I. Ορισμός και Εφαρμογές Ιατρικών Μεταλλικών Υλικών
Τα ιατρικά μεταλλικά υλικά, γνωστά και ως μεταλλικά υλικά χειρουργικών εμφυτευμάτων, χρησιμοποιούνται κυρίως για διάγνωση, θεραπεία και αντικατάσταση ή βελτίωση ιστού στο ανθρώπινο σώμα. Τα τελευταία 20 χρόνια, ενώ η ανάπτυξη μεταλλικών ιατρικών υλικών ήταν πιο αργή από εκείνη των βιοϊατρικών υλικών όπως πολυμερή, σύνθετα υλικά, υβρίδια και παράγωγα, προσφέρουν πολλές αναντικατάστατες ιδιότητες που δεν μπορούν να ταιριάξουν άλλα ιατρικά υλικά, όπως υψηλή αντοχή, καλή ανθεκτικότητα, αντοχή στην κάμψη στην κόπωση και εξαιρετικές ιδιότητες επεξεργασίας. Είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα-φέροντα υλικά εμφυτευμάτων σε κλινικές εφαρμογές. Με την ανάπτυξη της μεταλλικής τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης, τα μεταλλικά ιατρικά υλικά έχουν αποκτήσει ευρύτερη εφαρμογή, με τις πιο σημαντικές εφαρμογές να περιλαμβάνουν πλάκες στερέωσης κατάγματος, βίδες, τεχνητές αρθρώσεις και οδοντικά εμφυτεύματα.
II. Συχνά χρησιμοποιούμενα μεταλλικά ιατρικά υλικά
Τα κύρια μεταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε κλινικές ιατρικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τον ανοξείδωτο χάλυβα, τα κράματα κοβαλτίου, τα κράματα τιτανίου, τα κράματα μνήμης σχήματος, τα πολύτιμα μέταλλα και τα καθαρά μέταλλα όπως το ταντάλιο, το νιόβιο και το ζιρκόνιο.
1. Ανοξείδωτο ατσάλι
Ο ιατρικός ανοξείδωτος χάλυβας (Ο ανοξείδωτος χάλυβας ως βιοϊατρικό υλικό) είναι ένα κράμα-με βάση το σίδηρο, ανθεκτικό στη διάβρωση- και ένα από τα πρώτα βιοϊατρικά κράματα που αναπτύχθηκαν. Χαρακτηρίζεται από ευκολία επεξεργασίας και χαμηλό κόστος. Αφήνοντας την ψυχρή εργασία να διαμορφώνει τον ανοξείδωτο χάλυβα όχι μόνο αυξάνει την αντοχή διαρροής, αλλά και σκληραίνει το κράμα έναντι της σκουριάς, η οποία με τη σειρά της μειώνει τις πιθανότητες δημιουργίας θραύσης λόγω κόπωσης. Όταν εξετάζετε τη μικροδομή, οι ανοξείδωτοι χάλυβες παρατάσσονται ως ωστενιτικοί, φερριτικοί, μαρτενσιτικοί ή σκληρυνόμενοι{5}καταβύθισης. Δεν αποτελεί έκπληξη, αυτοί οι χάλυβες έχουν γίνει τυπικά εργαλεία στον ιατρικό κόσμο. θα τα βρείτε σφυρηλατημένα σε χειρουργικά μαχαίρια, την υπο-ράγα σε μια λεπίδα ψαλιδιού, τις σιαγόνες ενός αιμοστάτη και το σώμα μιας κούφιας βελόνας. Πέρα από τα όργανα χειρός, οι ανοξείδωτοι χάλυβες χρησιμεύουν επίσης σε εμφυτεύσιμες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων τεχνητών αρθρώσεων, σταθεροποιητών πλακών και βιδών, ορθοδοντικών στηριγμάτων σύρματος και περιβλημάτων βαλβίδων μηχανικών συσκευών καρδιακής βαλβίδας. Μεταξύ αυτών των μεθόδων χρησιμότητας, κυριαρχούν οι ωστενιτικοί βαθμοί 316L και 317L, που έχουν επιπλέον{12}χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα για την ελαχιστοποίηση της κατακρήμνισης καρβιδίου στα όρια των κόκκων. Η γραπτή προδιαγραφή για αυτά τα κράματα δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στην αναθεώρηση του προτύπου ISO για εμφυτεύσιμα μεταλλικά υλικά το 1987, ISO 5832 και ISO 7153. Ακολουθώντας το διεθνές σώμα, ένα εθνικό πρότυπο στη χώρα μου, GB 12417, συντάχθηκε το 1990 και υιοθετήθηκε το 1991.
Η βιοσυμβατότητα και τα σχετικά ζητήματα του ιατρικού ανοξείδωτου χάλυβα αφορούν κυρίως αντιδράσεις ιστού που προκαλούνται από διάλυση μεταλλικών ιόντων λόγω διάβρωσης ή φθοράς μετά την εμφύτευση. Εκτεταμένα κλινικά δεδομένα καταδεικνύουν ότι η διάβρωση του ιατρικού ανοξείδωτου χάλυβα οδηγεί σε κακή μακροπρόθεσμη σταθερότητα του εμφυτεύματος. Επιπλέον, η πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητας του διαφέρουν σημαντικά από αυτά του ανθρώπινου σκληρού ιστού, με αποτέλεσμα κακή μηχανική συμβατότητα. Η διάβρωση μπορεί να προκαλέσει την είσοδο μεταλλικών ιόντων ή άλλων ενώσεων στους περιβάλλοντες ιστούς ή στο σώμα συνολικά, οδηγώντας δυνητικά σε δυσμενείς ιστολογικές αντιδράσεις όπως οίδημα, μόλυνση και νέκρωση ιστού, με αποτέλεσμα πόνο και αλλεργικές αντιδράσεις. Ειδικότερα, η διάλυση ιόντων νικελίου από ανοξείδωτο χάλυβα μπορεί να προκαλέσει σοβαρές παθολογικές αλλαγές (ο συνήθως χρησιμοποιούμενος ωστενιτικός ιατρικός ανοξείδωτος χάλυβας περιέχει περίπου 10% νικέλιο). Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί σταδιακά ιατρικοί ανοξείδωτοι χάλυβες χωρίς-νικέλιο και-ελεύθερο νικέλιο.
2. Κράματα κοβαλτίου
Τα κράματα κοβαλτίου (κράματα με βάση το Co- ως βιοϊατρικά υλικά) χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως σε ιατρικές εφαρμογές. Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα, είναι πιο κατάλληλα για την κατασκευή μακροπρόθεσμων εμφυτευμάτων που υπόκεινται σε απαιτητικά φορτία στο σώμα, με αντοχή στη διάβρωση 40 φορές μεγαλύτερη από τον ανοξείδωτο χάλυβα. Το πρώτο κράμα κοβαλτίου-μετάλλου που κατασκευάστηκε σκόπιμα για ιατρική ήταν το κοβάλτιο-χρώμιο-μολυβδαίνιο, ένα μείγμα που ψύχεται σε μια σταθερή ωστενιτική δομή. Στη συνέχεια, στα τέλη της δεκαετίας του 1970, εμφανίστηκε ένα κύμα νέων επιλογών, κυρίως ένα μεταλλαγμένο σίδηρο από σφυρήλατο κοβάλτιο-νικέλιο-χρώμιο-αλουμίνιο-βολφράμιο-που εμφανίζει ανώτερη αντοχή στην κόπωση και η παραλλαγή MP35N, η οποία διατηρεί το κοβάλτιο-νικέλιο-χρώμιο-αλουμίνιο πολυμηχανοποιώντας πολύπλοκο πυρήνα αλουμινίου. Η κλινική ωστενιτική μήτρα με λεπτότερη κοβαλτίου και οι παραλλαγές κοβαλτίου-νικελίου έχουν διαπρέψει έκτοτε στην προσθετική μηχανική.Σχηματίζουν τους μίσχους και τα κύπελλα τεχνητών γοφών με βάση το κοβάλτιο-χρώμιο-, τις αρθρωτικές επιφάνειες των γονάτων από κράμα κοβαλτίου-χρωμίου και τις ορθοπεδικές συσκευές στερέωσης, οι οποίες περιλαμβάνουν επιμετάλλωση για ασταθή κατάγματα, βίδες ραφής{1} και πιεστήρια{2}. Επί του παρόντος, τα κράματα χυτού κοβαλτίου-χρωμίου-αλουμινίου είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα και ενσωματώνονται στο πρότυπο ISO 5582/4. Το 1990, η χώρα μου το συμπεριέλαβε στο εθνικό πρότυπο GB12417.
Τα κράματα κοβαλτίου συνήθως παραμένουν σε παθητική κατάσταση μέσα στο ανθρώπινο σώμα, σπάνια διαβρώνονται. Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα, η παθητική τους μεμβράνη είναι πιο σταθερή και ανθεκτικότερη στη διάβρωση-. Προσφέρουν επίσης την καλύτερη αντοχή στη φθορά από όλα τα ιατρικά μεταλλικά υλικά, που γενικά πιστεύεται ότι δεν προκαλούν αξιοσημείωτες ιστολογικές αντιδράσεις μετά την εμφύτευση. Ωστόσο, λόγω του υψηλού κόστους τους, οι τεχνητές αρθρώσεις ισχίου που κατασκευάζονται από κράματα κοβαλτίου παρουσιάζουν υψηλό ρυθμό χαλάρωσης in vivo λόγω της απελευθέρωσης ιόντων Co και Ni που προκαλούνται από τη φθορά και τη διάβρωση του μετάλλου. Επιπλέον, τα κατακρημνιζόμενα στοιχεία Co και Ni παρουσιάζουν βιολογικές προκλήσεις, όπως σοβαρή αλλεργιογένεση, η οποία μπορεί εύκολα να προκαλέσει νέκρωση κυττάρων και ιστών in vivo, οδηγώντας σε πόνο, χαλάρωση των αρθρώσεων και βύθιση. Κατά συνέπεια, η εφαρμογή τους έχει περιοριστεί. Τα τελευταία χρόνια, τεχνικές τροποποίησης επιφάνειας έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων των κραμάτων κοβαλτίου, ενισχύοντας αποτελεσματικά την κλινική τους αποτελεσματικότητα.
3. Κράματα τιτανίου
Τα κράματα με{0}}τις ως βιοϊατρικά υλικά είναι από τα πιο βιοσυμβατά μέταλλα που είναι γνωστά. Από τη δεκαετία του 1940, το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου απέκτησαν σταδιακά εφαρμογή στην κλινική ιατρική. Το 1951, οι άνθρωποι άρχισαν να χρησιμοποιούν καθαρό τιτάνιο για να κατασκευάζουν πλάκες και βίδες οστών. Στα μέσα-της δεκαετίας του 1970, το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου άρχισαν να αποκτούν ευρεία ιατρική εφαρμογή, και έγιναν ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα ιατρικά υλικά. Επί του παρόντος, το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται κυρίως στην ορθοπεδική, ιδιαίτερα στην ανακατασκευή άκρων και κρανίου. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων συσκευών στερέωσης κατάγματος, τεχνητών αρθρώσεων, καλυμμάτων κρανίου και σκληρής μήνιγγας, τεχνητών καρδιακών βαλβίδων, δοντιών, ούλων, δακτυλίων συγκράτησης και στεφάνων. Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κράμα τιτανίου σε ιατρικές εφαρμογές είναι το TC4 (Ti-6Al-4V). Αυτό το κράμα έχει δομή + δύο φάσεων σε θερμοκρασία δωματίου. Η αντοχή και οι άλλες μηχανικές του ιδιότητες μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά μέσω επεξεργασίας διαλύματος και γήρανσης.
Η πυκνότητα του τιτανίου και των κραμάτων του είναι περίπου 4,5 g/cm³, περίπου η μισή από αυτή του ανοξείδωτου χάλυβα και των κραμάτων κοβαλτίου, πλησιάζοντας αυτή του ανθρώπινου σκληρού ιστού. Επιπλέον, η βιοσυμβατότητά τους, η αντοχή στη διάβρωση και η αντοχή στην κόπωση ξεπερνούν εκείνα του ανοξείδωτου χάλυβα και των κραμάτων κοβαλτίου, καθιστώντας τα σήμερα τα καλύτερα μεταλλικά ιατρικά υλικά. Η συγγένεια του τιτανίου και των κραμάτων του για το ανθρώπινο σώμα πηγάζει από το πυκνό φιλμ παθητικοποίησης του οξειδίου του τιτανίου (TiO2) στις επιφάνειές τους, το οποίο, μετά την εμφύτευση, προκαλεί την εναπόθεση ιόντων ασβεστίου και φωσφόρου στα σωματικά υγρά για να σχηματίσει απατίτη. Αυτό εμφανίζει έναν ορισμένο βαθμό βιοδραστικότητας και οστικού δεσμού, καθιστώντας τα ιδιαίτερα κατάλληλα για ενδοοστική εμφύτευση. Ωστόσο, τα μειονεκτήματα του τιτανίου και των κραμάτων του είναι η χαμηλή σκληρότητά τους και η κακή αντοχή στη φθορά. Εάν εμφανιστεί φθορά, το φιλμ οξειδίου πρώτα καταστρέφεται, ακολουθούμενο από την απελευθέρωση προϊόντων διάβρωσης σωματιδίων φθοράς που εισέρχονται στον ανθρώπινο ιστό. Συγκεκριμένα, το τοξικό βανάδιο (V) στο κράμα Ti-6Al-4V μπορεί να προκαλέσει αστοχία εμφυτεύματος. Για να βελτιωθεί η αντοχή στη φθορά του τιτανίου και των κραμάτων του, η αμίνωση ιόντων ή η εμφύτευση ιόντων σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της επιφανειακής τους αντοχής στη φθορά. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί ορισμένα νέα κράματα τιτανίου (κυρίως κράματα τύπου), τα οποία εστιάζουν όλα στη μείωση των επιβλαβών στοιχείων για το ανθρώπινο σώμα, βελτιώνοντας αποτελεσματικά τη βιοσυμβατότητα των κραμάτων τιτανίου.
4. Σχήμα κράματα μνήμης
Η έρευνα για τα κράματα μνήμης ιατρικού σχήματος (SMAs) ως βιοϊατρικά υλικά ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970 και γρήγορα απέκτησε ευρεία εφαρμογή. Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο SMA στην κλινική πράξη είναι το SMA νικελίου-τιτανίου. Η θερμοκρασία ανάκτησης μνήμης σχήματος των ιατρικών SMA είναι 36 ± 2 βαθμοί, η οποία ταιριάζει με τη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος και δείχνει συγκρίσιμη βιοσυμβατότητα με τα κράματα τιτανίου. Ωστόσο, επειδή τα SMA περιέχουν μεγάλη ποσότητα νικελίου, η ακατάλληλη επιφανειακή επεξεργασία μπορεί να προκαλέσει διάχυση ιόντων νικελίου και διείσδυση στους περιβάλλοντες ιστούς, προκαλώντας νέκρωση κυττάρων και ιστών. Τα ιατρικά SMA χρησιμοποιούνται κυρίως στην πλαστική χειρουργική και την οδοντιατρική. Τα αυτο-διαστελλόμενα στεντ, ιδιαίτερα τα καρδιαγγειακά στεντ, αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα της εφαρμογής τους.
5. Πολύτιμα μέταλλα και αγνά μέταλλα: ταντάλιο, νιόβιο και ζιρκόνιο
Τα ιατρικά πολύτιμα μέταλλα αναφέρονται σε χρυσό, ασήμι, πλατίνα και τα κράματά τους που χρησιμοποιούνται ως βιοϊατρικά υλικά. Τα πολύτιμα μέταλλα έχουν εξαιρετική βιοσυμβατότητα, ισχυρή αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση, μοναδική φυσική και χημική σταθερότητα, εξαιρετικά χαρακτηριστικά επεξεργασίας και δεν είναι-τοξικά για τον ανθρώπινο ιστό. Χρησιμοποιούνται σε οδοντικές αποκαταστάσεις, επισκευές κρανίου, εμφυτεύσιμες ηλεκτρονικές συσκευές, νευρικές προθέσεις, συσκευές διέγερσης αυτιών και διαφραγματικών νεύρων, συσκευές οπτικού νεύρου και ηλεκτρόδια βηματοδότη.
Το ταντάλιο για οδοντικές αποκαταστάσεις έχει εξαιρετική χημική σταθερότητα και αντοχή στη φυσιολογική διάβρωση. Το οξείδιο του τανταλίου είναι ουσιαστικά μη απορροφημένο και μη-τοξικό. Το ταντάλιο μπορεί να συνδυαστεί με άλλα μέταλλα χωρίς να καταστρέψει το επιφανειακό φιλμ οξειδίου. Στην καθημερινή κλινική φαίνεται δυνατή η συγκόλληση μετάλλων, ενώ αποφεύγεται η διάσπαση του συνεχούς στρώματος οξειδίου που παθητικοποιεί τις επιφάνειές τους. Επειδή το ταντάλιο, το νιόβιο και το ζιρκόνιο εμφανίζουν προφίλ μικροδομής και αντιδραστικότητας στενά ευθυγραμμισμένα με εκείνα του τιτανίου, έχουν αξιολογηθεί για ποικίλες εφαρμογές εμφυτευμάτων, που κυμαίνονται από μοσχεύματα οστών με όργανα και οδοντικές ρίζες με βιδωτό- συγκρατημένες οδοντικές ρίζες έως τμήματα άρθρωσης αφαιρούμενων οδοντοστοιχιών{{6}, φάσμα συσκευών, όπως οι συνολικές τεχνητές καρδιές που διαμορφώνονται-τη θερμοκρασία. Ωστόσο, η αναζήτηση αυτών των μετάλλων στη συνήθη πρακτική παραμένει περιορισμένη. Τα εγγενή οικονομικά τους βελτίωσης και κατασκευής τους τοποθετούν πολύ πέρα από τους προϋπολογισμούς των περισσότερων περιθωρίων εμφυτευμάτων.
