I. Definition und Anwendungen medizinischer Metallmaterialien
Medizinische Metallmaterialien, auch Metallmaterialien für chirurgische Implantate genannt, werden hauptsächlich für Diagnose, Behandlung und Gewebeersatz oder -verbesserung im menschlichen Körper verwendet. Während die Entwicklung medizinischer Metallmaterialien in den letzten 20 Jahren langsamer verlief als die biomedizinischer Materialien wie Polymere, Verbundwerkstoffe, Hybride und Derivate, bieten sie zahlreiche unersetzliche Eigenschaften, mit denen andere medizinische Materialien nicht mithalten können, darunter hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, Biegeermüdungsbeständigkeit und hervorragende Verarbeitungseigenschaften. Sie sind die am häufigsten verwendeten tragenden Implantatmaterialien in klinischen Anwendungen. Mit der Entwicklung der Metall-3D-Drucktechnologie haben medizinische Metallmaterialien eine breitere Anwendung gefunden, wobei die wichtigsten Anwendungen Frakturfixierungsplatten, Schrauben, künstliche Gelenke und Zahnimplantate umfassen.
II. Häufig verwendete medizinische Metallmaterialien
Zu den wichtigsten Metallmaterialien, die in klinisch-medizinischen Anwendungen verwendet werden, gehören Edelstahl, Kobaltlegierungen, Titanlegierungen, Formgedächtnislegierungen, Edelmetalle und reine Metalle wie Tantal, Niob und Zirkonium.
1. Edelstahl
Medizinischer Edelstahl (Edelstahl als biomedizinisches Material) ist eine korrosionsbeständige Legierung auf Eisenbasis-und eine der frühesten entwickelten biomedizinischen Legierungen. Es zeichnet sich durch einfache Verarbeitung und geringe Kosten aus. Die Kaltumformung von rostfreiem Stahl erhöht nicht nur die Streckgrenze, sondern macht die Legierung auch widerstandsfähiger gegen Rost, was wiederum die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein Ermüdungsbruch auftritt. Wenn man sich die Mikrostruktur ansieht, gibt es bei den rostfreien Stählen austenitische, ferritische, martensitische oder ausscheidungsgehärtete Sorten. Kein Wunder, dass diese Stähle in der medizinischen Welt zur Standardausrüstung geworden sind. Sie finden sie in chirurgische Messer geschmiedet, die Unterschiene einer Scherenklinge, die Backen eines Hämostats und den Körper einer Hohlnadel. Über Handinstrumente hinaus werden rostfreie Stähle auch in implantierbaren Anwendungen eingesetzt, darunter künstliche Gelenke, Platten- und Schraubenfixatoren, kieferorthopädische Bogenstützen und Klappengehäuse mechanischer Herzklappengeräte. Unter diesen Verwendungsmethoden dominieren die austenitischen Sorten 316L und 317L, die einen besonders niedrigen Kohlenstoffgehalt haben, um die Karbidausfällung an den Korngrenzen zu minimieren. Eine schriftliche Spezifikation für diese Legierungen wurde erstmals 1987 in der Überarbeitung der ISO-Norm für implantierbare Metallmaterialien ISO 5832 und ISO 7153 veröffentlicht. Im Anschluss an den internationalen Korpus wurde 1990 in meinem Land eine nationale Norm, GB 12417, entworfen und 1991 verabschiedet.
Die Biokompatibilität und die damit verbundenen Probleme von medizinischem Edelstahl betreffen in erster Linie Gewebereaktionen, die durch die Auflösung von Metallionen aufgrund von Korrosion oder Verschleiß nach der Implantation verursacht werden. Umfangreiche klinische Daten zeigen, dass Korrosion von medizinischem Edelstahl zu einer schlechten Langzeitstabilität des Implantats führt. Darüber hinaus unterscheiden sich Dichte und Elastizitätsmodul erheblich von denen des menschlichen Hartgewebes, was zu einer schlechten mechanischen Verträglichkeit führt. Korrosion kann dazu führen, dass Metallionen oder andere Verbindungen in das umliegende Gewebe oder den gesamten Körper gelangen und möglicherweise zu unerwünschten histologischen Reaktionen wie Ödemen, Infektionen und Gewebenekrose führen, die zu Schmerzen und allergischen Reaktionen führen können. Insbesondere die Auflösung von Nickelionen aus Edelstahl kann schwerwiegende pathologische Veränderungen verursachen (üblicherweise verwendeter austenitischer medizinischer Edelstahl enthält etwa 10 % Nickel). In den letzten Jahren wurden schrittweise nickelarme und nickelfreie medizinische Edelstähle entwickelt und eingesetzt.
2. Kobaltlegierungen
Kobaltlegierungen (Co-basierte Legierungen als biomedizinische Materialien) werden auch häufig in medizinischen Anwendungen verwendet. Im Vergleich zu Edelstahl eignen sie sich besser für die Herstellung von Langzeitimplantaten, die hohen Belastungen im Körper ausgesetzt sind, und weisen eine 40-mal höhere Korrosionsbeständigkeit als Edelstahl auf. Die erste Kobalt-{5}}-Metalllegierung, die speziell für die Medizin entwickelt wurde, war Kobalt-Chrom-Molybdän, eine Mischung, die beim Abkühlen eine stabile austenitische Struktur bildet. Dann, in den späten 1970er Jahren, tauchte eine Flut neuer Optionen auf, insbesondere eine geschmiedete Kobalt-Nickel-Chrom-Aluminium-Wolfram-Eisen-Mutante, die eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit aufweist, und die MP35N-Variante, die den Kobalt-Nickel-Chrom-Aluminium-Kern beibehält, sich aber thermomechanisch zu einer komplexen mehrphasigen Mikrostruktur austenitisiert. Klinisch kobaltärmere austenitische Matrix- und Kobalt-Nickel-Varianten haben sich seitdem in der Prothetiktechnik hervorgetan.Sie formen die Stiele und Pfannen von künstlichen Hüften auf Kobalt-Chrom-Mo{0}}-Basis, die Gelenkflächen von Knien aus Kobalt-Chrom-Legierung und orthopädische Befestigungsvorrichtungen, zu denen Beschichtungen für instabile Frakturen, Verkehrsnahtschrauben und eingepresste Knochenstifte gehören. Derzeit werden Gusslegierungen aus Kobalt-Chrom-Aluminium am häufigsten verwendet und sind in der Norm ISO 5582/4 enthalten. 1990 hat mein Land es in die nationale Norm GB12417 aufgenommen.
Kobaltlegierungen bleiben im menschlichen Körper typischerweise in einem passiven Zustand und korrodieren selten. Im Vergleich zu Edelstahl ist ihr Passivfilm stabiler und korrosionsbeständiger. Sie bieten außerdem die beste Verschleißfestigkeit aller medizinischen Metallmaterialien, von denen allgemein angenommen wird, dass sie nach der Implantation keine erkennbaren histologischen Reaktionen hervorrufen. Aufgrund ihrer hohen Kosten weisen künstliche Hüftgelenke aus Kobaltlegierungen jedoch in vivo eine hohe Lockerungsrate aufgrund der Freisetzung von Co- und Ni-Ionen auf, die durch Metallverschleiß und Korrosion verursacht werden. Darüber hinaus stellen die ausgefällten Co- und Ni-Elemente biologische Herausforderungen dar, wie z. B. eine schwere Allergenität, die in vivo leicht zu Zell- und Gewebenekrose führen kann, was zu Schmerzen, Gelenklockerung und Einsinken führt. Folglich war ihre Anwendung begrenzt. In den letzten Jahren wurden Oberflächenmodifikationstechniken eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften von Kobaltlegierungen zu verbessern und so deren klinische Wirksamkeit effektiv zu steigern.
3. Titanlegierungen
Legierungen auf Ti--Basis gehören als biomedizinische Materialien zu den bioverträglichsten Metallen, die bekannt sind. Seit den 1940er Jahren finden Titan und Titanlegierungen nach und nach Anwendung in der klinischen Medizin. Im Jahr 1951 begann der Mensch, reines Titan zur Herstellung von Knochenplatten und Schrauben zu verwenden. Mitte der 1570er-Jahre begannen Titan und Titanlegierungen in der Medizin weitverbreitete Anwendung zu finden und wurden zu einem der vielversprechendsten medizinischen Materialien. Derzeit werden Titan und Titanlegierungen vor allem in der Orthopädie eingesetzt, insbesondere bei der Rekonstruktion von Gliedmaßen und Schädeln. Sie werden zur Herstellung verschiedener Geräte zur Frakturfixierung, künstlicher Gelenke, Schädelkappen und Dura mater, künstlicher Herzklappen, Zähne, Zahnfleisch, Sicherungsringe und Kronen verwendet. Die in medizinischen Anwendungen am häufigsten verwendete Titanlegierung ist TC4 (Ti-6Al-4V). Diese Legierung hat bei Raumtemperatur eine + zweiphasige Struktur. Seine Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften können durch Lösungsbehandlung und Alterung deutlich verbessert werden.
Die Dichte von Titan und seinen Legierungen beträgt etwa 4,5 g/cm³, etwa halb so viel wie die von Edelstahl und Kobaltlegierungen, und nähert sich der von menschlichem Hartgewebe. Darüber hinaus übertreffen ihre Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit die von Edelstahl und Kobaltlegierungen, was sie derzeit zu den besten medizinischen Metallmaterialien macht. Die Affinität von Titan und seinen Legierungen für den menschlichen Körper beruht auf dem dichten Passivierungsfilm aus Titanoxid (TiO2) auf ihren Oberflächen, der nach der Implantation die Ablagerung von Kalzium- und Phosphorionen in Körperflüssigkeiten unter Bildung von Apatit induziert. Diese weisen ein gewisses Maß an Bioaktivität und Knochenbindung auf und eignen sich daher besonders für die intraossäre Implantation. Die Nachteile von Titan und seinen Legierungen sind jedoch die geringe Härte und die geringe Verschleißfestigkeit. Tritt Verschleiß auf, wird zunächst der Oxidfilm zerstört, anschließend werden Verschleißpartikel und Korrosionsprodukte freigesetzt, die in das menschliche Gewebe gelangen. Insbesondere das giftige Vanadium (V) in der Ti-6Al-4V-Legierung kann zum Versagen des Implantats führen. Um die Verschleißfestigkeit von Titan und seinen Legierungen zu verbessern, kann die Oberflächenverschleißfestigkeit durch Hochtemperatur-Ionenaminierung oder Ionenimplantation verbessert werden. In den letzten Jahren wurden einige neue Titanlegierungen (hauptsächlich Legierungen vom Typ -) entwickelt, die sich alle darauf konzentrieren, für den menschlichen Körper schädliche Elemente zu reduzieren und so die Biokompatibilität von Titanlegierungen wirksam zu verbessern.
4. Formgedächtnislegierungen
Die Forschung zu medizinischen Formgedächtnislegierungen (SMAs) als biomedizinische Materialien begann in den 1970er Jahren und fand schnell breite Anwendung. Das in der klinischen Praxis am häufigsten verwendete SMA ist Nickel-Titan-SMA. Die Formgedächtnis-Erholungstemperatur von medizinischen SMAs beträgt 36 ± 2 Grad, was der menschlichen Körpertemperatur entspricht und eine mit Titanlegierungen vergleichbare Biokompatibilität aufweist. Da SMAs jedoch eine große Menge Nickel enthalten, kann eine unsachgemäße Oberflächenbehandlung dazu führen, dass Nickelionen diffundieren und in das umliegende Gewebe eindringen, was zu Zell- und Gewebenekrose führt. Medizinische SMAs werden vor allem in der plastischen Chirurgie und Zahnmedizin eingesetzt. Ein Paradebeispiel für ihre Anwendung sind selbstexpandierende Stents, insbesondere Herz-Kreislauf-Stents.
5. Edelmetalle und reine Metalle: Tantal, Niob und Zirkonium
Unter medizinischen Edelmetallen versteht man Gold, Silber, Platin und deren Legierungen, die als biomedizinische Materialien verwendet werden. Edelmetalle verfügen über eine hervorragende Biokompatibilität, eine starke Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, eine einzigartige physikalische und chemische Stabilität, hervorragende Verarbeitungseigenschaften und sind für menschliches Gewebe ungiftig. Sie werden bei Zahnrestaurationen, Schädelreparaturen, implantierbaren elektronischen Geräten, Nervenprothesen, Geräten zur Stimulation des Ohr- und Zwerchfellnervs, Geräten für Sehnerven und Herzschrittmacherelektroden verwendet.
Tantal für Zahnrestaurationen weist eine ausgezeichnete chemische Stabilität und Beständigkeit gegenüber physiologischer Korrosion auf. Tantaloxid wird im Wesentlichen nicht absorbiert und ist ungiftig. Tantal kann mit anderen Metallen kombiniert werden, ohne den Oberflächenoxidfilm zu beschädigen. Im klinischen Alltag scheint es möglich zu sein, Metalle zu verbinden und gleichzeitig eine Zerstörung der kontinuierlichen Oxidschicht, die ihre Oberflächen passiviert, zu vermeiden. Da Tantal, Niob und Zirkonium sowohl Mikrostruktur als auch Reaktivitätsprofile aufweisen, die denen von Titan sehr ähnlich sind, wurden sie für verschiedene Implantatanwendungen evaluiert, die von instrumentierten Knochentransplantaten und verschraubten Zahnwurzeln bis hin zu Scharnierabschnitten herausnehmbarer Prothesen, dünnwandigen Gefäßstents und dem breiten Spektrum an Geräten wie temperaturmodulierten künstlichen Herzen reichen. Dennoch bleibt die Verfolgung dieser Metalle in der Routinepraxis begrenzt; Aufgrund ihrer inhärenten Verfeinerung und wirtschaftlichen Herstellung liegen sie weit über den Budgets der meisten Implantathersteller.
