I. Definisi dan Aplikasi Bahan Logam Perubatan
Bahan logam perubatan, juga dikenali sebagai bahan logam implan pembedahan, digunakan terutamanya untuk diagnosis, rawatan, dan penggantian atau peningkatan tisu dalam tubuh manusia. Sepanjang 20 tahun yang lalu, walaupun pembangunan bahan perubatan logam adalah lebih perlahan daripada bahan bioperubatan seperti polimer, komposit, hibrid dan terbitan, ia menawarkan banyak sifat tidak boleh diganti yang tidak dapat dipadankan oleh bahan perubatan lain, termasuk kekuatan tinggi, keliatan yang baik, rintangan lenturan lentur dan sifat pemprosesan yang sangat baik. Ia adalah bahan implan yang paling banyak digunakan-beban dalam aplikasi klinikal. Dengan perkembangan teknologi percetakan 3D logam, bahan perubatan logam telah mendapat aplikasi yang lebih luas, dengan aplikasi yang paling penting termasuk plat penetapan patah, skru, sendi tiruan dan implan pergigian.
II. Bahan Perubatan Logam Yang Biasa Digunakan
Bahan logam utama yang digunakan dalam aplikasi perubatan klinikal termasuk keluli tahan karat, aloi kobalt, aloi titanium, aloi memori bentuk, logam berharga, dan logam tulen seperti tantalum, niobium, dan zirkonium.
1. Keluli Tahan Karat
Keluli tahan karat perubatan (Keluli Tahan Karat sebagai Bahan Bioperubatan) ialah aloi-besi, tahan kakisan-dan salah satu aloi bioperubatan terawal dibangunkan. Ia dicirikan oleh kemudahan pemprosesan dan kos rendah. Membiarkan kerja sejuk membentuk keluli tahan karat bukan sahaja meningkatkan kekuatan hasil tetapi juga menguatkan aloi terhadap karat, yang seterusnya mengurangkan kemungkinan tetapan patah keletihan masuk. Apabila anda melihat pada struktur mikro, keluli tahan karat berbaris sebagai gred austenit, ferit, martensit atau pemendakan-yang mengeras. Tidak mengejutkan, keluli ini telah menjadi gear standard dalam dunia perubatan; anda akan dapati ia ditempa menjadi pisau pembedahan, sub-rel pada bilah gunting, rahang hemostat dan badan jarum berongga. Di luar instrumen tangan, keluli tahan karat juga berfungsi dalam aplikasi boleh implan, termasuk sambungan tiruan, penyambung plat dan skru, penyokong wayar ortodontik, dan perumah injap peranti injap jantung mekanikal. Antara kaedah utiliti ini, gred austenit 316L dan 317L, yang mempunyai-kandungan karbon rendah tambahan untuk meminimumkan pemendakan karbida sempadan bijian, mendominasi. Spesifikasi bertulis untuk aloi ini pertama kali diterbitkan dalam semakan 1987 bagi standard ISO untuk bahan logam boleh implan, ISO 5832 dan ISO 7153. Mengikuti korpus antarabangsa, piawaian kebangsaan di negara saya, GB 12417, telah digubal pada tahun 1990 dan diterima pakai pada tahun 1991.
Biokeserasian dan isu berkaitan keluli tahan karat perubatan terutamanya melibatkan tindak balas tisu yang disebabkan oleh pembubaran ion logam akibat kakisan atau haus selepas implantasi. Data klinikal yang meluas menunjukkan bahawa kakisan keluli tahan karat perubatan mengakibatkan kestabilan implan-jangka panjang yang lemah. Tambahan pula, ketumpatan dan modulus keanjalannya berbeza dengan ketara daripada tisu keras manusia, mengakibatkan keserasian mekanikal yang lemah. Hakisan boleh menyebabkan ion logam atau sebatian lain memasuki tisu sekeliling atau badan secara keseluruhan, yang berpotensi membawa kepada tindak balas histologi yang buruk seperti edema, jangkitan, dan nekrosis tisu, mengakibatkan kesakitan dan tindak balas alahan. Khususnya, pembubaran ion nikel daripada keluli tahan karat boleh menyebabkan perubahan patologi yang serius (keluli tahan karat perubatan austenit yang biasa digunakan mengandungi kira-kira 10% nikel). Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, keluli tahan karat perubatan percuma-nikel dan nikel{8}}yang rendah telah dibangunkan dan digunakan secara beransur-ansur.
2. Aloi Kobalt
Aloi kobalt (aloi berasaskan Co-sebagai bahan bioperubatan) juga biasa digunakan dalam aplikasi perubatan. Berbanding dengan keluli tahan karat, ia lebih sesuai untuk mengeluarkan implan jangka panjang-tertakluk kepada beban yang menuntut dalam badan, dengan rintangan kakisan 40 kali lebih besar daripada keluli tahan karat. Aloi logam-kobalt pertama yang sengaja direka bentuk untuk perubatan ialah kobalt–kromium–molibdenum, gabungan yang menyejukkan kepada struktur austenit yang stabil. Kemudian, pada penghujung 1970-an, lonjakan pilihan baharu muncul, terutamanya kobalt–nikel–kromium–aluminium–tungsten-mutan besi tempa yang menunjukkan rintangan keletihan yang unggul, dan varian MP35N, yang mengekalkan teras kobalt–nikel–kromium–aluminium namun mengaustenitikan struktur mikro multifasa secara mikro kepada kompleks mikrofasa. Matriks austenitik kurus kobalt klinikal dan varian kobalt-nikel sejak itu telah cemerlang dalam kejuruteraan prostetik.Ia membentuk batang dan cawan pinggul tiruan berasaskan kobalt–kromium-, permukaan artikulasi lutut aloi kobalt-kromium, dan peranti pengikat ortopedik, yang termasuk penyaduran untuk keretakan yang tidak stabil,-skru jahitan trafik dan-pin tulang yang dipasang. Pada masa ini, aloi aluminium kobalt-kromium-tuang adalah yang paling banyak digunakan dan digabungkan ke dalam standard ISO 5582/4. Pada tahun 1990, negara saya memasukkannya dalam standard kebangsaan GB12417.
Aloi kobalt biasanya kekal dalam keadaan pasif dalam tubuh manusia, jarang menghakis. Berbanding dengan keluli tahan karat, filem pasifnya lebih stabil dan-tahan kakisan. Mereka juga menawarkan rintangan haus terbaik bagi semua bahan logam perubatan, yang secara amnya dipercayai tidak menghasilkan tindak balas histologi yang ketara selepas implantasi. Walau bagaimanapun, disebabkan kosnya yang tinggi, sambungan pinggul tiruan yang diperbuat daripada aloi kobalt mempamerkan kadar kelonggaran yang tinggi dalam vivo akibat pembebasan ion Co dan Ni yang disebabkan oleh haus logam dan kakisan. Tambahan pula, unsur Co dan Ni yang dimendakkan memberikan cabaran biologi, seperti alergenik yang teruk, yang boleh menyebabkan nekrosis sel dan tisu dengan mudah secara in vivo, yang membawa kepada kesakitan, kelonggaran sendi dan tenggelam. Akibatnya, permohonan mereka telah terhad. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, teknik pengubahsuaian permukaan telah digunakan untuk memperbaiki sifat permukaan aloi kobalt, dengan berkesan meningkatkan keberkesanan klinikalnya.
3. Aloi Titanium
Aloi-berasaskan Ti sebagai bahan bioperubatan adalah antara logam yang paling biokompatibel yang diketahui. Sejak tahun 1940-an, aloi titanium dan titanium secara beransur-ansur mendapat aplikasi dalam perubatan klinikal. Pada tahun 1951, manusia mula menggunakan titanium tulen untuk membuat plat tulang dan skru. Pada pertengahan-1970-an, aloi titanium dan titanium mula mendapat aplikasi perubatan yang meluas, menjadi salah satu bahan perubatan yang paling menjanjikan. Pada masa ini, aloi titanium dan titanium digunakan terutamanya dalam ortopedik, terutamanya dalam pembinaan semula anggota badan dan tengkorak. Ia digunakan untuk membuat pelbagai peranti penetapan patah, sendi tiruan, penutup tengkorak dan dura mater, injap jantung tiruan, gigi, gusi, cincin penahan, dan mahkota. Aloi titanium yang paling banyak digunakan dalam aplikasi perubatan ialah TC4 (Ti-6Al-4V). Aloi ini mempunyai struktur + dua fasa pada suhu bilik. Kekuatannya dan sifat mekanikal lain boleh dipertingkatkan dengan ketara melalui rawatan penyelesaian dan penuaan.
Ketumpatan titanium dan aloinya adalah lebih kurang 4.5 g/cm³, kira-kira separuh daripada keluli tahan karat dan aloi kobalt, menghampiri tisu keras manusia. Tambahan pula, biokompatibiliti, rintangan kakisan dan rintangan keletihannya mengatasi keluli tahan karat dan aloi kobalt, menjadikannya bahan perubatan logam terbaik pada masa ini. Perkaitan titanium dan aloinya untuk tubuh manusia berpunca daripada filem pasif titanium oksida (TiO2) padat pada permukaannya, yang, selepas implantasi, mendorong pemendapan ion kalsium dan fosforus dalam cecair badan untuk membentuk apatit. Ini menunjukkan tahap bioaktiviti dan ikatan tulang tertentu, menjadikannya sangat sesuai untuk implantasi intraosseous. Walau bagaimanapun, kelemahan titanium dan aloinya ialah kekerasannya yang rendah dan rintangan haus yang lemah. Jika haus berlaku, filem oksida mula-mula dimusnahkan, diikuti dengan pembebasan produk kakisan zarah haus yang memasuki tisu manusia. Khususnya, vanadium (V) toksik dalam aloi Ti-6Al-4V boleh menyebabkan kegagalan implan. Untuk meningkatkan rintangan haus titanium dan aloinya, aminasi ion suhu tinggi atau implantasi ion boleh digunakan untuk meningkatkan rintangan haus permukaannya. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, beberapa aloi titanium baharu (terutamanya aloi jenis) telah dibangunkan, yang kesemuanya memfokuskan pada mengurangkan unsur-unsur yang berbahaya kepada tubuh manusia, dengan berkesan meningkatkan keserasian bio aloi titanium.
4. Bentuk Aloi Memori
Penyelidikan tentang aloi ingatan bentuk perubatan (SMA) sebagai bahan bioperubatan bermula pada 1970-an dan dengan cepat mendapat aplikasi yang meluas. SMA yang paling banyak digunakan dalam amalan klinikal ialah SMA nikel-titanium. Suhu pemulihan memori bentuk SMA perubatan ialah 36 ± 2 darjah , yang sepadan dengan suhu badan manusia dan menunjukkan biokeserasian yang setanding dengan aloi titanium. Walau bagaimanapun, kerana SMA mengandungi sejumlah besar nikel, rawatan permukaan yang tidak betul boleh menyebabkan ion nikel meresap dan menembusi tisu sekeliling, menyebabkan nekrosis sel dan tisu. SMA perubatan digunakan terutamanya dalam pembedahan plastik dan pergigian. Stent-mengembang sendiri, terutamanya stent kardiovaskular, adalah contoh utama penggunaannya.
5. Logam Berharga dan Logam Tulen: Tantalum, Niobium, dan Zirkonium
Logam berharga perubatan merujuk kepada emas, perak, platinum, dan aloinya yang digunakan sebagai bahan bioperubatan. Logam berharga mempunyai biokompatibiliti yang sangat baik, pengoksidaan yang kuat dan rintangan kakisan, kestabilan fizikal dan kimia yang unik, ciri pemprosesan yang sangat baik dan tidak-toksik kepada tisu manusia. Ia digunakan dalam pemulihan pergigian, pembaikan tengkorak, peranti elektronik yang boleh diimplan, prostesis saraf, peranti rangsangan saraf aurikular dan diafragma, peranti saraf visual, dan elektrod perentak jantung.
Tantalum untuk pemulihan pergigian mempunyai kestabilan kimia yang sangat baik dan ketahanan terhadap kakisan fisiologi. Tantalum oksida pada asasnya tidak diserap dan tidak{1}}toksik. Tantalum boleh digabungkan dengan logam lain tanpa merosakkan filem oksida permukaan. Dalam klinikal setiap hari nampaknya mungkin untuk mengikat logam sambil mengelakkan gangguan lapisan oksida berterusan yang memasifkan permukaannya. Oleh kerana tantalum, niobium dan zirkonium mempamerkan kedua-dua struktur mikro dan profil kereaktifan yang sejajar rapat dengan profil titanium, ia telah dinilai untuk aplikasi implan yang pelbagai, mulai daripada cantuman tulang berinstrumen dan akar gigi tertahan-ke bahagian engsel gigi palsu boleh tanggal, spektrum dinding yang nipis- dan seperti dinding suhu-dimodulatkan jumlah hati tiruan. Walau bagaimanapun, pengejaran logam ini dalam amalan rutin masih dihadkan; penghalusan semula jadi dan ekonomi fabrikasi mereka meletakkan mereka jauh melebihi belanjawan kebanyakan margin implan.
