I. Definícia a aplikácie medicínskych kovových materiálov
Lekárske kovové materiály, tiež známe ako chirurgické implantáty kovové materiály, sa primárne používajú na diagnostiku, liečbu a náhradu alebo zlepšenie tkaniva v ľudskom tele. Zatiaľ čo vývoj kovových medicínskych materiálov bol za posledných 20 rokov pomalší ako vývoj biomedicínskych materiálov, ako sú polyméry, kompozity, hybridy a deriváty, ponúkajú množstvo nenahraditeľných vlastností, ktorým sa iné medicínske materiály nevyrovnajú, vrátane vysokej pevnosti, dobrej húževnatosti, odolnosti proti ohybovej únave a vynikajúcich spracovateľských vlastností. Ide o najpoužívanejšie nosné{{3}implantačné materiály v klinických aplikáciách. S rozvojom technológie kovovej 3D tlače získali kovové medicínske materiály širšie uplatnenie, pričom najdôležitejšie aplikácie zahŕňajú dlahy na fixáciu zlomenín, skrutky, umelé kĺby a zubné implantáty.
II. Bežne používané kovové medicínske materiály
Medzi hlavné kovové materiály používané v klinických lekárskych aplikáciách patrí nehrdzavejúca oceľ, zliatiny kobaltu, zliatiny titánu, zliatiny s tvarovou pamäťou, vzácne kovy a čisté kovy, ako je tantal, niób a zirkónium.
1. Nerezová oceľ
Lekárska nehrdzavejúca oceľ (Stainless Steel as Biomedical Material) je zliatina -na báze železa, odolná voči korózii- a jedna z prvých biomedicínskych zliatin vyvinutých. Vyznačuje sa jednoduchosťou spracovania a nízkou cenou. Vytvarovanie nehrdzavejúcej ocele za studena nielenže zvyšuje medzu klzu, ale tiež spevňuje zliatinu proti hrdzi, čo zase znižuje pravdepodobnosť usadzovania únavových lomov. Keď sa pozriete na mikroštruktúru, nehrdzavejúce ocele sú zoradené ako austenitické, feritické, martenzitické alebo precipitačné{5}}kalené druhy. Nie je prekvapením, že tieto ocele sa stali štandardným vybavením vo svete medicíny; nájdete ich vykované do chirurgických nožov, pomocnú-koľajnicu na čepeli nožníc, čeľuste hemostatu a telo dutej ihly. Okrem ručných nástrojov slúžia nehrdzavejúce ocele aj v implantovateľných aplikáciách, vrátane umelých kĺbov, fixátorov platničiek a skrutiek, ortodontických podpier oblúkových drôtov a chlopňových krytov mechanických zariadení srdcových chlopní. Medzi týmito úžitkovými metódami dominujú austenitické triedy 316L a 317L s extra-nízkym obsahom uhlíka na minimalizáciu precipitácie karbidov na hranici zŕn. Písomná špecifikácia pre tieto zliatiny bola prvýkrát publikovaná v roku 1987 v revízii normy ISO pre implantovateľné kovové materiály, ISO 5832 a ISO 7153. Na základe medzinárodného korpusu bola v roku 1990 navrhnutá a prijatá v roku 1991 národná norma v mojej krajine, GB 12417.
Biokompatibilita a súvisiace problémy lekárskej nehrdzavejúcej ocele sa primárne týkajú tkanivových reakcií spôsobených rozpustením kovových iónov v dôsledku korózie alebo opotrebovania po implantácii. Rozsiahle klinické údaje dokazujú, že korózia lekárskej nehrdzavejúcej ocele má za následok slabú dlhodobú-stabilitu implantátu. Okrem toho sa jeho hustota a modul pružnosti výrazne líšia od hustoty a modulu pružnosti ľudského tvrdého tkaniva, čo má za následok zlú mechanickú kompatibilitu. Korózia môže spôsobiť, že ióny kovov alebo iné zlúčeniny preniknú do okolitých tkanív alebo do tela ako celku, čo môže viesť k nežiaducim histologickým reakciám, ako je edém, infekcia a nekróza tkaniva, čo má za následok bolesť a alergické reakcie. Najmä rozpúšťanie iónov niklu z nehrdzavejúcej ocele môže spôsobiť vážne patologické zmeny (bežne používaná austenitická lekárska nehrdzavejúca oceľ obsahuje približne 10 % niklu). V posledných rokoch boli postupne vyvinuté a používané lekárske nehrdzavejúce ocele s nízkym obsahom niklu a niklu{8}}.
2. Zliatiny kobaltu
Zliatiny kobaltu (zliatiny na báze Co{0}}ako biomedicínske materiály) sa tiež bežne používajú v medicínskych aplikáciách. V porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou sú vhodnejšie na výrobu-dlhodobých implantátov vystavených náročnému zaťaženiu v tele, s odolnosťou proti korózii 40-krát vyššou ako nehrdzavejúca oceľ. Prvou kobaltovou-kovovou zliatinou cielene vyvinutou pre medicínu bol kobalt-chróm-molybdén, zmes, ktorá sa ochladzuje na stabilnú austenitickú štruktúru. Potom, koncom 70. rokov, sa objavila vlna nových možností, najmä kovaný kobalt-nikel-chróm-hliník-volfrám{8}}mutant, ktorý vykazuje vynikajúcu odolnosť proti únave, a variant MP35N, ktorý si zachováva kobalt-nikel-chróm-hliníkové jadro, no austenitizuje komplexnú termomechanickú multištruktúru Klinická kobaltová chudšia austenitická matrica a kobaltovo-niklové varianty odvtedy vynikajú v protetickom inžinierstve.Tvarujú stonky a misky umelých bedier na báze kobaltu a chrómu Mo-, kĺbové povrchy kolien zo zliatiny kobaltu a chrómu a ortopedické upevňovacie zariadenia, medzi ktoré patrí pokovovanie nestabilných zlomenín, skrutky na dopravné-skrutky a lisované-kostné kolíky. V súčasnosti sú najrozšírenejšie liate kobalt-chróm{5}}hliníkové zliatiny, ktoré sú začlenené do normy ISO 5582/4. V roku 1990 ho moja krajina zaradila do národnej normy GB12417.
Zliatiny kobaltu zvyčajne zostávajú v ľudskom tele v pasívnom stave, zriedkavo korodujú. V porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou je ich pasívny film stabilnejší a -odolnejší voči korózii. Ponúkajú tiež najlepšiu odolnosť proti opotrebovaniu zo všetkých medicínskych kovových materiálov, o ktorých sa všeobecne predpokladá, že po implantácii nevyvolávajú žiadne viditeľné histologické reakcie. Umelé bedrové kĺby vyrobené zo zliatin kobaltu však vzhľadom na ich vysokú cenu vykazujú vysokú mieru uvoľňovania in vivo v dôsledku uvoľňovania iónov Co a Ni spôsobených opotrebovaním a koróziou kovu. Okrem toho vyzrážané prvky Co a Ni predstavujú biologické výzvy, ako je závažná alergénnosť, ktorá môže ľahko spôsobiť nekrózu buniek a tkanív in vivo, čo vedie k bolesti, uvoľneniu kĺbov a klesaniu. V dôsledku toho bola ich aplikácia obmedzená. V posledných rokoch sa na zlepšenie povrchových vlastností kobaltových zliatin používajú techniky povrchovej modifikácie, čím sa účinne zvyšuje ich klinická účinnosť.
3. Zliatiny titánu
Zliatiny na báze Ti- ako biomedicínske materiály patria medzi známe biokompatibilnejšie kovy. Od 40. rokov 20. storočia sa titán a zliatiny titánu postupne začali uplatňovať v klinickej medicíne. V roku 1951 ľudia začali používať čistý titán na výrobu kostných doštičiek a skrutiek. V polovici-70-tych rokov začali titán a zliatiny titánu získavať široké medicínske využitie a stali sa jedným z najsľubnejších medicínskych materiálov. V súčasnosti sa titán a zliatiny titánu používajú predovšetkým v ortopédii, najmä pri rekonštrukcii končatín a lebky. Vyrábajú sa z nich rôzne pomôcky na fixáciu zlomenín, umelé kĺby, lebečné čiapočky a dura mater, umelé srdcové chlopne, zuby, ďasná, poistné krúžky a korunky. Najpoužívanejšou zliatinou titánu v medicínskych aplikáciách je TC4 (Ti-6Al-4V). Táto zliatina má pri izbovej teplote + dvojfázovú štruktúru. Jeho pevnosť a ďalšie mechanické vlastnosti možno výrazne zlepšiť úpravou roztoku a starnutím.
Hustota titánu a jeho zliatin je približne 4,5 g/cm³, čo je zhruba polovica hustoty nehrdzavejúcej ocele a zliatin kobaltu, čím sa približuje hustote ľudského tvrdého tkaniva. Navyše ich biokompatibilita, odolnosť proti korózii a odolnosť proti únave prevyšujú biokompatibilitu nehrdzavejúcej ocele a zliatin kobaltu, čo z nich robí v súčasnosti najlepšie kovové medicínske materiály. Afinita titánu a jeho zliatin k ľudskému telu pramení z hustého pasivačného filmu oxidu titaničitého (TiO2) na ich povrchu, ktorý po implantácii vyvoláva ukladanie iónov vápnika a fosforu v telesných tekutinách za vzniku apatitu. To vykazuje určitý stupeň bioaktivity a kostnej väzby, vďaka čomu sú obzvlášť vhodné na intraoseálnu implantáciu. Nevýhodou titánu a jeho zliatin je však nízka tvrdosť a slabá odolnosť proti opotrebovaniu. Ak dôjde k opotrebovaniu, oxidový film sa najskôr zničí a potom sa uvoľnia produkty korózie častíc opotrebovania, ktoré vstupujú do ľudského tkaniva. Najmä toxický vanád (V) v zliatine Ti-6Al-4V môže spôsobiť zlyhanie implantátu. Na zlepšenie odolnosti titánu a jeho zliatin proti opotrebeniu je možné použiť vysokoteplotnú iónovú amináciu alebo iónovú implantáciu na zvýšenie ich odolnosti proti opotrebeniu povrchu. V posledných rokoch boli vyvinuté niektoré nové zliatiny titánu (hlavne zliatiny typu), ktoré sa všetky zameriavajú na redukciu prvkov, ktoré sú škodlivé pre ľudské telo, čím sa účinne zlepšuje biokompatibilita zliatin titánu.
4. Zliatiny s tvarovou pamäťou
Výskum medicínskych zliatin s tvarovou pamäťou (SMA) ako biomedicínskych materiálov sa začal v 70. rokoch minulého storočia a rýchlo si získal široké uplatnenie. Najrozšírenejším SMA v klinickej praxi je nikel-titánový SMA. Teplota obnovy tvarovej pamäte medicínskych SMA je 36 ± 2 stupne, čo zodpovedá teplote ľudského tela a vykazuje porovnateľnú biokompatibilitu so zliatinami titánu. Pretože však SMA obsahujú veľké množstvo niklu, nesprávna povrchová úprava môže spôsobiť, že ióny niklu budú difundovať a prenikať do okolitých tkanív, čo spôsobí nekrózu buniek a tkanív. Lekárske SMA sa primárne používajú v plastickej chirurgii a stomatológii. Samorozťahovacie stenty, najmä kardiovaskulárne stenty, sú ukážkovým príkladom ich použitia.
5. Drahé kovy a čisté kovy: tantal, niób a zirkónium
Lekárske drahé kovy označujú zlato, striebro, platinu a ich zliatiny používané ako biomedicínske materiály. Drahé kovy majú vynikajúcu biologickú kompatibilitu, silnú odolnosť proti oxidácii a korózii, jedinečnú fyzikálnu a chemickú stabilitu, vynikajúce spracovateľské vlastnosti a nie sú-toxické pre ľudské tkanivo. Používajú sa na zubné náhrady, opravy lebky, implantovateľné elektronické zariadenia, nervové protézy, zariadenia na stimuláciu ušných a bránicových nervov, zariadenia zrakového nervu a elektródy kardiostimulátora.
Tantal pre zubné náhrady má vynikajúcu chemickú stabilitu a odolnosť voči fyziologickej korózii. Oxid tantalu sa v podstate neabsorbuje a nie je -toxický. Tantal je možné kombinovať s inými kovmi bez poškodenia povrchového oxidového filmu. V každodennej klinickej praxi sa zdá, že je možné spájať kovy a zároveň sa vyhnúť narušeniu súvislej oxidovej vrstvy, ktorá pasivizuje ich povrchy. Keďže tantal, niób a zirkónium vykazujú profily mikroštruktúry a reaktivity úzko zladené s profilmi titánu, boli hodnotené pre rôzne aplikácie implantátov, od kostných štepov a skrutkových-zubných koreňov až po pántové časti snímateľných protéz, tenkostenné vaskulárne stenty a široké spektrum zariadení, ako sú umelé srdcové{{7}stenty. Sledovanie týchto kovov v bežnej praxi však zostáva obmedzené; ich inherentná rafinovanosť a ekonomika výroby ich stavia ďaleko za rozpočty väčšiny implantátov.
