Cerrahi implant metalleri olarak da bilinen biyomedikal metaller, teşhis, tedavi ve vücuttaki dokuların işlevini değiştirmek veya geliştirmek için kullanılan alaşımlardır. Metal, Fenikelilerin eksik dişleri onarmak için teller kullandığı MÖ 400 ila 300 yıllarına kadar uzanan, şimdiye kadar kullanılan en eski tıbbi malzemelerden biriydi. 1930'larda kobalt-krom alaşımı, paslanmaz çelik ve titanyum alaşımının diş hekimliği ve ortopedide başarılı bir şekilde kullanılmasıyla metal biyomedikal malzemeler cerrahi araştırma alanında sıcak bir konu olmuştur. 1970'lerde, Ni-Ti şekil hafızalı alaşımın klinik tıpta başarılı bir şekilde uygulanması ve metal yüzeyler üzerinde biyomedikal kaplama malzemelerinin geliştirilmesi, biyomedikal metal alaşımlarının uygulamalarını teşvik etmiştir. Biyomedikal metal malzemelerin gereksinimleri aşağıdaki gibi olmalıdır:

  • İyi mekanik özellikler

Biyomedikal metal malzemeler genellikle hafif olmalı, mükemmel mukavemet ve tokluğa, düşük elastik modüle, iyi yorulma direncine, sürünme direncine ve gerekli aşınma direncine ve kendinden yağlamaya sahip olmalıdır. Yaralanma, tümör ve diğer faktörler, kemik ve eklem hasarı nedeniyle, ark plakası, vida, yapay kemik ve eklem ile stabil bir kemik iskelesi oluşturmak gerekir. Bu uzun vadeli implantlar bükülme, sıkma ve kas kasılmalarına maruz kalır ve yüksek mukavemet ve tokluk gerektirir.

  • Mükemmel korozyon direnci

Tıbbi metal malzemelerin korozyonu temel olarak şunlardan kaynaklanır: genel üniform korozyon: implante edilen malzemelerin yüzeyi insan fizyolojik ortamına maruz kalır ve elektrolitik etki meydana gelir; İmplant malzemelerinin safsızlıklarla karışmasından kaynaklanan nokta korozyonu; Farklı bileşenler ile fiziksel ve kimyasal özelliklerden kaynaklanan taneler arası korozyon; Farklı iyonizasyon enerjisine sahip malzemelerin karışık kullanımından kaynaklanan galvanik korozyon; İmplant ve insan dokusu arasındaki aşınma ve korozyon; Yük nedeniyle implante edilen malzemenin bir kısmında stres yoğunlaşmasının neden olduğu stres korozyonu; İmplant malzeme hasarı kırılma yorulma korozyonu vb.

  • Biyouyumluluk

Biyouyumluluk, malzemelerin kalitesini ölçmek için önemli bir göstergedir. İnsan dokusu ve implant malzemesinin karşılıklı toleransını ve adaptasyonunu, yani implant malzemesinin insan dokusunda hasara, toksisiteye veya diğer zararlara neden olup olmayacağını ifade eder. Biyomedikal malzemelerin insan vücudu üzerinde toksisite, stimülasyon, karsinojenez, mutasyon ve diğer etkileri olmamalıdır. İnsan vücudunda reddedilme reaksiyonu yok; Çevreleyen kemik ve diğer dokularla güçlü bir şekilde bağlanmış, tercihen kimyasal olarak bağlanmış ve biyolojik olarak aktif; Hemoliz, pıhtılaşma reaksiyonu yok, yani antitrombotik ile.

  • Manyetizma yok

Metal malzemeler elektromanyetik alanlardan ve fırtınalı havalardan etkilenmez, bu da insan güvenliğine yardımcı olur.

Polimer malzemeler, kompozit malzemeler, hibrit ve türetilmiş malzemeler ve diğer biyomedikal malzemelerle karşılaştırıldığında, metal tıbbi malzemeler yüksek mukavemet, iyi tokluk ve eğilme yorulma mukavemeti, mükemmel işleme performansı ve klinik uygulamada en yaygın kullanılan implant malzemeleri olan diğer mükemmel özellikler sunar. Metal 3D baskı teknolojisi, metal tıbbi malzemelerin daha yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır, tipik uygulama bileşenleri arasında kırık iç sabitleme plakaları, vidalar, yapay eklemler ve diş kökü implantları bulunur. Şu anda, tıbbi metal malzemeler esas olarak paslanmaz çelik, kobalt alaşımı, titanyum alaşımı, şekil hafızalı alaşım, değerli metal ve saf metal tantal, niyobyum, zirkonyum ve benzerlerini içerir.

Paslanmaz Çelik

Tıbbi Paslanmaz Çelik, ilk kullanılan Biyomedikal alaşımlardan biridir, işlenmesi kolaydır, düşük fiyatlıdır, iyi korozyon direnci ve akma dayanımı sunar ve soğuk işlemeyle geliştirilebilir, yorulma kırılmasını önler. En yaygın kullanılan tip, bıçaklar, makaslar, hemostatik forsepsler, iğneler, yapay eklem, kırık iç fiksatörü, diş ortezi, yapay kalp valfi ve diğer implante cihazlar gibi cerrahi implant bileşenleri gibi tıbbi aletlerin yapımında kullanılan Östenitik Paslanmaz Çelik 304 / 304L, 316 / 316L ve 317L'dir.

Tıbbi paslanmaz çeliğin biyouyumluluğu, paslanmaz çelik insan vücuduna implante edildikten sonra korozyon veya aşınma nedeniyle metal iyonlarının çözünmesinin neden olduğu doku reaksiyonunu içerir. Çok sayıda klinik veri, tıbbi paslanmaz çeliğin korozyonunun uzun vadeli implantasyonun zayıf stabilitesine yol açtığını ve yoğunluğunun ve elastik modülünün insan sert dokusundan uzak olduğunu ve bunun da zayıf mekanik uyumlulukla sonuçlandığını göstermektedir. Korozyon, nikel iyonları (Genel östenitik tıbbi paslanmaz çelik yaklaşık 10% nikel içerir) gibi metal iyonlarının veya diğer bileşiklerin çevre dokulara veya tüm vücuda çökmesine neden olarak ödem, enfeksiyon, doku nekrozu, ağrı ve alerjik reaksiyonlar gibi bazı olumsuz histolojik reaksiyonlara neden olabilir. Bu östenitik paslanmaz çeliklerin yerini yavaş yavaş yeni nikelli ve nikelsiz tıbbi paslanmaz çelikler almıştır.

Kobalt Alaşım

Kobalt alaşımı aynı zamanda tıbbi tedavide yaygın olarak kullanılan bir metal tıbbi malzemedir. Paslanmaz çelik ile karşılaştırıldığında, tıbbi kobalt alaşımı insan vücudu ortamı için uzun süreli implantların üretimi için daha uygundur ve korozyon direnci paslanmaz çelikten 40 kat daha yüksektir. İlk tıbbi kobalt alaşımı kobalt-Krom-Molibden (Co-Cr-Mo) alaşımıdır ve daha sonra iyi yorulma performansına sahip dövme kobalt-nikel-krom-alüminyum-tungsten (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) alaşımı ve ISO5582/4'te yer alan çok fazlı yapıya sahip MP35N kobalt-nikel-krom alüminyum alaşımı geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Kobalt alaşımı esas olarak yapay kalça, diz, eklem tokası çivileri, kemik plakası, çivi ve iğne yapımında kullanılır.

Kobalt alaşımı insan vücudunda pasifize halde kalır ve pasifize filmi paslanmaz çelikten daha stabildir, daha iyi korozyon direnci ve aşınma direncine sahiptir, insan vücuduna implantasyondan sonra belirgin bir histolojik reaksiyon göstermez. Ancak kobalt alaşımlarının kaçınılmaz dezavantajları vardır: pahalıdırlar; aşınma ve korozyon, Co ve Ni plazmasının çözünmesine ve alerjiye veya hücre ve doku nekrozuna neden olarak eklemlerde ağrı ve gevşemeye neden olur. Son yıllarda, yüzey modifikasyon teknolojisi kobalt alaşımının yüzey özelliklerini iyileştirmiş ve klinik etkisini etkili bir şekilde geliştirmiştir.

Titanyum Alaşım

Titanyum alaşımı, eşsiz avantajları nedeniyle bilinen en biyouyumlu metallerden biridir: hafif, toksik olmayan, manyetik olmayan, mükemmel aşınma direnci ve korozyon direnci. Titanyum ve titanyum alaşımları esas olarak plastik cerrahide, özellikle uzuv kemiği ve kafatası rekonstrüksiyonu ve çeşitli kırık iç sabitleme cihazları, yapay eklemler, kafatası ve dura, yapay kalp kapakçıkları, dişler, diş etleri, destek halkaları ve kronlar için kullanılır. En yaygın kullanılan titanyum alaşımı, küresel biyomedikal titanyum alaşımı pazarının 80%'sinden fazlasını oluşturan а+β titanyum alaşımı Ti-6A1-4V'dir ve titanyum alaşımının mukavemeti ve mekanik özellikleri altın çözeltisi işlemi ve yaşlandırma işlemi ile önemli ölçüde iyileştirilebilir.

Titanyum ve titanyum alaşımının yoğunluğu yaklaşık 4,5 g/cm3 olup, paslanmaz çelik ve kobalt alaşımının neredeyse yarısıdır, insan vücudunun sert dokusuna daha yakındır ve biyouyumluluğu, korozyon direnci ve yorulma direnci paslanmaz çelik ve kobalt alaşımından daha iyidir, bu da onu şu anda en iyi metalik tıbbi malzeme haline getirmektedir. Titanyum ve titanyum alaşımı ile insan vücudu arasındaki yakınlık, implantasyondan sonra yüzeyinde yoğun titanyum oksit (TiO2) pasivasyon filmi ile apatit oluşturmak için vücut sıvısında kalsiyum ve fosfor iyonlarının birikmesini indükleme yeteneğinden kaynaklanır, belirli biyolojik aktivite ve kemik bağlama yeteneği gösterir, özellikle kemik implantasyonu için uygundur. V elementinin kötü huylu doku reaksiyonlarına neden olduğu ve insan vücudu üzerinde toksik yan etkileri olabileceği, Al elementinin ise osteoporoz ve zihinsel bozukluklar gibi hastalıklara neden olabileceği bildirilmiştir. Bu nedenle, biyomalzeme bilimcileri şu anda daha iyi biyouyumluluk ve daha düşük elastik modüle sahip β titanyum alaşımları geliştirmektedir.

Zirkonyum Alaşım

Zirkonyum bazlı alaşım malzeme, düşük elastik modülü, yüksek mukavemeti, iyi tokluğu, iyi korozyon direnci, toksik olmaması, iyi biyouyumluluğu ve diğer avantajları nedeniyle insan sert doku replasman malzemesi olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.

Zr ve Ti birbiri içinde çözünebilir, bu da benzer fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olduklarını gösterir. Zr genellikle Ti alaşımlarının mekanik özelliklerini iyileştirmek için alaşım elementi olarak Ti alaşımlarına eklenir. Son yıllarda, Zr alaşımı toksik olmayan alaşım elementleri ile güçlendirilerek ve özellikleri optimize edilerek yeni biyomedikal alaşım malzemeleri geliştirilmiştir.

Şekil Hafızalı Alaşım

Şekil Hafızalı alaşım (SMA), sıcaklık ve stres etkisi altında faz dönüşümüne uğrayabilen yeni bir fonksiyonel malzeme türüdür. Benzersiz bir Şekil Hafıza etkisine ve faz dönüşümü sözde elastikiyetine sahiptir. Nikel-titanyum alaşımları, bakır alaşımları ve demir alaşımları olarak ayrılabilen şekil hafıza etkisine sahip birçok alaşım türü olduğu bulunmuştur. Bunlar arasında nikel-titanyum şekil hafızalı alaşımlar, plastik cerrahi ve stomatolojide, kendinden şişen stentler, özellikle kardiyovasküler stentler gibi yaygın olarak kullanılmaktadır. Tıbbi nikel-titanyum şekil hafızalı alaşımın şekil hafızası geri kazanım sıcaklığı, insan vücut sıcaklığına uygun olan ve titanyum alaşımı ile karşılaştırılabilir biyouyumluluk gösteren 36 ± 2 ℃'dir. Ancak nikel-titanyum hafızalı alaşımlar büyük miktarda nikel içerdiğinden, nikel iyonları çevre dokulara yayılabilir ve nüfuz edebilir, yüzey uygun şekilde işlenmezse hücre ve doku nekrozuna neden olabilir.