människokroppen, medan Al kan orsaka sjukdomar som osteoporos och psykiska störningar. Därför utvecklar biomaterialforskare för närvarande β-titanlegeringar med bättre biokompatibilitet och lägre elasticitetsmodul.

Zirkoniumlegering

Zirkoniumbaserade legeringsmaterial används ofta som ersättningsmaterial för hård vävnad hos människor på grund av dess låga elasticitetsmodul, höga hållfasthet, goda seghet, goda korrosionsbeständighet, icke-toxiska egenskaper, goda biokompatibilitet och andra fördelar.

Zr och Ti kan lösas upp i varandra, vilket tyder på att de har liknande fysikaliska och kemiska egenskaper. Zr tillsätts ofta till Ti-legeringar som ett legeringselement för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos Ti-legeringar. Under senare år har nya biomedicinska legeringsmaterial utvecklats genom att stärka Zr-legeringen med icke-toxiska legeringselement och optimera dess egenskaper.

Legering med formminne

Shape Memory Alloy (SMA) är en ny typ av funktionellt material som kan genomgå fasomvandling under påverkan av temperatur och spänning. Den har en unik Shape Memory-effekt och pseudoelasticitet för fasomvandling. Det har visat sig att det finns många olika typer av legeringar med formminneseffekt, som kan delas in i nickel-titanlegeringar, kopparlegeringar och järnlegeringar. Bland dem används nickel-titan-formminneslegeringar i stor utsträckning inom plastikkirurgi och stomatologi, såsom självuppblåsande stentar, särskilt kardiovaskulära stentar. Formminnesåtervinningstemperaturen för medicinsk nickel-titan-formminneslegering är 36 ± 2 ℃, vilket överensstämmer med människokroppens temperatur och visar jämförbar biokompatibilitet med titanlegering. Men eftersom nickel-titan-minneslegeringar innehåller en stor mängd nickel kan nickeljonerna spridas till de omgivande vävnaderna och tränga in, vilket orsakar cell- och vävnadsnekros om ytan inte behandlas ordentligt.