Einführung in biomedizinische Metallwerkstoffe

Datum:[2024/4/26]

Biomedizinische Metallmaterialien sind Metalle oder Legierungen, die in biomedizinischen Materialien verwendet werden, auch als chirurgische Metallmaterialien bekannt, und sind eine Klasse von inerten Materialien. Diese Art von Material hat ausgezeichnete Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und einfache Verarbeitung, was es zum am häufigsten verwendeten tragenden Implantatmaterial in der klinischen Praxis macht. Die Anwendung solcher Materialien ist sehr umfangreich und umfasst verschiedene Aspekte wie Hartgewebe, Weichgewebe, künstliche Organe und chirurgische Hilfsmittel.
Entwicklungsgeschichte biomedizinischer Metallwerkstoffe
Biomedizinische Metallmaterialien sind eines der frühesten biomedizinischen Materialien, die vom Menschen verwendet werden. Menschen begannen schon sehr früh mit Gold fehlende Zähne zu reparieren.
In 1546 wurden reine Goldflocken verwendet, um Schädeldefekte zu reparieren
In 1588 wurde eine nützliche goldene Version für die Kieferknochenreparatur entdeckt.
In 1775 gab es Aufzeichnungen über die Verwendung von Metall, um interne Brüche zu beheben
Im 1800 gab es zahlreiche Berichte über die Verwendung von Metallplatten, um Brüche zu beheben;
In 1809 wurde Gold verwendet, um Zahnimplantate herzustellen
In 1880 wurde Silber für Knieknochennähte verwendet
In 1896 wurden vernickelte Stahlnägel zur Behandlung von Brüchen verwendet
In den 1930er Jahren wurden Kobaltchromlegierungen, Edelstahl, Titan und Legierungen weit verbreitet verwendet
In den 1970er Jahren wurden Ni Ti Formgedächtnislegierungen und Metalloberflächenbeschichtungen eingesetzt
Obwohl die Entwicklung in den letzten 30-Jahren langsam war, nimmt sie in der klinischen Praxis immer noch eine wichtige Stellung ein
Eigenschaften biomedizinischer Metallwerkstoffe
1. Materialtoxizität
Die Toxizität biomedizinischer Metallmaterialien entsteht hauptsächlich durch Korrosion oder Abnutzung von Metalloberflächenionen oder -atomen in umgebende biologische Gewebe, die auf Zellen wirken, Enzymaktivität hemmen, Enzymdiffusion organisieren und Lysosomen zerstören. Insbesondere kann es sich als die Erzeugung von giftigen Verbindungen mit Substanzen im Körper manifestieren. Und Metallionen, die in die Gewebeflüssigkeit gelangen, können Ödeme, Embolien, Infektionen und Tumoren verursachen. Die allgemein verwendeten Entgiftungsmethoden umfassen Legierung, Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, Verbesserung der Glätte, Oberflächenbeschichtung usw.
2. Physiologische Korrosion
Die physiologische Korrosivität biomedizinischer Metallmaterialien ist der Schlüssel zur Bestimmung des Erfolgs oder Misserfolgs der Materialimplantation, und die Auswirkungen ihrer Produkte auf den biologischen Körper bestimmt die Lebensdauer implantierter Geräte.
3. Mechanische Eigenschaften
Biomedizinische Metallwerkstoffe müssen über ausreichende Festigkeit und Plastizität verfügen. Im Allgemeinen sind die Anforderungen an Metallmaterialien in künstlichen Hüftgelenken: Streckgrenze>450Mpa; Zugfestigkeit>800Mpa; Ermüdungsfestigkeit>400Mpa; Verlängerungsrate>8%. Der Elastizitätsmodul von Materialien ist normalerweise größer als der von Knochen, was zu unterschiedlichen Dehnungen zwischen Materialien und Knochen führt, und die relative Verschiebung an der Grenzfläche verursacht Grenzflächenlockerung; Darüber hinaus erzeugt es eine Spannungsabschirmung, die funktionellen Abbau oder Absorption von Knochengewebe verursacht.
4. Verschleißfestigkeit
Verschleißfestigkeit beeinflusst die Lebensdauer implantierter Reibungsgeräte; Und kann schädliche Metallpartikel oder Schmutz produzieren, was zu entzündlichen und toxischen Reaktionen in umliegenden Geweben führt. Verbesserungen können durch Methoden wie Härteverhöhung und Oberflächenbehandlung vorgenommen werden.
Allgemeine biomedizinische Metallwerkstoffe
1. Medizinischer Edelstahl
Die wichtigste chemische Zusammensetzung des medizinischen Edelstahls ist {316, 36L, 317L}; In Anwendungen sind Lochfraß- und Grenzflächenkorrosion anfällig, was zu einer schlechten Langzeitstabilität führt; Gelöste bestimmte Ionen können Tumorbildung induzieren; Schlechte mechanische Verträglichkeit und keine biologische Aktivität.
2. Legierung auf medizinischer Kobaltbasis
Die wichtigsten chemischen Komponenten sind Co Cr Mo, Co Cr W-Ni, etc. Die Korrosionsbeständigkeit ist mehrmals höher als die von Edelstahl, und es gibt im Allgemeinen keine offensichtliche Gewebereaktion. Da die Grenzflächenlockerungsrate des künstlichen Hüftgelenks relativ hoch ist, kann die Freisetzung von Co-Ionen Zell- und Gewebenekrose, Hautallergische Reaktionen usw. verursachen. Normalerweise als Stimmimplantat verwendet.
3. Medizinisches Titan und seine Legierungen
Titan und Titanlegierungen sind derzeit die am häufigsten verwendeten implantierten Metall-Biomaterialien mit niedriger Dichte, hoher spezifischer Festigkeit, niedrigem Elastizitätsmodul, besserer Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit als Edelstahl und Kobaltlegierungen. Sie haben eine gute Biokompatibilität, aber niedrige Härte, schlechte Reibungswiderstand, weniger ideale Ermüdungs- und Bruchzähigkeit, immer noch hohen Elastizitätsmodul und enthalten giftige Elemente in der Legierung. Entsprechend den Eigenschaften der Legierung werden Titanlegierungen hauptsächlich in α,β,α-β Titanlegierung unterteilt.
4. Medizinische Magnesiumlegierung
Magnesiumlegierung ist als biologisch abbaubares medizinisches Material als dritte Generation biomedizinischer Materialien bekannt. Magnesium ist ein mildes Element für den menschlichen Körper, mit guter Absorption und Biokompatibilität. Bei orthopädischen Implantaten hat es einen Dichte- und Elastizitätsmodul ähnlich dem Knochen. Magnesiumlegierung hat auch eine kontrollierbare Korrosionsrate, die große Anwendungsaussichten in der kardiovaskulären Implantation und Knochenreparatur hat. Die aktuelle Forschung an Magnesiumlegierungen umfasst hauptsächlich WE43, AZ31, Mg Ca, MgZnCa usw. Magnesiumlegierungen leiden hauptsächlich unter Problemen wie übermäßiger Korrosionsrate und unzureichender mechanischer Festigkeit.
Andere medizinische Metallwerkstoffe
Gold, Silber, Platin und andere Edelmetalle, die zuerst in der klinischen Behandlung weit verbreitet waren, haben eine gute Stabilität und Verarbeitungsleistung. Aufgrund ihres hohen Preises ist ihre breite Anwendung jedoch begrenzt. Bargeld ist immer noch weit verbreitet in der Zahnmedizin, Akupunktur und Moxibustion, Implantation in vivo und medizinischen Biosensoren.
Tantal, Niob und Zirkonium haben eine gute chemische Stabilität und physiologische Korrosionsbeständigkeit. Oxide werden grundsätzlich nicht absorbiert und zeigen keine toxischen Reaktionen. Sie können in Kombination mit anderen Metallen verwendet werden, ohne deren Oberflächenoxidfilm zu beschädigen. Und es weist eine gute Biokompatibilität auf, aber seine Anwendung ist auch aufgrund seines hohen Preises begrenzt.
Formgedächtnislegierung ist eine neue Art von medizinischem Biomaterial. Die wichtigsten Formgedächtnislegierungen, die in der klinischen Praxis verwendet werden, sind Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen. Medizinische Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen haben Formgedächtniseigenschaften und Superelastizität in der Phasenübergangszone. Sie sind bei niedrigen Temperaturen relativ weich und können sich verformen. Wenn sie auf Körpertemperatur erhitzt werden, kehren sie sofort in ihre ursprüngliche Form zurück und erzeugen nachhaltige und schonende Wiederherstellungskraft. Zu diesem Zeitpunkt ist das Material härter und elastischer, was eine korrigierende oder unterstützende Rolle spielen kann. Es hat eine vergleichbare Biokompatibilität mit Edelstahl und Titanlegierungen. Seine ausgezeichnete Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Nichttoxizität sind als die neuen Funktionsmaterialien des 21sten Jahrhunderts bekannt. Nickel-Ionen in Nickel-Titan-Speicherlegierungen können jedoch diffundieren und in umliegende Gewebe eindringen, was zu unerwünschten Reaktionen führt. Medizinische Formgedächtnislegierungen werden hauptsächlich in der plastischen Chirurgie und Zahnmedizin verwendet. Das beste Beispiel für die Verwendung von Nickel-Titan-Speicherlegierungen sind selbstexpandierende Stents, insbesondere kardiovaskuläre Stents.
Die wichtigsten Probleme, die derzeit bei medizinischen Metallwerkstoffen bestehen
Nach Jahren klinischer Anwendung stehen medizinische Metallwerkstoffe immer noch vor vielen Problemen. Neben den üblichen Wirtsreaktionen medizinischer Materialien werden sie auch direkt oder indirekt durch Metallkorrosion und Verschleiß beeinflusst. Medizinische Metallmaterialien enthalten eine beträchtliche Menge an Legierungselementen, aber ihre zulässigen Konzentrationen im menschlichen Körper sind sehr niedrig. Diese Legierungselemente weisen oft starke negative Ladungen auf, die ihre elektronischen Valenzzustände ändern und sich mit organischen oder anorganischen Substanzen in lebenden Organismen zu komplexen chemischen Verbindungen verbinden können (von denen einige starke Toxizität enthalten). Darüber hinaus können Korrosion, Verschleiß und andere Faktoren zur Auflösung von Metallionen und Metall führen, nachdem Metallmaterialien in den menschlichen Körper implantiert wurden; Ionen, die in Gewebeflüssigkeit eindringen, können bestimmte biologische Reaktionen auslösen, wie Gewebereaktionen, Blutreaktionen und systemische Reaktionen, die sich als Ödeme, Thromboembolie, Infektionen und Tumoren manifestieren.

Darüber hinaus ist im menschlichen Blut aufgrund der negativen Ladung von Blutplättchen, Zellen und Proteinen, während Metallionen normalerweise eine positive Ladung haben, die Ausfällung einer großen Anzahl von Metallionen im Blut auch anfällig für die Bildung von Blutgerinnseln. Unter den wesentlichen Spurenelementen für den menschlichen Körper, wie Eisen (Fe), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo) und Kobalt (Co), Nickel, Kobalt und Chromionen haben signifikante Toxizität und Sensibilisierungsreaktionen für den menschlichen Körper. Studien haben den Prozess der Entzündung durch Metallionen berichtet, die von Implantaten freigesetzt werden, und es wurde gefunden, dass sogar submikromolare Konzentrationen von Zink, Nickel und Kobalt die Expression von E-Selektin in Endothelzellen induzieren können. Die langjährigen Fragen der Nickelallergie und Nickelkarzinogenese in der Wissenschaft haben erst in den letzten Jahrzehnten von verschiedenen Ländern Beachtung gefunden. Die Beschränkungen des Nickelgehalts in täglichen und medizinischen Metallwerkstoffen sind immer strenger geworden, und auch der maximal zulässige Nickelgehalt in Standarddokumenten sinkt. Diese Tendenz zeigt sich deutlich an den Normen des Europäischen Parlaments, die in den Jahren 1973, 1988 und 1994 veröffentlicht wurden. Daher ist es bei der Entwicklung neuer medizinischer Metallmaterialien notwendig, die Metallelemente in ihnen streng zu kontrollieren, und es ist am besten, weniger oder keine Legierungselemente zu verwenden, die Toxizität und Allergien für den menschlichen Körper verursachen können.