I. Meditsiiniliste metallmaterjalide määratlus ja rakendused
Meditsiinilisi metallmaterjale, tuntud ka kui kirurgiliste implantaatide metallmaterjale, kasutatakse peamiselt diagnoosimiseks, raviks ja kudede asendamiseks või parandamiseks inimkehas. Viimase 20 aasta jooksul on metallist meditsiiniliste materjalide areng olnud aeglasem kui biomeditsiiniliste materjalide (nt polümeerid, komposiidid, hübriidid ja derivaadid) oma, kuid neil on palju asendamatuid omadusi, mida teised meditsiinilised materjalid ei suuda võrrelda, sealhulgas kõrge tugevus, hea sitkus, paindeväsimuse vastupidavus ja suurepärased töötlemisomadused. Need on kliinilistes rakendustes kõige laialdasemalt kasutatavad-koormust kandvad implantaadimaterjalid. Metallist 3D-printimise tehnoloogia arenedes on metallist meditsiinilised materjalid leidnud laiemat kasutust, kõige olulisemate rakenduste hulka kuuluvad luumurdude fikseerimise plaadid, kruvid, kunstliigendid ja hambaimplantaadid.
II. Tavaliselt kasutatavad metallist meditsiinilised materjalid
Peamised kliinilises meditsiinis kasutatavad metallmaterjalid on roostevaba teras, koobaltisulamid, titaanisulamid, kujumälusulamid, väärismetallid ja puhtad metallid, nagu tantaal, nioobium ja tsirkoonium.
1. Roostevaba teras
Meditsiiniline roostevaba teras (roostevaba teras kui biomeditsiiniline materjal) on raua{0}}põhine, korrosioonikindel-sulam ja üks varasemaid biomeditsiiniliste sulameid, mis on välja töötatud. Seda iseloomustab töötlemise lihtsus ja madal hind. Roostevaba terase külmtöötlemine mitte ainult ei suurenda voolavuspiiri, vaid tugevdab sulamit ka rooste vastu, mis omakorda vähendab väsimusmurde tekkimise tõenäosust. Mikrostruktuuri vaadates on roostevaba teras austeniit-, ferriitse-, martensiitse- või sademetega karastatud - klassiga. Pole üllatav, et nendest terastest on saanud meditsiinimaailmas standardvarustus; leiad need sepistatud kirurgilisteks nugadeks, kääride tera alam-siiniks, hemostaadi lõualuudeks ja õõnsaks nõela korpuseks. Lisaks käsiinstrumentidele kasutatakse roostevaba terast ka siirdatavates rakendustes, sealhulgas tehisliigendites, plaat- ja kruvikinnitustes, ortodontiliste kaaretugede ja mehaaniliste südameklappide seadmete klapikorpustes. Nende kasulike meetodite hulgas domineerivad austeniitsed 316L ja 317L, millel on eriti-väike süsinikusisaldus, et minimeerida tera piiride karbiidi sadestumist. Nende sulamite kirjalik spetsifikatsioon avaldati esmakordselt siirdatavate metallmaterjalide ISO standardi ISO 5832 ja ISO 7153 läbivaatamisel 1987. aastal. Rahvusvahelist korpust järgides koostati 1990. aastal minu kodumaa riiklik standard GB 12417, mis võeti vastu 1991. aastal.
Meditsiinilise roostevaba terase biosobivus ja sellega seotud probleemid puudutavad eelkõige kudede reaktsioone, mis on põhjustatud metalliioonide lahustumisest pärast implanteerimist korrosiooni või kulumise tõttu. Laialdased kliinilised andmed näitavad, et meditsiinilise roostevaba terase korrosioon põhjustab implantaadi halva pikaajalise stabiilsuse{1}}. Lisaks erinevad selle tihedus ja elastsusmoodul oluliselt inimese kõvakoe omadest, mille tulemuseks on halb mehaaniline ühilduvus. Korrosioon võib põhjustada metalliioonide või muude ühendite sisenemist ümbritsevatesse kudedesse või kehasse tervikuna, mis võib põhjustada ebasoodsaid histoloogilisi reaktsioone, nagu tursed, infektsioon ja kudede nekroos, mille tagajärjeks on valu ja allergilised reaktsioonid. Eelkõige võib nikliioonide lahustumine roostevabast terasest põhjustada tõsiseid patoloogilisi muutusi (tavaliselt kasutatav austeniitne roostevaba teras sisaldab ligikaudu 10% niklit). Viimastel aastatel on järk-järgult välja töötatud ja kasutusele võetud madala-nikli- ja nikli-vaba roostevaba teras.
2. Koobaltisulamid
Koobaltisulameid (Co{0}}põhised sulamid biomeditsiiniliste materjalidena) kasutatakse sageli ka meditsiinilistes rakendustes. Võrreldes roostevaba terasega sobivad need rohkem pikaajaliste-implantaatide valmistamiseks, mis on kehale suure koormusega ja mille korrosioonikindlus on 40 korda suurem kui roostevaba teras. Esimene koobalt-metallisulam, mis sihikindlalt meditsiiniks konstrueeriti, oli koobalt-kroom-molübdeen – segu, mis jahtub stabiilseks austeniitseks struktuuriks. Seejärel, 1970. aastate lõpus, ilmnes uute võimaluste laine, eelkõige sepistatud koobalt-nikkel-kroom-alumiinium-volfram{8}}raudmutant, millel on suurepärane väsimuskindlus, ja variant MP35N, mis säilitab koobalt-nikkel-kroom-alumiiniumi südamiku, kuid austenitiseerib mitmekordselt termofaasmehaanilise kompleksi. Kliinilised koobalti lahjemad austeniitmaatriks ja koobalt-nikli variandid on sellest ajast peale proteeside valmistamisel silma paistnud.Need kujundavad koobalt-kroom Mo{0}}põhiste tehispuusade varred ja kupud, koobalt-kroomsulamist põlvede liigendpinnad ja ortopeedilised kinnitusvahendid, mis hõlmavad ebastabiilsete luumurdude plaati, liiklus-õmbluskruvisid ja press{2}}monteeritud luutihvtid. Praegu on valatud koobalt-kroom-alumiiniumisulamid kõige laialdasemalt kasutatavad ja need on kaasatud ISO 5582/4 standardisse. 1990. aastal kaasas minu riik selle riiklikku standardisse GB12417.
Koobaltisulamid jäävad inimkehas tavaliselt passiivsesse olekusse, harva korrodeerudes. Võrreldes roostevaba terasega on nende passiivne kile stabiilsem ja korrosioonikindlam{1}}. Need pakuvad ka kõigist meditsiinilistest metallmaterjalidest parimat kulumiskindlust, üldiselt arvatakse, et need ei tekita pärast implanteerimist märgatavaid histoloogilisi reaktsioone. Kuid koobaltisulamitest valmistatud kunstlikel puusaliigestel on nende kõrge hinna tõttu in vivo suur lõdvenemise kiirus metalli kulumisest ja korrosioonist põhjustatud Co- ja Ni-ioonide vabanemise tõttu. Veelgi enam, sadestunud Co ja Ni elemendid kujutavad endast bioloogilisi väljakutseid, nagu tõsine allergeensus, mis võib kergesti põhjustada rakkude ja kudede nekroosi in vivo, põhjustades valu, liigeste lõdvenemist ja vajumist. Seetõttu on nende rakendamine olnud piiratud. Viimastel aastatel on koobaltisulamite pinnaomaduste parandamiseks kasutatud pinna modifitseerimise tehnikaid, suurendades tõhusalt nende kliinilist efektiivsust.
3. Titaanisulamid
Ti-põhised sulamid kui biomeditsiinilised materjalid on ühed bioühilduvamad metallid. Alates 1940. aastatest on titaan ja titaanisulamid kliinilises meditsiinis järk-järgult kasutusele võetud. 1951. aastal hakkasid inimesed luuplaatide ja kruvide valmistamiseks kasutama puhast titaani. 1970. aastate keskel hakkasid titaan ja titaanisulamid laialdaselt kasutama meditsiinis, saades üheks paljutõotavamaks meditsiiniliseks materjaliks. Praegu kasutatakse titaani ja titaanisulameid peamiselt ortopeedias, eriti jäsemete ja kolju rekonstrueerimisel. Nendest valmistatakse erinevaid luumurdude fikseerimise seadmeid, kunstliigeseid, koljukatteid ja kõvakesta, tehissüdameklappe, hambaid, igemeid, kinnitusrõngaid ja kroone. Meditsiinilistes rakendustes kõige laialdasemalt kasutatav titaanisulam on TC4 (Ti-6Al-4V). Sellel sulamil on toatemperatuuril + kahefaasiline struktuur. Selle tugevust ja muid mehaanilisi omadusi saab lahusega töötlemise ja vananemisega oluliselt parandada.
Titaani ja selle sulamite tihedus on ligikaudu 4,5 g/cm³, mis on ligikaudu pool roostevaba terase ja koobaltisulamite tihedusest, lähenedes inimese kõvakoe tihedusele. Lisaks ületab nende biosobivus, korrosioonikindlus ja väsimuskindlus roostevaba terase ja koobaltisulamite omad, mistõttu on need praegu parimad metallist meditsiinilised materjalid. Titaani ja selle sulamite afiinsus inimkeha suhtes tuleneb nende pindadel olevast tihedast titaanoksiidi (TiO2) passivatsioonikilest, mis pärast implanteerimist kutsub esile kaltsiumi- ja fosforiioonide ladestumise kehavedelikes, moodustades apatiiti. Sellel on teatav bioaktiivsus ja luude sidumine, mistõttu on need eriti sobivad luusiseseks implanteerimiseks. Titaani ja selle sulamite puudusteks on aga nende madal kõvadus ja halb kulumiskindlus. Kulumise korral hävitatakse esmalt oksiidkile, millele järgneb kulumisosakeste korrosiooniproduktide eraldumine, mis sisenevad inimkudedesse. Eelkõige võib Ti-6Al-4V sulamis sisalduv toksiline vanaadium (V) põhjustada implantaadi rikke. Titaani ja selle sulamite kulumiskindluse parandamiseks võib nende pinna kulumiskindluse suurendamiseks kasutada kõrgtemperatuurset iooniamiinimist või ioonide implanteerimist. Viimastel aastatel on välja töötatud mõned uued titaanisulamid (peamiselt -tüüpi sulamid), mis kõik keskenduvad inimkehale kahjulike elementide vähendamisele, parandades tõhusalt titaanisulamite biosobivust.
4. Kujumälu sulamid
Meditsiinilise kuju mälusulamite (SMA) kui biomeditsiiniliste materjalide uurimine algas 1970. aastatel ja sai kiiresti laialdase rakenduse. Kliinilises praktikas kõige laialdasemalt kasutatav SMA on nikkel-titaan SMA. Meditsiiniliste SMA-de kujumälu taastamise temperatuur on 36 ± 2 kraadi, mis vastab inimese kehatemperatuurile ja näitab võrreldavat biosobivust titaanisulamitega. Kuna aga SMA-d sisaldavad suures koguses niklit, võib ebaõige pinnatöötlus põhjustada nikliioonide hajumist ja tungimist ümbritsevatesse kudedesse, põhjustades rakkude ja kudede nekroosi. Meditsiinilisi SMA-sid kasutatakse peamiselt plastilises kirurgias ja hambaravis. Isepaisuvad-stendid, eriti kardiovaskulaarsed stendid, on nende kasutamise suurepärane näide.
5. Väärismetallid ja puhtad metallid: tantaal, nioobium ja tsirkoonium
Meditsiinilised väärismetallid viitavad kullale, hõbedale, plaatinale ja nende sulamitele, mida kasutatakse biomeditsiiniliste materjalidena. Väärismetallidel on suurepärane biosobivus, tugev oksüdatsiooni- ja korrosioonikindlus, ainulaadne füüsikaline ja keemiline stabiilsus, suurepärased töötlemisomadused ning nad ei ole inimkudedele mürgised. Neid kasutatakse hammaste restaureerimisel, koljuparandustes, siirdatavates elektroonikaseadmetes, närviproteesides, kõrva- ja diafragmaatilise närvi stimulatsiooniseadmetes, nägemisnärvi seadmetes ja südamestimulaatori elektroodides.
Hammaste taastamiseks mõeldud tantaalil on suurepärane keemiline stabiilsus ja vastupidavus füsioloogilisele korrosioonile. Tantaaloksiid on põhimõtteliselt imendumata ja mittetoksiline. Tantaali saab kombineerida teiste metallidega ilma pinna oksiidkilet kahjustamata. Igapäevases kliinilises praktikas näib võimalik metallide sidumine, vältides samal ajal pideva oksiidikihi katkemist, mis passiviseerib nende pindu. Kuna tantaali, nioobiumi ja tsirkooniumi mikrostruktuur ja reaktsioonivõime on tihedalt kooskõlas titaani omadega, on neid hinnatud mitmesuguste implantaatide jaoks, alates instrumentaalsetest luutransplantaatidest ja kruvide säilitatavatest hambajuurtest kuni eemaldatavate proteeside liigendsektsioonideni, laia spektriga vaskulaarsete seadmete, õhukeste{6}stentideni. temperatuuri -moduleeritud tehissüdamete koguarv. Sellegipoolest on nende metallide tavapärane kasutamine piiratud; nende loomupärane viimistlemine ja valmistamise ökonoomika asetavad need palju kaugemale enamiku implantaatide marginaalide eelarvetest.
