โลหะชนิดใดที่ใช้ในวงการแพทย์?

I. ความหมายและการประยุกต์ใช้วัสดุโลหะทางการแพทย์

วัสดุโลหะทางการแพทย์หรือที่เรียกว่าวัสดุโลหะเทียมที่ใช้ในการผ่าตัด ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการวินิจฉัย การรักษา และการเปลี่ยนหรือปรับปรุงเนื้อเยื่อในร่างกายมนุษย์เป็นหลัก ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา แม้ว่าการพัฒนาวัสดุทางการแพทย์ที่เป็นโลหะจะช้ากว่าวัสดุชีวการแพทย์ เช่น โพลีเมอร์ คอมโพสิต ลูกผสม และอนุพันธ์ แต่ก็มีคุณสมบัติหลายอย่างที่ไม่สามารถทดแทนได้ซึ่งวัสดุทางการแพทย์อื่นๆ ไม่สามารถเทียบได้ รวมถึงความแข็งแรงสูง ความเหนียวที่ดี ความต้านทานต่อความล้าจากการดัดงอ และคุณสมบัติการประมวลผลที่ยอดเยี่ยม เป็นวัสดุปลูกฝังที่รองรับน้ำหนัก-ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานทางคลินิก ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะ วัสดุทางการแพทย์ที่เป็นโลหะจึงได้รับการประยุกต์ใช้ในวงกว้างขึ้น โดยมีการใช้งานที่สำคัญที่สุด เช่น แผ่นยึดกระดูกหัก สกรู ข้อต่อเทียม และรากฟันเทียม

ครั้งที่สอง วัสดุทางการแพทย์ที่เป็นโลหะที่ใช้กันทั่วไป

วัสดุโลหะหลักที่ใช้ในการใช้งานทางการแพทย์ทางคลินิก ได้แก่ สแตนเลส โลหะผสมโคบอลต์ โลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง โลหะมีค่า และโลหะบริสุทธิ์ เช่น แทนทาลัม ไนโอเบียม และเซอร์โคเนียม

1. สแตนเลส

เหล็กกล้าไร้สนิมทางการแพทย์ (เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุชีวการแพทย์) เป็นโลหะผสม-ที่มีธาตุเหล็ก ทนทานต่อการกัดกร่อน- และเป็นหนึ่งในโลหะผสมชีวการแพทย์ที่เก่าแก่ที่สุดที่พัฒนาขึ้น โดดเด่นด้วยความง่ายในการประมวลผลและต้นทุนต่ำ การให้สเตนเลสสตีลที่มีรูปทรงงานเย็นไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิต แต่ยังทำให้โลหะผสมทนทานต่อการเกิดสนิม ซึ่งช่วยลดโอกาสที่จะเกิดการแตกหักเมื่อยล้า เมื่อคุณดูที่โครงสร้างจุลภาค สเตนเลสจะเรียงเป็นเกรดออสเทนนิติก เฟอริติก มาร์เทนซิติก หรือการตกตะกอน- ไม่น่าแปลกใจเลยที่เหล็กเหล่านี้กลายเป็นเกียร์มาตรฐานในโลกการแพทย์ คุณจะพบพวกมันที่หลอมเป็นมีดผ่าตัด รางย่อย-บนใบมีดกรรไกร ปากของเครื่องห้ามเลือด และตัวของเข็มกลวง นอกเหนือจากเครื่องมือที่ใช้มือแล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมยังนำไปใช้ในการใช้งานแบบฝังอีกด้วย รวมถึงข้อต่อเทียม แผ่นยึดและสกรู อุปกรณ์รองรับลวดโค้งสำหรับจัดฟัน และตัวเรือนวาล์วของอุปกรณ์ลิ้นหัวใจแบบกลไก ในบรรดาวิธีการอรรถประโยชน์เหล่านี้ เกรดออสเทนนิติก 316L และ 317L ซึ่งมีปริมาณคาร์บอนต่ำเป็นพิเศษ-เพื่อลดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ขอบเขตเกรน ข้อมูลจำเพาะที่เป็นลายลักษณ์อักษรสำหรับโลหะผสมเหล่านี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกในมาตรฐาน ISO สำหรับวัสดุโลหะที่ฝังได้ ISO 5832 และ ISO 7153 ฉบับปรับปรุงในปี 1987 ตามหลักเกณฑ์สากล GB 12417 ซึ่งเป็นมาตรฐานระดับชาติในประเทศของฉัน ได้รับการร่างขึ้นในปี 1990 และนำมาใช้ในปี 1991

ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและปัญหาที่เกี่ยวข้องของสเตนเลสทางการแพทย์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของเนื้อเยื่อที่เกิดจากการละลายไอออนของโลหะอันเนื่องมาจากการกัดกร่อนหรือการสึกหรอหลังจากการฝัง ข้อมูลทางคลินิกที่กว้างขวางแสดงให้เห็นว่าการกัดกร่อนของสเตนเลสทางการแพทย์ส่งผลให้รากฟันเทียมมีความคงตัวในระยะยาว-ต่ำ นอกจากนี้ ความหนาแน่นและโมดูลัสยืดหยุ่นยังแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากเนื้อเยื่อแข็งของมนุษย์ ส่งผลให้ความเข้ากันได้ทางกลไม่ดี การกัดกร่อนอาจทำให้ไอออนของโลหะหรือสารประกอบอื่นๆ เข้าไปในเนื้อเยื่อรอบๆ หรือร่างกายโดยรวม ซึ่งอาจนำไปสู่ปฏิกิริยาทางเนื้อเยื่อวิทยาที่ไม่พึงประสงค์ เช่น อาการบวมน้ำ การติดเชื้อ และเนื้อร้ายของเนื้อเยื่อ ส่งผลให้เกิดความเจ็บปวดและปฏิกิริยาภูมิแพ้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการละลายนิกเกิลไอออนจากเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางพยาธิสภาพที่รุนแรงได้ (สเตนเลสสตีลทางการแพทย์ออสเทนนิติกที่ใช้กันทั่วไปจะมีนิกเกิลประมาณ 10%) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เหล็กกล้าสเตนเลสทางการแพทย์ที่ปราศจากนิกเกิลและนิกเกิล-ต่ำ-ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้อย่างค่อยเป็นค่อยไป

2. โลหะผสมโคบอลต์
โลหะผสมโคบอลต์ (โลหะผสมที่มีโค-เป็นวัสดุชีวการแพทย์) มักใช้ในการใช้งานทางการแพทย์เช่นกัน เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิม พวกมันเหมาะสำหรับการผลิตรากฟันเทียมระยะยาว-โดยต้องรับภาระหนักในร่างกาย โดยมีความต้านทานการกัดกร่อนมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมถึง 40 เท่า โลหะผสมโคบอลต์-ชนิดแรกที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมโดยเฉพาะสำหรับการแพทย์คือโคบอลต์-โครเมียม-โมลิบดีนัม ซึ่งเป็นส่วนผสมที่ทำให้เย็นลงจนได้โครงสร้างออสเตนิติกที่มั่นคง จากนั้นในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ก็ได้มีตัวเลือกใหม่ๆ มากมายเกิดขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหล็กกลายพันธุ์โคบอลต์-นิกเกิล-โครเมียม-อะลูมิเนียม-ทังสเตน-ที่ดัดขึ้นรูปซึ่งแสดงความต้านทานความล้าที่เหนือกว่า และรุ่น MP35N ซึ่งยังคงรักษาแกนโคบอลต์-นิกเกิล-โครเมียม-อะลูมิเนียม ไว้ได้ แต่ออสเทนไนต์ทางอุณหพลศาสตร์ไปยังโครงสร้างจุลภาคแบบหลายเฟสที่ซับซ้อน เมทริกซ์ออสเทนนิติกแบบลีนโคบอลต์ทางคลินิกและตัวแปรโคบอลต์-นิกเกิลมีความเป็นเลิศในด้านวิศวกรรมกายอุปกรณ์ตั้งแต่นั้นมาพวกเขาสร้างรูปร่างลำต้นและถ้วยของสะโพกเทียมที่มีโคบอลต์-โครเมียม Mo- พื้นผิวที่ประกบกันของหัวเข่าโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม และอุปกรณ์ยึดกระดูก ซึ่งรวมถึงการชุบสำหรับการแตกหักที่ไม่มั่นคง -สกรูตะเข็บจราจร และหมุดยึดกระดูกแบบกด- ในปัจจุบัน โคบอลต์-โครเมียม-อะลูมิเนียมอัลลอยด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายและรวมอยู่ในมาตรฐาน ISO 5582/4 ในปี 1990 ประเทศของฉันได้รวมอุปกรณ์นี้ไว้ในมาตรฐานแห่งชาติ GB12417

โดยทั่วไปแล้วโลหะผสมโคบอลต์จะยังคงอยู่ในสถานะไม่โต้ตอบภายในร่างกายมนุษย์ และแทบไม่มีการกัดกร่อน เมื่อเปรียบเทียบกับสแตนเลส ฟิล์มพาสซีฟจะมีความเสถียรและทนทานต่อการกัดกร่อนมากกว่า- อีกทั้งยังมีความทนทานต่อการสึกหรอได้ดีที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุโลหะทางการแพทย์ทั้งหมด ซึ่งโดยทั่วไปเชื่อกันว่าไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเนื้อเยื่อวิทยาที่เห็นได้ชัดเจนหลังจากการฝัง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีราคาสูง ข้อต่อสะโพกเทียมที่ทำจากโลหะผสมโคบอลต์จึงมีอัตราการคลายตัวในสิ่งมีชีวิตสูง เนื่องจากการปล่อยไอออน Co และ Ni ที่เกิดจากการสึกหรอของโลหะและการกัดกร่อน นอกจากนี้ ธาตุ Co และ Ni ที่ตกตะกอนทำให้เกิดความท้าทายทางชีวภาพ เช่น อาการแพ้อย่างรุนแรง ซึ่งสามารถทำให้เกิดการตายของเซลล์และเนื้อเยื่อในร่างกายได้อย่างง่ายดาย นำไปสู่ความเจ็บปวด ข้อต่อคลาย และจม ด้วยเหตุนี้ การสมัครจึงมีจำกัด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการใช้เทคนิคการปรับเปลี่ยนพื้นผิวเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของโลหะผสมโคบอลต์ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางคลินิกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3. โลหะผสมไทเทเนียม

โลหะผสมที่มี Ti-เป็นวัสดุชีวการแพทย์ถือเป็นโลหะที่เข้ากันได้ทางชีวภาพมากที่สุดชนิดหนึ่ง นับตั้งแต่ทศวรรษที่ 1940 โลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมได้ค่อยๆ ถูกนำมาใช้ในการแพทย์ทางคลินิก ในปี 1951 มนุษย์เริ่มใช้ไทเทเนียมบริสุทธิ์เพื่อผลิตแผ่นกระดูกและสกรู ในช่วงกลาง-ทศวรรษ 1970 ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมเริ่มมีการนำไปใช้ทางการแพทย์อย่างกว้างขวาง และกลายเป็นหนึ่งในวัสดุทางการแพทย์ที่มีแนวโน้มมากที่สุด ปัจจุบัน โลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมถูกนำมาใช้เป็นหลักในด้านศัลยกรรมกระดูก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสร้างแขนขาและกะโหลกศีรษะใหม่ ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ยึดกระดูกหักต่างๆ ข้อต่อเทียม ฝาครอบกะโหลกศีรษะและเยื่อดูรา ลิ้นหัวใจเทียม ฟัน เหงือก แหวนยึด และครอบฟัน โลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานทางการแพทย์คือ TC4 (Ti-6Al-4V) โลหะผสมนี้มีโครงสร้าง + สองเฟสที่อุณหภูมิห้อง ความแข็งแรงและคุณสมบัติทางกลอื่นๆ สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญผ่านการบำบัดสารละลายและการบ่ม

ความหนาแน่นของไทเทเนียมและโลหะผสมอยู่ที่ประมาณ 4.5 ก./ซม.³ หรือประมาณครึ่งหนึ่งของสเตนเลสและโลหะผสมโคบอลต์ ซึ่งเข้าใกล้ความหนาแน่นของเนื้อเยื่อแข็งของมนุษย์ นอกจากนี้ ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ความต้านทานการกัดกร่อน และความต้านทานต่อความล้ายังเหนือกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมโคบอลต์ ทำให้ปัจจุบันเป็นวัสดุทางการแพทย์ด้านโลหะที่ดีที่สุด ความสัมพันธ์ของไททาเนียมและโลหะผสมที่มีต่อร่างกายมนุษย์นั้นเกิดจากฟิล์มทู่ไทเทเนียมออกไซด์ (TiO2) ที่มีความหนาแน่นสูงบนพื้นผิว ซึ่งหลังจากการฝังจะกระตุ้นให้เกิดการสะสมของแคลเซียมและฟอสฟอรัสไอออนในของเหลวในร่างกายเพื่อสร้างอะพาไทต์ สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงฤทธิ์ทางชีวภาพและการยึดเกาะของกระดูกในระดับหนึ่ง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปลูกถ่ายในกระดูก อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของไทเทเนียมและโลหะผสมคือมีความแข็งต่ำและทนทานต่อการสึกหรอต่ำ หากเกิดการสึกหรอ ฟิล์มออกไซด์จะถูกทำลายในขั้นแรก ตามด้วยการปล่อยผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนของอนุภาคจากการสึกหรอที่เข้าสู่เนื้อเยื่อของมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วานาเดียมที่เป็นพิษ (V) ในโลหะผสม Ti-6Al-4V อาจทำให้การปลูกถ่ายล้มเหลว เพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของไทเทเนียมและโลหะผสม สามารถใช้ไอออนอะมิเนชันที่อุณหภูมิสูงหรือการฝังไอออนเพื่อเพิ่มความต้านทานการสึกหรอของพื้นผิวได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมใหม่ๆ (ส่วนใหญ่เป็นโลหะผสมประเภทต่างๆ) ซึ่งทั้งหมดนี้มุ่งเน้นไปที่การลดองค์ประกอบที่เป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ และปรับปรุงความเข้ากันได้ทางชีวภาพของโลหะผสมไทเทเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

4. รูปร่างโลหะผสมหน่วยความจำ

การวิจัยเกี่ยวกับโลหะผสมหน่วยความจำรูปทรงทางการแพทย์ (SMA) ที่เป็นวัสดุชีวการแพทย์เริ่มขึ้นในทศวรรษ 1970 และมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายอย่างรวดเร็ว SMA ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในทางคลินิกคือ SMA นิกเกิล-ไทเทเนียม อุณหภูมิการกู้คืนหน่วยความจำรูปร่างของ SMA ทางการแพทย์คือ 36 ± 2 องศา ซึ่งตรงกับอุณหภูมิร่างกายมนุษย์ และแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่เทียบเคียงได้กับโลหะผสมไทเทเนียม อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก SMA มีนิกเกิลจำนวนมาก การรักษาพื้นผิวที่ไม่เหมาะสมจึงอาจทำให้ไอออนของนิกเกิลกระจายและเจาะเนื้อเยื่อรอบข้างได้ ทำให้เกิดการตายของเซลล์และเนื้อเยื่อ SMA ทางการแพทย์ใช้เป็นหลักในการทำศัลยกรรมพลาสติกและทันตกรรม การใส่ขดลวดที่ขยายได้เอง- โดยเฉพาะการใส่ขดลวดแบบคาร์ดิโอ เป็นตัวอย่างสำคัญของการใช้งาน

5. โลหะมีค่าและโลหะบริสุทธิ์ ได้แก่ แทนทาลัม ไนโอเบียม และเซอร์โคเนียม

โลหะมีค่าทางการแพทย์หมายถึงทองคำ เงิน แพลทินัม และโลหะผสมที่ใช้เป็นวัสดุชีวการแพทย์ โลหะมีค่ามีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม ต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนที่รุนแรง มีความเสถียรทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ มีคุณลักษณะการประมวลผลที่ยอดเยี่ยม และไม่-เป็นพิษต่อเนื้อเยื่อของมนุษย์ ใช้ในการบูรณะฟัน การซ่อมแซมกะโหลกศีรษะ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบฝัง อุปกรณ์ประสาทเทียม อุปกรณ์กระตุ้นเส้นประสาทเกี่ยวกับหูและกระบังลม อุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็น และขั้วไฟฟ้าของเครื่องกระตุ้นหัวใจ

แทนทาลัมสำหรับการบูรณะฟันมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีเยี่ยมและทนทานต่อการกัดกร่อนทางสรีรวิทยา แทนทาลัมออกไซด์โดยพื้นฐานแล้วจะไม่ถูกดูดซึมและไม่-เป็นพิษ แทนทาลัมสามารถใช้ร่วมกับโลหะอื่นได้โดยไม่ทำลายฟิล์มออกไซด์ที่พื้นผิว ในชีวิตประจำวันทางคลินิก ดูเหมือนว่าเป็นไปได้ที่จะเชื่อมโลหะในขณะที่หลีกเลี่ยงการหยุดชะงักของชั้นออกไซด์ที่ต่อเนื่องซึ่งทำให้พื้นผิวของโลหะเป็นเนื้อเดียวกัน เนื่องจากแทนทาลัม ไนโอเบียม และเซอร์โคเนียมมีทั้งโครงสร้างจุลภาคและโปรไฟล์ปฏิกิริยาที่สอดคล้องกับโครงสร้างไทเทเนียมอย่างใกล้ชิด จึงได้รับการประเมินสำหรับการใช้งานการปลูกถ่ายที่หลากหลาย ตั้งแต่การปลูกถ่ายกระดูกโดยใช้เครื่องมือและ-รากฟันที่ยึดสกรูไว้ ไปจนถึงส่วนบานพับของฟันปลอมแบบถอดได้ -ขดลวดหลอดเลือดที่ผนังบาง และอุปกรณ์ที่หลากหลาย เช่น -หัวใจเทียมที่ปรับอุณหภูมิทั้งหมด อย่างไรก็ตาม การแสวงหาโลหะเหล่านี้ในทางปฏิบัติยังคงจำกัดอยู่ เศรษฐศาสตร์การปรับแต่งและการผลิตโดยธรรมชาติทำให้พวกเขาอยู่เหนือกว่างบประมาณของระยะขอบของรากฟันเทียมส่วนใหญ่