Введение в биомедицинские металлические материалы

 

Дата выпуска：[2024/4/26]
 

Биомедицинские металлические материалы - это металлы или сплавы, используемые в биомедицинских материалах, также известных как хирургические металлические материалы, которые являются инертными материалами. Этот тип материала обладает отличными свойствами, такими как высокая механическая прочность, устойчивость к усталости и простота обработки, что делает его наиболее широко используемым несущим имплантантом в клинической практике. Применение этого материала очень широко и включает в себя различные аспекты, такие как твердые ткани, мягкие ткани, искусственные органы и хирургическое вспомогательное оборудование.
История развития биомедицинских металлических материалов
Биомедицинские металлические материалы являются одними из первых биомедицинских материалов, используемых людьми. Люди очень рано начали использовать золото для восстановления отсутствующих зубов.
В 1546 году пластинки из чистого золота были использованы для устранения дефектов черепа.
В 1588 году была найдена полезная золотая версия для восстановления челюстной кости.
В 1775 году было зарегистрировано использование металла для фиксации внутренних переломов.
В 1800 году было много сообщений об использовании металлических пластин для фиксации переломов;
В 1809 году золото использовалось для изготовления зубных имплантатов.
В 1880 году серебро использовалось для зашивания коленной кости.
В 1896 году никелированные стальные гвозди были использованы для лечения переломов.
В 1930 - х годах широко использовались кобальт - хромовые сплавы, нержавеющая сталь, титан и сплавы.
Применение сплавов памяти и металлических поверхностных покрытий из никеля и титана в 1970 - х годах
За последние 30 лет, несмотря на медленное развитие, он по - прежнему занимает важное место в клинической практике
Характеристики биомедицинских металлических материалов
1. Токсичность материалов
Токсичность биомедицинских металлических материалов в основном происходит от коррозии или износа ионов поверхности металла или атомов окружающих биологических тканей, которые действуют на клетки, подавляют активность ферментов, диффузию тканевых ферментов и разрушают лизосомы. В частности, это может проявляться в том, что вещества в организме производят токсичные соединения. Ионы металлов попадают в тканевую жидкость, вызывая отеки, эмболии, инфекции и опухоли. Общие методы детоксикации включают легирование, повышение коррозионной стойкости, улучшение гладкости, поверхностное покрытие и так далее.
2. Физическая коррозия
Физиологическая коррозия биомедицинских металлических материалов является ключом к успеху или неудаче имплантации материала, а влияние продуктов на живые организмы определяет срок службы имплантированных устройств.
3. Механические свойства
Биомедицинские металлические материалы должны обладать достаточной прочностью и пластичностью. В целом, искусственный тазобедренный сустав требует металлического материала: текучесть > 450 Мпа; Интенсивность при растяжении > 800 Мпа; Интенсивность усталости > 400Mpa; Коэффициент удлинения > 8%. Модуль упругости материала обычно больше, чем модуль упругости кости, что приводит к различным деформациям между материалом и костью, а относительное смещение интерфейса приводит к ослаблению интерфейса; Кроме того, он создает стрессовые экраны, которые приводят к функциональной деградации или поглощению костной ткани.
4. Устойчивость к износу
износостойкость влияет на срок службы имплантированного фрикционного устройства; Кроме того, могут образовываться вредные металлические частицы или обломки, которые вызывают воспалительные и токсические реакции в окружающих тканях. Улучшения могут быть сделаны путем повышения твердости и обработки поверхности.
Обычные биомедицинские металлические материалы
1. Медицинская нержавеющая сталь
Основным химическим составом медицинской нержавеющей стали является {316, 36L, 317L}; В применении, подвержены точечной коррозии и интерфейсной коррозии, что приводит к плохой долгосрочной стабильности; Некоторые растворенные ионы могут вызывать образование опухоли; Плохая механическая совместимость, отсутствие биологической активности.
2. Медицинские сплавы на основе кобальта
Основными химическими компонентами являются Co - Cr - Mo, Co - Cr - W - Ni и т. Д., Коррозионная стойкость в несколько раз выше, чем у нержавеющей стали, и, как правило, нет очевидных организационных реакций. Из - за относительно высокой скорости ослабления интерфейса искусственного тазобедренного сустава высвобождение ионов Co может привести к некрозу клеток и тканей, аллергическим реакциям на кожу и т. Д. Он обладает отличным сопротивлением трению и сильной несущей способностью. Обычно используется в качестве имплантата голоса.
3. Медицинский титан и его сплавы
Титан и титановые сплавы являются наиболее широко используемыми в настоящее время имплантированными металлическими биоматериалами с низкой плотностью, высокой удельной прочностью, низким модулем упругости, лучшей коррозионной стойкостью и усталостью, чем нержавеющая сталь и кобальтовые сплавы. Они обладают хорошей биологической совместимостью, но низкая твердость, плохое сопротивление трению, менее идеальная усталость и вязкость при разрыве, модуль упругости все еще высок, а сплавы содержат токсичные элементы. В зависимости от свойств сплава титановый сплав в основном делится на альфа -, бета - и альфа - бета - титановые сплавы.
4. Медицинский магниевый сплав
Магниевый сплав, как биоразлагаемый медицинский материал, известен как биомедицинский материал третьего поколения. Магний является мягким элементом для человеческого организма, обладает хорошей абсорбционной способностью и биологической совместимостью. В ортопедических имплантатах его плотность и модуль упругости аналогичны костям. Магниевые сплавы также имеют контролируемую скорость коррозии и имеют большие перспективы применения в сердечно - сосудистой имплантации и восстановлении костей. В настоящее время исследования магниевых сплавов в основном включают WE43, AZ31, Mg - CA, MgZnCa и т. Д. Магниевые сплавы в основном имеют проблемы с высокой скоростью коррозии и недостаточной механической прочностью.
Прочие медицинские металлические материалы
Драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина, впервые широко используются в клиническом лечении и имеют хорошую стабильность и производительность обработки. Однако из - за их высокой цены их широкое применение ограничено. Денежные средства по - прежнему широко используются в стоматологии, акупунктуре, имплантации в организме и медицинских биосенсорах.
тантал, ниобий и цирконий обладают хорошей химической стабильностью и физиологической коррозионной стойкостью. Оксиды в основном не поглощаются и не проявляют токсичных реакций. Они могут использоваться в сочетании с другими металлами без повреждения их поверхностных оксидных пленок. Он демонстрирует хорошую биосовместимость, но его применение также ограничено из - за дороговизны.
Сплав памяти формы - это новый тип медицинского биоматериала. Основным используемым в клинической практике сплавом памяти формы является никель - титановый сплав памяти формы. Медицинский никель титановый сплав памяти формы обладает свойствами памяти формы и сверхэластичностью в зоне фазового перехода. Они относительно мягкие при низких температурах и могут деформироваться. При нагревании до температуры тела они немедленно возвращаются в первоначальное состояние, создавая постоянную и умеренную устойчивость. На этом этапе материал более жесткий, более эластичный и может играть корректирующую или поддерживающую роль. Он обладает биологической совместимостью с нержавеющей сталью и титановыми сплавами. Его превосходная биосовместимость, коррозионная стойкость, износостойкость и нетоксичность известны как новые функциональные материалы 21 - го века. Однако ионы никеля в сплаве памяти никеля и титана могут распространяться и проникать в окружающие ткани, вызывая нежелательные реакции. Медицинские сплавы памяти формы в основном используются в пластической хирургии и стоматологии. Лучшим примером использования никель - титановых сплавов памяти являются саморасширяющиеся стенты, особенно сердечно - сосудистые.
Основные проблемы с медицинскими металлическими материалами в настоящее время
После многих лет клинического применения медицинские металлические материалы по - прежнему сталкиваются со многими проблемами. Помимо общих реакций хозяина на медицинские материалы, они также прямо или косвенно подвержены коррозии и износу металлов. Медицинские металлические материалы содержат большое количество легирующих элементов, но их допустимая концентрация в организме человека очень низка. Эти сплавные элементы часто проявляют сильный отрицательный заряд, который может изменять их электронные валентные состояния и связываться с органическими или неорганическими веществами в организме, образуя сложные соединения (некоторые из которых имеют сильную токсичность). Кроме того, после имплантации металлического материала в организм человека коррозия, износ и другие факторы могут привести к растворению ионов металлов и металлов; Вхождение ионов в тканевую жидкость вызывает определенные биологические реакции, такие как тканевые реакции, реакции крови и реакции всего организма, которые проявляются в виде отеков, тромбоэмболий, инфекций и опухолей.

Кроме того, в крови человека, так как тромбоциты, клетки и белки имеют отрицательный заряд, а ионы металлов обычно имеют положительный заряд, осаждение большого количества ионов металлов в крови также подвержено образованию тромбов. Среди микроэлементов, необходимых для человеческого организма, таких как железо (Fe), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo) и кобальт (Co), ионы никеля, кобальта и хрома имеют значительную токсичность и чувствительность для человеческого организма. Исследование, в котором сообщалось о процессе воспаления, вызванного ионами металлов, высвобождаемыми имплантатами, показало, что даже субмольные концентрации цинка, никеля и кобальта могут вызывать экспрессию E - селекторов в эндотелиальных клетках. Хроническая проблема аллергии на никель и его канцерогенности в научном сообществе привлекла внимание всего лишь в последние десятилетия. Ограничения на содержание никеля в повседневных и медицинских металлических материалах становятся все более жесткими, а максимальное содержание никеля, допустимое в стандартных документах, уменьшается. Эта тенденция четко прослеживается в стандартах Европейского парламента, принятых в 1967, 1988 и 1994 годах. Поэтому при разработке новых медицинских металлических материалов необходимо строго контролировать содержащиеся в них металлические элементы, желательно использовать меньше или вообще не использовать легированные элементы, которые могут вызвать токсичность и аллергию у человека.