I. Định nghĩa và ứng dụng của vật liệu kim loại y tế
Vật liệu kim loại y tế, còn được gọi là vật liệu kim loại cấy ghép phẫu thuật, chủ yếu được sử dụng để chẩn đoán, điều trị và thay thế hoặc nâng cao mô trong cơ thể con người. Trong 20 năm qua, mặc dù sự phát triển của vật liệu y tế kim loại chậm hơn so với vật liệu y sinh như polyme, vật liệu tổng hợp, vật liệu lai và các dẫn xuất, nhưng chúng mang lại nhiều đặc tính không thể thay thế mà các vật liệu y tế khác không thể sánh được, bao gồm độ bền cao, độ dẻo dai tốt, khả năng chống mỏi khi uốn và đặc tính xử lý tuyệt vời. Chúng là vật liệu cấy ghép chịu tải-được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng lâm sàng. Với sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại, vật liệu y tế bằng kim loại đã được ứng dụng rộng rãi hơn, với các ứng dụng quan trọng nhất bao gồm tấm cố định gãy xương, ốc vít, khớp nhân tạo và cấy ghép nha khoa.
II. Vật liệu y tế bằng kim loại thường được sử dụng
Các vật liệu kim loại chính được sử dụng trong các ứng dụng y tế lâm sàng bao gồm thép không gỉ, hợp kim coban, hợp kim titan, hợp kim ghi nhớ hình dạng, kim loại quý và kim loại nguyên chất như tantalum, niobium và zirconium.
1. Thép không gỉ
Thép không gỉ y tế (Thép không gỉ làm vật liệu y sinh) là hợp kim chống ăn mòn- gốc sắt và là một trong những hợp kim y sinh sớm nhất được phát triển. Nó được đặc trưng bởi sự dễ dàng xử lý và chi phí thấp. Việc gia công nguội tạo hình thép không gỉ không chỉ tăng cường độ dẻo mà còn tăng độ cứng cho hợp kim chống rỉ sét, từ đó làm giảm nguy cơ hình thành vết nứt do mỏi. Khi bạn xem xét cấu trúc vi mô, các loại thép không gỉ được xếp thành các loại cứng austenit, ferritic, martensitic hoặc kết tủa-. Không có gì ngạc nhiên khi những loại thép này đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong thế giới y tế; bạn sẽ thấy chúng được rèn thành dao phẫu thuật, thanh ray phụ trên lưỡi kéo, hàm của dụng cụ cầm máu và thân của một chiếc kim rỗng. Ngoài dụng cụ cầm tay, thép không gỉ còn phục vụ trong các ứng dụng cấy ghép, bao gồm khớp nhân tạo, tấm cố định và vít, giá đỡ dây cung chỉnh nha và vỏ van của thiết bị van tim cơ học. Trong số các phương pháp tiện ích này, các loại austenit 316L và 317L, có hàm lượng cacbon cực thấp-để giảm thiểu kết tủa cacbua ở ranh giới hạt, chiếm ưu thế. Thông số kỹ thuật bằng văn bản cho các hợp kim này được xuất bản lần đầu tiên trong bản sửa đổi năm 1987 của tiêu chuẩn ISO dành cho vật liệu kim loại cấy ghép, ISO 5832 và ISO 7153. Theo tập hợp quốc tế, một tiêu chuẩn quốc gia ở nước tôi, GB 12417, được soạn thảo vào năm 1990 và được thông qua vào năm 1991.
Khả năng tương thích sinh học và các vấn đề liên quan của thép không gỉ y tế chủ yếu liên quan đến phản ứng mô do sự hòa tan ion kim loại do ăn mòn hoặc mài mòn sau khi cấy ghép. Dữ liệu lâm sàng mở rộng chứng minh rằng sự ăn mòn của thép không gỉ y tế dẫn đến độ ổn định lâu dài của bộ cấy ghép- kém. Hơn nữa, mật độ và mô đun đàn hồi của nó khác biệt đáng kể so với mô cứng của con người, dẫn đến khả năng tương thích cơ học kém. Sự ăn mòn có thể khiến các ion kim loại hoặc các hợp chất khác xâm nhập vào các mô xung quanh hoặc toàn bộ cơ thể, có khả năng dẫn đến các phản ứng mô học bất lợi như phù nề, nhiễm trùng và hoại tử mô, dẫn đến đau đớn và phản ứng dị ứng. Đặc biệt, sự hòa tan ion niken từ thép không gỉ có thể gây ra những thay đổi bệnh lý nghiêm trọng (thép không gỉ y tế austenit thường được sử dụng có chứa khoảng 10% niken). Trong những năm gần đây, thép không gỉ y tế không chứa niken và niken{8}}có hàm lượng thấp dần dần được phát triển và ứng dụng.
2. Hợp kim coban
Hợp kim coban (Hợp kim dựa trên Co-làm vật liệu y sinh) cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng y tế. So với thép không gỉ, chúng phù hợp hơn để sản xuất bộ cấy dài hạn-chịu tải trọng lớn trong cơ thể, với khả năng chống ăn mòn cao hơn 40 lần so với thép không gỉ. Hợp kim kim loại coban-đầu tiên được thiết kế dành riêng cho y học là coban–crom–molypden, một hỗn hợp nguội đến cấu trúc austenit ổn định. Sau đó, vào cuối những năm 1970, một loạt các lựa chọn mới đã xuất hiện, đáng chú ý là đột biến sắt coban–niken–crom–nhôm–vonfram-được rèn cho thấy khả năng chống mỏi vượt trội và biến thể MP35N, giữ lại lõi coban-niken-crom-nhôm nhưng vẫn austenit hóa cơ nhiệt thành cấu trúc vi mô nhiều pha phức tạp. Ma trận austenit nạc coban lâm sàng và các biến thể coban-niken đã xuất sắc trong kỹ thuật chân tay giả.Chúng tạo hình thân và phần chén của hông nhân tạo dựa trên coban-crom Mo{0}}, bề mặt khớp nối của đầu gối bằng hợp kim coban-crom và các thiết bị cố định chỉnh hình, bao gồm lớp mạ dành cho các vết gãy không ổn định, vít nối đường-và ép-ghim xương vừa khít. Hiện nay, hợp kim nhôm coban{4}}crom-được sử dụng rộng rãi nhất và được đưa vào tiêu chuẩn ISO 5582/4. Năm 1990, nước tôi đã đưa nó vào tiêu chuẩn quốc gia GB12417.
Hợp kim coban thường tồn tại ở trạng thái thụ động trong cơ thể con người, hiếm khi bị ăn mòn. So với thép không gỉ, màng thụ động của chúng ổn định hơn và có khả năng chống ăn mòn- tốt hơn. Chúng cũng có khả năng chống mài mòn tốt nhất trong tất cả các vật liệu kim loại y tế, thường được cho là không tạo ra phản ứng mô học đáng chú ý sau khi cấy ghép. Tuy nhiên, do giá thành cao, khớp háng nhân tạo làm từ hợp kim coban có tỷ lệ lỏng lẻo cao trong cơ thể do giải phóng các ion Co và Ni do mài mòn và ăn mòn kim loại. Hơn nữa, các nguyên tố Co và Ni kết tủa gây ra những thách thức sinh học, chẳng hạn như gây dị ứng nghiêm trọng, có thể dễ dàng gây hoại tử tế bào và mô trong cơ thể, dẫn đến đau, lỏng khớp và lún khớp. Do đó, ứng dụng của họ bị hạn chế. Trong những năm gần đây, kỹ thuật biến đổi bề mặt đã được sử dụng để cải thiện tính chất bề mặt của hợp kim coban, nâng cao hiệu quả lâm sàng của chúng.
3. Hợp kim titan
Hợp kim dựa trên Ti{0}}làm vật liệu y sinh là một trong những kim loại tương thích sinh học nhất được biết đến. Từ những năm 1940, titan và hợp kim titan đã dần được ứng dụng trong y học lâm sàng. Năm 1951, con người bắt đầu sử dụng titan nguyên chất để chế tạo các tấm xương và ốc vít. Vào giữa{15}}những năm 1970, titan và hợp kim titan bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong y tế, trở thành một trong những vật liệu y tế hứa hẹn nhất. Hiện nay, hợp kim titan và titan chủ yếu được sử dụng trong chỉnh hình, đặc biệt là trong tái tạo chi và hộp sọ. Chúng được sử dụng để chế tạo các thiết bị cố định gãy xương khác nhau, khớp nhân tạo, mũ sọ và vật liệu màng cứng, van tim nhân tạo, răng, nướu, vòng giữ và mão răng. Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng y tế là TC4 (Ti-6Al-4V). Hợp kim này có cấu trúc + hai pha ở nhiệt độ phòng. Độ bền và các tính chất cơ học khác của nó có thể được cải thiện đáng kể thông qua xử lý dung dịch và lão hóa.
Mật độ của titan và hợp kim của nó là khoảng 4,5 g/cm³, gần bằng một nửa so với thép không gỉ và hợp kim coban, gần bằng mô cứng của con người. Hơn nữa, khả năng tương thích sinh học, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống mỏi của chúng vượt trội so với thép không gỉ và hợp kim coban, khiến chúng hiện trở thành vật liệu y tế kim loại tốt nhất. Ái lực của titan và các hợp kim của nó đối với cơ thể con người bắt nguồn từ màng thụ động titan oxit (TiO2) dày đặc trên bề mặt của chúng, sau khi cấy ghép sẽ tạo ra sự lắng đọng các ion canxi và phốt pho trong dịch cơ thể để tạo thành apatit. Điều này thể hiện mức độ hoạt tính sinh học và liên kết xương nhất định, khiến chúng đặc biệt thích hợp cho việc cấy ghép trong xương. Tuy nhiên, nhược điểm của titan và hợp kim của nó là độ cứng thấp và khả năng chống mài mòn kém. Nếu xảy ra hiện tượng mài mòn, màng oxit trước tiên sẽ bị phá hủy, sau đó giải phóng các sản phẩm ăn mòn dạng hạt xâm nhập vào mô người. Đặc biệt, vanadi (V) độc hại trong hợp kim Ti{11}}6Al{13}}4V có thể gây hư hỏng bộ cấy ghép. Để cải thiện khả năng chống mài mòn của titan và hợp kim của nó, có thể sử dụng quá trình khử ion hoặc cấy ion ở nhiệt độ cao để tăng cường khả năng chống mài mòn bề mặt của chúng. Trong những năm gần đây, một số hợp kim titan mới (chủ yếu là hợp kim loại) đã được phát triển, tất cả đều tập trung vào việc giảm các nguyên tố có hại cho cơ thể con người, cải thiện hiệu quả khả năng tương thích sinh học của hợp kim titan.
4. Hợp kim nhớ hình dạng
Nghiên cứu về hợp kim ghi nhớ hình dạng y tế (SMA) làm vật liệu y sinh bắt đầu từ những năm 1970 và nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi. SMA được sử dụng rộng rãi nhất trong thực hành lâm sàng là SMA niken{2}}titan. Nhiệt độ phục hồi bộ nhớ hình dạng của SMA y tế là 36 ± 2 độ, phù hợp với nhiệt độ cơ thể con người và thể hiện khả năng tương thích sinh học tương đương với hợp kim titan. Tuy nhiên, do SMA chứa một lượng lớn niken nên việc xử lý bề mặt không đúng cách có thể khiến ion niken khuếch tán và xâm nhập vào các mô xung quanh, gây hoại tử tế bào và mô. SMA y tế chủ yếu được sử dụng trong phẫu thuật thẩm mỹ và nha khoa. Stent-tự giãn, đặc biệt là stent tim mạch, là một ví dụ điển hình cho ứng dụng của chúng.
5. Kim loại quý và kim loại nguyên chất: Tantalum, Niobium và Zirconium
Kim loại quý y tế là vàng, bạc, bạch kim và hợp kim của chúng được sử dụng làm vật liệu y sinh. Kim loại quý có khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, khả năng chống oxy hóa và ăn mòn mạnh, tính ổn định vật lý và hóa học độc đáo, đặc tính xử lý tuyệt vời và không-độc hại đối với mô người. Chúng được sử dụng trong phục hồi răng, sửa chữa sọ não, thiết bị điện tử cấy ghép, bộ phận giả thần kinh, thiết bị kích thích thần kinh tai và cơ hoành, thiết bị thần kinh thị giác và điện cực máy điều hòa nhịp tim.
Tantalum dùng để phục hồi răng có tính ổn định hóa học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn sinh lý. Oxit tantalum về cơ bản không được hấp thụ và không{1}}độc hại. Tantalum có thể được kết hợp với các kim loại khác mà không làm hỏng màng oxit bề mặt. Trong lâm sàng hàng ngày, dường như có thể liên kết các kim loại trong khi tránh sự phá vỡ lớp oxit liên tục làm thụ động bề mặt của chúng. Bởi vì tantalum, niobium và zirconium thể hiện cả cấu trúc vi mô và cấu hình phản ứng gần giống với titan nên chúng đã được đánh giá cho các ứng dụng cấy ghép đa dạng, từ ghép xương bằng dụng cụ và chân răng được giữ lại bằng vít cho đến các phần bản lề của răng giả có thể tháo rời, stent mạch máu thành mỏng và nhiều loại thiết bị như tim nhân tạo tổng thể được điều chỉnh nhiệt độ. Tuy nhiên, việc theo đuổi những kim loại này trong hoạt động thường ngày vẫn còn hạn chế; Sự cải tiến vốn có và tính kinh tế chế tạo của chúng giúp chúng vượt xa ngân sách của hầu hết lợi nhuận của bộ phận cấy ghép.
