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, Ermüdungsbest?ndigkeit und einfache Verarbeitung, was es zum am h?ufigsten 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 Z?hne zu reparieren.
In 1546 wurden reine Goldflocken verwendet, um Sch?deldefekte 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 Knieknochenn?hte verwendet
In 1896 wurden vernickelte Stahln?gel 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 Formged?chtnislegierungen und Metalloberfl?chenbeschichtungen 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. Materialtoxizit?t
Die Toxizit?t biomedizinischer Metallmaterialien entsteht haupts?chlich durch Korrosion oder Abnutzung von Metalloberfl?chenionen oder -atomen in umgebende biologische Gewebe, die auf Zellen wirken, Enzymaktivit?t hemmen, Enzymdiffusion organisieren und Lysosomen zerst?ren. Insbesondere kann es sich als die Erzeugung von giftigen Verbindungen mit Substanzen im K?rper manifestieren. Und Metallionen, die in die Gewebeflüssigkeit gelangen, k?nnen ?deme, Embolien, Infektionen und Tumoren verursachen. Die allgemein verwendeten Entgiftungsmethoden umfassen Legierung, Verbesserung der Korrosionsbest?ndigkeit, Verbesserung der Gl?tte, Oberfl?chenbeschichtung usw.
2. Physiologische Korrosion
Die physiologische Korrosivit?t biomedizinischer Metallmaterialien ist der Schlüssel zur Bestimmung des Erfolgs oder Misserfolgs der Materialimplantation, und die Auswirkungen ihrer Produkte auf den biologischen K?rper bestimmt die Lebensdauer implantierter Ger?te.
3. Mechanische Eigenschaften
Biomedizinische Metallwerkstoffe müssen über ausreichende Festigkeit und Plastizit?t verfügen. Im Allgemeinen sind die Anforderungen an Metallmaterialien in künstlichen Hüftgelenken: Streckgrenze>450Mpa; Zugfestigkeit>800Mpa; Ermüdungsfestigkeit>400Mpa; Verl?ngerungsrate>8%. Der Elastizit?tsmodul von Materialien ist normalerweise gr??er als der von Knochen, was zu unterschiedlichen Dehnungen zwischen Materialien und Knochen führt, und die relative Verschiebung an der Grenzfl?che verursacht Grenzfl?chenlockerung; Darüber hinaus erzeugt es eine Spannungsabschirmung, die funktionellen Abbau oder Absorption von Knochengewebe verursacht.
4. Verschlei?festigkeit
Verschlei?festigkeit beeinflusst die Lebensdauer implantierter Reibungsger?te; Und kann sch?dliche Metallpartikel oder Schmutz produzieren, was zu entzündlichen und toxischen Reaktionen in umliegenden Geweben führt. Verbesserungen k?nnen durch Methoden wie H?rteverh?hung und Oberfl?chenbehandlung vorgenommen werden.
Allgemeine biomedizinische Metallwerkstoffe
1. Medizinischer Edelstahl
Die wichtigste chemische Zusammensetzung des medizinischen Edelstahls ist {316, 36L, 317L}; In Anwendungen sind Lochfra?- und Grenzfl?chenkorrosion anf?llig, was zu einer schlechten Langzeitstabilit?t führt; Gel?ste bestimmte Ionen k?nnen Tumorbildung induzieren; Schlechte mechanische Vertr?glichkeit und keine biologische Aktivit?t.
2. Legierung auf medizinischer Kobaltbasis
Die wichtigsten chemischen Komponenten sind Co Cr Mo, Co Cr W-Ni, etc. Die Korrosionsbest?ndigkeit ist mehrmals h?her als die von Edelstahl, und es gibt im Allgemeinen keine offensichtliche Gewebereaktion. Da die Grenzfl?chenlockerungsrate 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 h?ufigsten verwendeten implantierten Metall-Biomaterialien mit niedriger Dichte, hoher spezifischer Festigkeit, niedrigem Elastizit?tsmodul, besserer Korrosionsbest?ndigkeit und Ermüdungsbest?ndigkeit als Edelstahl und Kobaltlegierungen. Sie haben eine gute Biokompatibilit?t, aber niedrige H?rte, schlechte Reibungswiderstand, weniger ideale Ermüdungs- und Bruchz?higkeit, immer noch hohen Elastizit?tsmodul und enthalten giftige Elemente in der Legierung. Entsprechend den Eigenschaften der Legierung werden Titanlegierungen haupts?chlich 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 K?rper, mit guter Absorption und Biokompatibilit?t. Bei orthop?dischen Implantaten hat es einen Dichte- und Elastizit?tsmodul ?hnlich dem Knochen. Magnesiumlegierung hat auch eine kontrollierbare Korrosionsrate, die gro?e Anwendungsaussichten in der kardiovaskul?ren Implantation und Knochenreparatur hat. Die aktuelle Forschung an Magnesiumlegierungen umfasst haupts?chlich WE43, AZ31, Mg Ca, MgZnCa usw. Magnesiumlegierungen leiden haupts?chlich unter Problemen wie überm??iger 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 Stabilit?t 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 Stabilit?t und physiologische Korrosionsbest?ndigkeit. Oxide werden grunds?tzlich nicht absorbiert und zeigen keine toxischen Reaktionen. Sie k?nnen in Kombination mit anderen Metallen verwendet werden, ohne deren Oberfl?chenoxidfilm zu besch?digen. Und es weist eine gute Biokompatibilit?t auf, aber seine Anwendung ist auch aufgrund seines hohen Preises begrenzt.
Formged?chtnislegierung ist eine neue Art von medizinischem Biomaterial. Die wichtigsten Formged?chtnislegierungen, die in der klinischen Praxis verwendet werden, sind Nickel-Titan-Formged?chtnislegierungen. Medizinische Nickel-Titan-Formged?chtnislegierungen haben Formged?chtniseigenschaften und Superelastizit?t in der Phasenübergangszone. Sie sind bei niedrigen Temperaturen relativ weich und k?nnen sich verformen. Wenn sie auf K?rpertemperatur erhitzt werden, kehren sie sofort in ihre ursprüngliche Form zurück und erzeugen nachhaltige und schonende Wiederherstellungskraft. Zu diesem Zeitpunkt ist das Material h?rter und elastischer, was eine korrigierende oder unterstützende Rolle spielen kann. Es hat eine vergleichbare Biokompatibilit?t mit Edelstahl und Titanlegierungen. Seine ausgezeichnete Biokompatibilit?t, Korrosionsbest?ndigkeit, Verschlei?festigkeit und Nichttoxizit?t sind als die neuen Funktionsmaterialien des 21sten Jahrhunderts bekannt. Nickel-Ionen in Nickel-Titan-Speicherlegierungen k?nnen jedoch diffundieren und in umliegende Gewebe eindringen, was zu unerwünschten Reaktionen führt. Medizinische Formged?chtnislegierungen werden haupts?chlich in der plastischen Chirurgie und Zahnmedizin verwendet. Das beste Beispiel für die Verwendung von Nickel-Titan-Speicherlegierungen sind selbstexpandierende Stents, insbesondere kardiovaskul?re 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 Verschlei? beeinflusst. Medizinische Metallmaterialien enthalten eine betr?chtliche Menge an Legierungselementen, aber ihre zul?ssigen Konzentrationen im menschlichen K?rper sind sehr niedrig. Diese Legierungselemente weisen oft starke negative Ladungen auf, die ihre elektronischen Valenzzust?nde ?ndern und sich mit organischen oder anorganischen Substanzen in lebenden Organismen zu komplexen chemischen Verbindungen verbinden k?nnen (von denen einige starke Toxizit?t enthalten). Darüber hinaus k?nnen Korrosion, Verschlei? und andere Faktoren zur Aufl?sung von Metallionen und Metall führen, nachdem Metallmaterialien in den menschlichen K?rper implantiert wurden; Ionen, die in Gewebeflüssigkeit eindringen, k?nnen bestimmte biologische Reaktionen ausl?sen, wie Gewebereaktionen, Blutreaktionen und systemische Reaktionen, die sich als ?deme, Thromboembolie, Infektionen und Tumoren manifestieren.

Darüber hinaus ist im menschlichen Blut aufgrund der negativen Ladung von Blutpl?ttchen, Zellen und Proteinen, w?hrend Metallionen normalerweise eine positive Ladung haben, die Ausf?llung einer gro?en Anzahl von Metallionen im Blut auch anf?llig für die Bildung von Blutgerinnseln. Unter den wesentlichen Spurenelementen für den menschlichen K?rper, wie Eisen (Fe), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybd?n (Mo) und Kobalt (Co), Nickel, Kobalt und Chromionen haben signifikante Toxizit?t und Sensibilisierungsreaktionen für den menschlichen K?rper. 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 k?nnen. Die langj?hrigen Fragen der Nickelallergie und Nickelkarzinogenese in der Wissenschaft haben erst in den letzten Jahrzehnten von verschiedenen L?ndern Beachtung gefunden. Die Beschr?nkungen des Nickelgehalts in t?glichen und medizinischen Metallwerkstoffen sind immer strenger geworden, und auch der maximal zul?ssige Nickelgehalt in Standarddokumenten sinkt. Diese Tendenz zeigt sich deutlich an den Normen des Europ?ischen Parlaments, die in den Jahren 1973, 1988 und 1994 ver?ffentlicht 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 Toxizit?t und Allergien für den menschlichen K?rper verursachen k?nnen.