I. Definitie en toepassingen van medische metalen materialen
Medische metalen materialen, ook bekend als chirurgische implantaatmetaalmaterialen, worden voornamelijk gebruikt voor diagnose, behandeling en weefselvervanging of -verbetering in het menselijk lichaam. Hoewel de ontwikkeling van metalen medische materialen de afgelopen twintig jaar langzamer is gegaan dan die van biomedische materialen zoals polymeren, composieten, hybriden en derivaten, bieden ze talloze onvervangbare eigenschappen die andere medische materialen niet kunnen evenaren, waaronder hoge sterkte, goede taaiheid, weerstand tegen buigvermoeidheid en uitstekende verwerkingseigenschappen. Dit zijn de meest gebruikte dragende implantaatmaterialen- in klinische toepassingen. Met de ontwikkeling van de 3D-printtechnologie van metaal hebben metalen medische materialen een bredere toepassing gekregen, met als belangrijkste toepassingen breukfixatieplaten, schroeven, kunstmatige gewrichten en tandheelkundige implantaten.
II. Veelgebruikte metalen medische materialen
De belangrijkste metaalmaterialen die in klinische medische toepassingen worden gebruikt, zijn onder meer roestvrij staal, kobaltlegeringen, titaniumlegeringen, legeringen met vormgeheugen, edelmetalen en zuivere metalen zoals tantaal, niobium en zirkonium.
1. Roestvrij staal
Medisch roestvrij staal (roestvrij staal als biomedisch materiaal) is een op ijzer-gebaseerde, corrosie-bestendige legering en een van de vroegst ontwikkelde biomedische legeringen. Het wordt gekenmerkt door gemakkelijke verwerking en lage kosten. Door roestvrij staal koud te laten vormen, wordt niet alleen de vloeigrens verhoogd, maar wordt de legering ook sterker tegen roest, wat op zijn beurt de kans op een vermoeidheidsbreuk verkleint. Als je naar de microstructuur kijkt, zijn de soorten roestvrij staal austenitisch, ferritisch, martensitisch of door precipitatie gehard-gehard. Het is geen verrassing dat deze staalsoorten standaarduitrusting zijn geworden in de medische wereld; je vindt ze gesmeed tot chirurgische messen, de sub-rail van een schaarblad, de kaken van een hemostaat en het lichaam van een holle naald. Naast handinstrumenten wordt roestvast staal ook gebruikt in implanteerbare toepassingen, waaronder kunstmatige gewrichten, plaat- en schroeffixators, orthodontische boogdraadsteunen en klepbehuizingen van mechanische hartklepapparaten. Onder deze gebruiksmethoden domineren de austenitische kwaliteiten 316L en 317L, met een extra-laag koolstofgehalte om carbideprecipitatie op de korrelgrens te minimaliseren. De schriftelijke specificatie voor deze legeringen werd voor het eerst gepubliceerd in de herziening van 1987 van de ISO-norm voor implanteerbare metalen materialen, ISO 5832 en ISO 7153. In navolging van het internationale corpus werd in 1990 een nationale norm in mijn land, GB 12417, opgesteld en in 1991 aangenomen.
De biocompatibiliteit en aanverwante kwesties van medisch roestvrij staal betreffen voornamelijk weefselreacties veroorzaakt door het oplossen van metaalionen als gevolg van corrosie of slijtage na implantatie. Uitgebreide klinische gegevens tonen aan dat corrosie van medisch roestvrij staal resulteert in een slechte -termijnstabiliteit van het implantaat. Bovendien verschillen de dichtheid en elasticiteitsmodulus aanzienlijk van die van menselijk hard weefsel, wat resulteert in een slechte mechanische compatibiliteit. Corrosie kan ervoor zorgen dat metaalionen of andere verbindingen omliggende weefsels of het lichaam als geheel binnendringen, wat mogelijk kan leiden tot ongunstige histologische reacties zoals oedeem, infectie en weefselnecrose, resulterend in pijn en allergische reacties. Met name het oplossen van nikkelionen uit roestvrij staal kan ernstige pathologische veranderingen veroorzaken (het veelgebruikte austenitische medische roestvrij staal bevat ongeveer 10% nikkel). De afgelopen jaren zijn geleidelijk medische roestvaste staalsoorten met een laag-nikkel- en nikkel-gehalte ontwikkeld en toegepast.
2. Kobaltlegeringen
Kobaltlegeringen (op Co-gebaseerde legeringen als biomedische materialen) worden ook vaak gebruikt in medische toepassingen. Vergeleken met roestvrij staal zijn ze geschikter voor de vervaardiging van implantaten op lange- termijn die onderhevig zijn aan veeleisende belastingen in het lichaam, met een corrosieweerstand die 40 keer groter is dan die van roestvrij staal. De eerste kobalt-metaallegering die doelbewust voor de geneeskunde werd ontwikkeld, was kobalt-chroom-molybdeen, een mengsel dat afkoelt tot een stabiele austenitische structuur. Toen, aan het eind van de jaren zeventig, ontstond er een golf van nieuwe opties, met name een gesmeed kobalt-nikkel-chroom-aluminium-wolfraam-ijzermutant die superieure weerstand tegen vermoeidheid vertoont, en de MP35N-variant, die de kern van kobalt-nikkel-chroom-aluminium behoudt en toch thermomechanisch austenitiseert tot een complexe meerfasige microstructuur. Klinische kobaltarmere austenitische matrix- en kobalt-nikkelvarianten blinken sindsdien uit in prothetische engineering.Ze vormen de stelen en cups van op kobalt-chroom Mo-gebaseerde kunstheupen, de scharnierende oppervlakken van knieën van kobalt-chroomlegeringen, en orthopedische bevestigingsmiddelen, waaronder beplating voor onstabiele fracturen, verkeers-naadschroeven en op-geperste botpennen. Momenteel worden gegoten kobalt-chroom-aluminiumlegeringen het meest gebruikt en deze zijn opgenomen in de ISO 5582/4-norm. In 1990 nam mijn land het op in de nationale norm GB12417.
Kobaltlegeringen blijven doorgaans in een passieve toestand in het menselijk lichaam en corroderen zelden. Vergeleken met roestvrij staal is hun passieve film stabieler en corrosiebestendiger-. Ze bieden ook de beste slijtvastheid van alle medische metalen materialen, waarvan algemeen wordt aangenomen dat ze na implantatie geen merkbare histologische reacties veroorzaken. Vanwege hun hoge kosten vertonen kunstmatige heupgewrichten gemaakt van kobaltlegeringen echter een hoge mate van loslating in vivo als gevolg van het vrijkomen van Co- en Ni-ionen veroorzaakt door metaalslijtage en corrosie. Bovendien vormen de neergeslagen Co- en Ni-elementen biologische uitdagingen, zoals ernstige allergeniciteit, die in vivo gemakkelijk cel- en weefselnecrose kunnen veroorzaken, wat leidt tot pijn, loskomen van de gewrichten en zinken. Bijgevolg is de toepassing ervan beperkt. De afgelopen jaren zijn technieken voor oppervlaktemodificatie gebruikt om de oppervlakte-eigenschappen van kobaltlegeringen te verbeteren, waardoor hun klinische effectiviteit effectief wordt vergroot.
3. Titaniumlegeringen
Op Ti-gebaseerde legeringen behoren als biomedische materialen tot de meest biocompatibele metalen die we kennen. Sinds de jaren veertig hebben titanium en titaniumlegeringen geleidelijk aan toepassing gekregen in de klinische geneeskunde. In 1951 begonnen mensen puur titanium te gebruiken om botplaten en schroeven te maken. Halverwege de jaren zeventig begonnen titanium en titaniumlegeringen een wijdverbreide medische toepassing te krijgen en werden ze een van de meest veelbelovende medische materialen. Momenteel worden titanium en titaniumlegeringen voornamelijk gebruikt in de orthopedie, vooral bij de reconstructie van ledematen en schedel. Ze worden gebruikt voor het maken van verschillende apparaten voor het fixeren van fracturen, kunstmatige gewrichten, schedelkappen en dura mater, kunstmatige hartkleppen, tanden, tandvlees, borgringen en kronen. De meest gebruikte titaniumlegering in medische toepassingen is TC4 (Ti-6Al-4V). Deze legering heeft bij kamertemperatuur een + tweefasenstructuur. De sterkte en andere mechanische eigenschappen kunnen aanzienlijk worden verbeterd door oplossingsbehandeling en veroudering.
De dichtheid van titanium en zijn legeringen is ongeveer 4,5 g/cm³, ongeveer de helft van die van roestvrij staal en kobaltlegeringen, en benadert die van menselijk hard weefsel. Bovendien overtreffen hun biocompatibiliteit, corrosieweerstand en vermoeidheidsweerstand die van roestvrij staal en kobaltlegeringen, waardoor ze momenteel de beste medische metaalmaterialen zijn. De affiniteit van titanium en zijn legeringen voor het menselijk lichaam komt voort uit de dichte titaniumoxide (TiO2) passivatiefilm op hun oppervlakken, die, na implantatie, de afzetting van calcium- en fosforionen in lichaamsvloeistoffen induceert om apatiet te vormen. Deze vertonen een zekere mate van bioactiviteit en botbinding, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor intraossale implantatie. De nadelen van titanium en zijn legeringen zijn echter hun lage hardheid en slechte slijtvastheid. Als er slijtage optreedt, wordt eerst de oxidefilm vernietigd, gevolgd door het vrijkomen van slijtagedeeltjes, corrosieproducten die het menselijk weefsel binnendringen. Met name het giftige vanadium (V) in de Ti-6Al-4V-legering kan implantaatfalen veroorzaken. Om de slijtvastheid van titanium en zijn legeringen te verbeteren, kan ionenaminering of ionenimplantatie bij hoge temperaturen worden gebruikt om de slijtvastheid van het oppervlak te verbeteren. De afgelopen jaren zijn er enkele nieuwe titaniumlegeringen (voornamelijk legeringen van het type) ontwikkeld, die allemaal gericht zijn op het verminderen van elementen die schadelijk zijn voor het menselijk lichaam, waardoor de biocompatibiliteit van titaniumlegeringen effectief wordt verbeterd.
4. Legeringen met vormgeheugen
Onderzoek naar medische vormgeheugenlegeringen (SMA's) als biomedische materialen begon in de jaren zeventig en kreeg al snel wijdverspreide toepassing. De meest gebruikte SMA in de klinische praktijk is nikkel-titanium SMA. De hersteltemperatuur van het vormgeheugen van medische SMA's is 36 ± 2 graden, wat overeenkomt met de menselijke lichaamstemperatuur en een vergelijkbare biocompatibiliteit vertoont met titaniumlegeringen. Omdat SMA's echter een grote hoeveelheid nikkel bevatten, kan een onjuiste oppervlaktebehandeling ervoor zorgen dat nikkelionen diffunderen en omliggende weefsels binnendringen, waardoor cel- en weefselnecrose ontstaat. Medische SMA's worden voornamelijk gebruikt in de plastische chirurgie en tandheelkunde. Zelfexpanderende stents, met name cardiovasculaire stents, zijn een goed voorbeeld van hun toepassing.
5. Edelmetalen en zuivere metalen: tantaal, niobium en zirkonium
Medische edelmetalen verwijzen naar goud, zilver, platina en hun legeringen die worden gebruikt als biomedische materialen. Edelmetalen hebben uitstekende biocompatibiliteit, sterke oxidatie- en corrosieweerstand, unieke fysische en chemische stabiliteit, uitstekende verwerkingseigenschappen en zijn niet-giftig voor menselijk weefsel. Ze worden gebruikt bij tandrestauraties, schedelreparaties, implanteerbare elektronische apparaten, neurale prothesen, apparaten voor auriculaire en diafragmatische zenuwstimulatie, apparaten voor visuele zenuwen en pacemakerelektroden.
Tantaal voor tandheelkundige restauraties heeft een uitstekende chemische stabiliteit en weerstand tegen fysiologische corrosie. Tantaaloxide wordt in wezen niet geabsorbeerd en is niet-giftig. Tantaal kan worden gecombineerd met andere metalen zonder de oxidefilm aan het oppervlak te beschadigen. In de dagelijkse klinische praktijk lijkt het mogelijk om metalen te binden en tegelijkertijd verstoring van de continue oxidelaag die hun oppervlakken passief maakt, te vermijden. Omdat tantaal, niobium en zirkonium zowel microstructuur- als reactiviteitsprofielen vertonen die nauw aansluiten bij die van titanium, zijn ze geëvalueerd voor diverse implantaattoepassingen, variërend van geïnstrumenteerde bottransplantaten en met schroeven-vastgehouden tandwortels tot scharnierende secties van verwijderbare kunstgebitten, dun- vasculaire stents en het brede spectrum aan apparaten zoals temperatuurgemoduleerde- totale kunstmatige harten. Niettemin blijft de jacht op deze metalen in de routinepraktijk beperkt; hun inherente verfijning en fabricage-economie positioneren ze ver buiten de budgetten van de meeste implantaatmarges.
