I. הגדרה ויישומים של חומרי מתכת רפואיים
חומרי מתכת רפואיים, הידועים גם כחומרי מתכת שתלים כירורגיים, משמשים בעיקר לאבחון, טיפול והחלפת רקמות או שיפור בגוף האדם. במהלך 20 השנים האחרונות, בעוד שהפיתוח של חומרים רפואיים מתכתיים היה איטי יותר מזה של חומרים ביו-רפואיים כגון פולימרים, מרוכבים, כלאיים ונגזרות, הם מציעים תכונות רבות שאין להן תחליף לחומרים רפואיים אחרים שאינם יכולים להשתוות אליהם, לרבות חוזק גבוה, קשיחות טובה, עמידות לעייפות בכיפוף ותכונות עיבוד מצוינות. הם חומרי השתלים נושאי העומס- הנפוצים ביותר ביישומים קליניים. עם התפתחות טכנולוגיית הדפסת תלת מימד מתכת, חומרים רפואיים ממתכת זכו ליישום רחב יותר, כאשר היישומים החשובים ביותר כוללים לוחות קיבוע שברים, ברגים, מפרקים מלאכותיים והשתלות שיניים.
II. חומרים רפואיים מתכתיים בשימוש נפוץ
חומרי המתכת העיקריים המשמשים ביישומים רפואיים קליניים כוללים נירוסטה, סגסוגות קובלט, סגסוגות טיטניום, סגסוגות זיכרון צורות, מתכות יקרות ומתכות טהורות כגון טנטלום, ניוביום וזירקוניום.
1. נירוסטה
נירוסטה רפואית (פלדה אל חלד כחומר ביו-רפואי) היא סגסוגת-על בסיס ברזל, עמידה בפני קורוזיה- ואחת הסגסוגות הביו-רפואיות המוקדמות ביותר שפותחו. הוא מאופיין בקלות עיבוד ובעלות נמוכה. מתן לעבודה קרה לעצב נירוסטה לא רק מגביר את חוזק התפוקה, אלא גם מחזק את הסגסוגת מפני חלודה, שבתורה מקצץ את הסיכויים לשבר עייפות. כשמסתכלים על מבנה המיקרו, הפלדות אל-חלד מסתדרות כדרגות מוקשות אוסטניטיות, פריטיות, מרטנזיות או משקעים-. לא מפתיע, הפלדות הללו הפכו לציוד סטנדרטי בעולם הרפואה; תמצא אותם מחושלים לסכינים כירורגיות, את המסילה המשנה על להב מספריים, לסתות של דמוסטט וגוף של מחט חלולה. מעבר למכשירים ידניים, פלדות אל-חלד משמשות גם ביישומים ניתנים להשתלה, לרבות מפרקים מלאכותיים, מקבעי לוחות וברגים, תומכי חוטי קשת יישור שיניים ובתי שסתומים של התקני מסתמי לב מכניים. בין שיטות השימוש הללו, שולטות הדרגות האוסטניטיות של 316L ו-317L, בעלות תכולת פחמן נמוכה במיוחד כדי למזער את משקעי הקרביד בגבול התבואה. מפרט כתוב עבור סגסוגות אלו פורסם לראשונה בעדכון 1987 של תקן ISO לחומרים מתכתיים ניתנים להשתלה, ISO 5832 ו-ISO 7153. בעקבות הקורפוס הבינלאומי, תקן לאומי במדינה שלי, GB 12417, נוסח בשנת 1990 ואומץ בשנת 1991.
התאימות הביולוגית והנושאים הנלווים של נירוסטה רפואית נוגעות בעיקר לתגובות רקמות הנגרמות מהמסת יוני מתכת עקב קורוזיה או בלאי לאחר ההשתלה. נתונים קליניים נרחבים מוכיחים שקורוזיה של נירוסטה רפואית גורמת ליציבות השתלים ירודה-לטווח ארוך. יתר על כן, הצפיפות ומודול האלסטי שלו שונים באופן משמעותי מאלה של רקמה קשה אנושית, וכתוצאה מכך תאימות מכנית לקויה. קורוזיה עלולה לגרום ליוני מתכת או תרכובות אחרות לחדור לרקמות הסובבות או לגוף בכללותו, מה שעלול להוביל לתגובות היסטולוגיות שליליות כגון בצקת, זיהום ונמק של רקמות, וכתוצאה מכך כאב ותגובות אלרגיות. בפרט, פירוק יוני ניקל מנירוסטה עלולה לגרום לשינויים פתולוגיים חמורים (נירוסטה רפואית אוסטניטית בשימוש נפוץ מכילה כ-10% ניקל). בשנים האחרונות פותחו ויושמו בהדרגה פלדות אל-חלד רפואיות ללא-ניקל וניקל-.
2. סגסוגות קובלט
סגסוגות קובלט (סגסוגות מבוססות Co-כחומרים ביו-רפואיים) משמשות גם הן בדרך כלל ביישומים רפואיים. בהשוואה לנירוסטה, הם מתאימים יותר לייצור שתלים לטווח ארוך-כפוף לעומסים תובעניים בגוף, עם עמידות בפני קורוזיה גדולה פי 40 מנירוסטה. סגסוגת המתכת-הקובלט הראשונה שהונדסה במטרה לרפואה הייתה קובלט-כרום-מוליבדן, תערובת שמתקררת למבנה אוסטניטי יציב. ואז, בסוף שנות ה-70, צץ גל של אפשרויות חדשות, בעיקר מוטאנט ברזל קובלט-ניקל-כרום-אלומיניום-טונגסטן-מחושל שמראה עמידות מעולה לעייפות, וגרסה MP35N, השומרת על ליבת קובלט-ניקל-כרום-אלומיניום למבנה תרמו-מכאני מורכב אך מבנה מיקרו-אוסטני מורכב. מטריצה אוסטניטית קלינית קובלט רזה יותר וגרסאות קובלט-ניקל הצטיינו מאז בהנדסת תותבות.הם מעצבים את הגבעולים והכוסות של ירכיים מלאכותיות על בסיס קובלט-כרום Mo-, את המשטחים המפרקים של ברכיים מסגסוגת קובלט-כרום, והתקני הידוק אורטופדיים, הכוללים ציפוי לשברים לא יציבים, ברגי תפר-תנועה וסיכות-מהודקות. נכון לעכשיו, סגסוגות אלומיניום יצוק של קובלט-כרום- הן הנפוצות ביותר והן משולבות בתקן ISO 5582/4. בשנת 1990, המדינה שלי כללה אותו בתקן הלאומי GB12417.
סגסוגות קובלט נשארות בדרך כלל במצב פסיבי בתוך גוף האדם, ולעתים רחוקות מתכלות. בהשוואה לנירוסטה, הסרט הפסיבי שלהם יציב יותר ועמיד בפני קורוזיה-. הם גם מציעים את ההתנגדות הטובה ביותר לבלאי של כל חומרי המתכת הרפואיים, בדרך כלל מאמינים שאינם מייצרים תגובות היסטולוגיות בולטות לאחר ההשתלה. עם זאת, בשל העלות הגבוהה שלהם, מפרקי ירך מלאכותיים העשויים מסגסוגות קובלט מציגים שיעור גבוה של התרופפות in vivo עקב שחרור יוני Co ו-Ni הנגרמים משחיקת מתכת וקורוזיה. יתר על כן, היסודות Co ו-Ni המשקעים מציגים אתגרים ביולוגיים, כגון אלרגניות חמורה, שעלולה לגרום בקלות לנמק של תאים ורקמות in vivo, מה שמוביל לכאב, התרופפות מפרקים ושקיעת. כתוצאה מכך, היישום שלהם הוגבל. בשנים האחרונות נעשה שימוש בטכניקות לשינוי פני השטח כדי לשפר את תכונות פני השטח של סגסוגות קובלט, ולשפר את היעילות הקלינית שלהן.
3. סגסוגות טיטניום
סגסוגות המבוססות על טי- כחומרים ביו-רפואיים הם בין המתכות הכי ביולוגיות הידועות. מאז שנות ה-40, טיטניום וסגסוגות טיטניום זכו בהדרגה ליישום ברפואה הקלינית. בשנת 1951, בני אדם החלו להשתמש בטיטניום טהור לייצור לוחות וברגים של עצמות. באמצע-1970, טיטניום וסגסוגות טיטניום החלו לקבל יישום רפואי נרחב, והפכו לאחד החומרים הרפואיים המבטיחים ביותר. כיום, טיטניום וסגסוגות טיטניום משמשות בעיקר באורטופדיה, במיוחד בשחזור גפיים וגולגולת. הם משמשים לייצור מכשירים שונים לקיבוע שברים, מפרקים מלאכותיים, כובעי גולגולת ודורה מאטר, מסתמי לב מלאכותיים, שיניים, חניכיים, טבעות שמירה וכתרים. סגסוגת הטיטניום הנפוצה ביותר ביישומים רפואיים היא TC4 (Ti-6Al-4V). לסגסוגת זו מבנה + דו פאזי בטמפרטורת החדר. ניתן לשפר משמעותית את החוזק שלו ותכונות מכניות אחרות באמצעות טיפול בתמיסה והזדקנות.
הצפיפות של טיטניום וסגסוגותיו היא כ-4.5 גרם/ס"מ³, בערך מחצית מזו של סגסוגות נירוסטה וסגסוגות קובלט, המתקרבת לזו של רקמה קשה אנושית. יתר על כן, התאימות הביולוגית שלהם, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני עייפות עולים על אלו של נירוסטה וסגסוגות קובלט, מה שהופך אותם כיום לחומרי המתכת הרפואיים הטובים ביותר. הזיקה של טיטניום וסגסוגותיו לגוף האדם נובעת מסרט הפסיביות הצפוף של טיטניום אוקסיד (TiO2) על פני השטח שלהם, אשר לאחר ההשתלה גורם לשקיעת יוני סידן וזרחן בנוזלי הגוף ליצירת אפטיט. זה מפגין מידה מסוימת של פעילות ביולוגית וקשירת עצם, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד להשתלה תוך אוססת. עם זאת, החסרונות של טיטניום וסגסוגותיו הם הקשיות הנמוכה שלהם ועמידותם ירודה בפני שחיקה. אם מתרחשת בלאי, סרט התחמוצת נהרס תחילה, ולאחר מכן שחרור מוצרי קורוזיה של חלקיקי בלאי החודרים לרקמות אנושיות. במיוחד, הוונדיום הרעיל (V) בסגסוגת Ti-6Al-4V יכול לגרום לכשל בשתל. כדי לשפר את עמידות הבלאי של טיטניום וסגסוגותיו, ניתן להשתמש באמינציה של יונים בטמפרטורה גבוהה או בהשתלת יונים כדי לשפר את עמידות הבלאי של פני השטח שלהם. בשנים האחרונות פותחו כמה סגסוגות טיטניום חדשות (בעיקר סגסוגות מסוג -), כולן מתמקדות בהפחתת יסודות המזיקים לגוף האדם, ולמעשה שיפור התאימות הביולוגית של סגסוגות טיטניום.
4. סגסוגות זיכרון צורה
מחקר על סגסוגות זיכרון צורות רפואיות (SMAs) כחומרים ביו-רפואיים החל בשנות ה-70 וזכו במהירות ליישום נרחב. ה-SMA הנפוץ ביותר בפרקטיקה הקלינית הוא ניקל-טיטניום SMA. טמפרטורת התאוששות זיכרון הצורה של SMAs רפואיים היא 36 ± 2 מעלות, התואמת את טמפרטורת גוף האדם ומדגימה תאימות ביולוגית דומה לסגסוגות טיטניום. עם זאת, מכיוון ש-SMAs מכילים כמות גדולה של ניקל, טיפול שגוי על פני השטח עלול לגרום ליוני ניקל להתפזר ולחדור לרקמות שמסביב, ולגרום לנמק של תאים ורקמות. SMAs רפואיים משמשים בעיקר בכירורגיה פלסטית ורפואת שיניים. סטנטים המתרחבים-עצמם, במיוחד סטנטים קרדיווסקולריים, הם דוגמה מצוינת ליישום שלהם.
5. מתכות יקרות ומתכות טהורות: טנטלום, ניוביום וזירקוניום
מתכות יקרות רפואיות מתייחסות לזהב, כסף, פלטינה וסגסוגותיהן המשמשות כחומרים ביו-רפואיים. למתכות יקרות יש תאימות ביולוגית מעולה, עמידות חזקה לחמצון ולקורוזיה, יציבות פיזית וכימית ייחודית, מאפייני עיבוד מצוינים והן אינן- רעילות לרקמות אנושיות. הם משמשים בשיקום שיניים, תיקוני גולגולת, מכשירים אלקטרוניים הניתנים להשתלה, תותבות עצביות, מכשירים לגירוי עצב אוריקולרי וסרעפתי, התקני עצבי ראייה ואלקטרודות קוצבי לב.
לטנטלום לשיקום שיניים יש יציבות כימית מעולה ועמידות בפני קורוזיה פיזיולוגית. תחמוצת טנטלום למעשה אינה נספגת ואינה -רעילה. ניתן לשלב טנטלום עם מתכות אחרות מבלי לפגוע בסרט תחמוצת פני השטח. בקליניקה היומיומית נראה שניתן לקשר מתכות תוך הימנעות משיבוש של שכבת התחמוצת הרציפה שמפסיבית את פני השטח שלהן. מכיוון שטנטלום, ניוביום וזירקוניום מציגים פרופילי מיקרו-מבנה ותגובתיות המיושרים באופן הדוק לאלו של טיטניום, הם נבדקו עבור יישומי שתלים מגוונים, החל מהשתלות עצם עם מכשור ושורשי שיניים עם בורג- וכלה בקטעי צירים של תותבות נשלפות, תותבות ניתנות להסרה, תבניות דק של כלי דם ותבניות דק של כלי דם{{6} סה"כ הלבבות המלאכותיים מווסתים בטמפרטורה-. אף על פי כן, המרדף אחר מתכות אלו בתרגול השגרתי נותר מוגבל; השכלול המובנה וכלכלת הייצור שלהם מציבה אותם הרבה מעבר לתקציבים של רוב שולי השתלים.
