I. Tıbbi Metal Malzemelerin Tanımı ve Uygulamaları
Cerrahi implant metal malzemeleri olarak da bilinen tıbbi metal malzemeler öncelikle insan vücudunda teşhis, tedavi ve doku değişimi veya iyileştirme amacıyla kullanılır. Geçtiğimiz 20 yılda, metal tıbbi malzemelerin gelişimi polimerler, kompozitler, hibritler ve türevler gibi biyomedikal malzemelerden daha yavaş olsa da, yüksek mukavemet, iyi tokluk, bükülme yorulma direnci ve mükemmel işlenme özellikleri dahil olmak üzere diğer tıbbi malzemelerin eşleşemeyeceği çok sayıda yeri doldurulamaz özellikler sunmaktadır. Klinik uygulamalarda en yaygın olarak kullanılan yük-taşıyıcı implant malzemeleridir. Metal 3D baskı teknolojisinin gelişmesiyle birlikte metal tıbbi malzemeler, kırık sabitleme plakaları, vidalar, yapay eklemler ve diş implantları gibi en önemli uygulamalarla birlikte daha geniş bir uygulama alanı kazanmıştır.
II. Yaygın Olarak Kullanılan Metal Tıbbi Malzemeler
Klinik tıbbi uygulamalarda kullanılan ana metal malzemeler arasında paslanmaz çelik, kobalt alaşımları, titanyum alaşımları, şekil hafızalı alaşımlar, değerli metaller ve tantal, niyobyum ve zirkonyum gibi saf metaller bulunur.
1. Paslanmaz Çelik
Tıbbi paslanmaz çelik (Biyomedikal Malzeme Olarak Paslanmaz Çelik), demir-bazlı, korozyona-dirençli bir alaşımdır ve geliştirilen en eski biyomedikal alaşımlardan biridir. İşleme kolaylığı ve düşük maliyet ile karakterizedir. Paslanmaz çeliğin soğuk işlenerek şekillendirilmesi yalnızca akma mukavemetini artırmakla kalmaz, aynı zamanda alaşımı pasa karşı da güçlendirir, bu da yorulma kırılması olasılığını azaltır. Mikro yapıya baktığınızda, paslanmaz çelikler östenitik, ferritik, martensitik veya çöktürme-sertleştirilmiş kaliteler olarak sıralanır. Bu çeliklerin tıp dünyasında standart donanım haline gelmesi şaşırtıcı değil; bunları ameliyat bıçakları, makas bıçağının alt-rayları, hemostat çeneleri ve içi boş bir iğne gövdesi şeklinde dövülmüş olarak bulacaksınız. Paslanmaz çelikler, el aletlerinin ötesinde, yapay eklemler, plaka ve vida fiksatörleri, ortodontik ark teli destekleri ve mekanik kalp kapakçık cihazlarının kapak yuvaları dahil olmak üzere implante edilebilir uygulamalarda da kullanılmaktadır. Bu kullanım yöntemleri arasında, tanecik sınırında karbür çökelmesini en aza indirmek için ekstra{12}}düşük karbon içeriğine sahip olan 316L ve 317L'nin östenitik kaliteleri hakimdir. Bu alaşımların yazılı spesifikasyonu ilk olarak implante edilebilir metalik malzemelere yönelik ISO standardı ISO 5832 ve ISO 7153'ün 1987 revizyonunda yayınlandı. Uluslararası külliyatı takiben, ülkemde ulusal bir standart olan GB 12417, 1990 yılında hazırlandı ve 1991 yılında kabul edildi.
Tıbbi paslanmaz çeliğin biyouyumluluğu ve ilgili konular öncelikle korozyon veya implantasyon sonrası aşınma nedeniyle metal iyonunun çözünmesinin neden olduğu doku reaksiyonlarıyla ilgilidir. Kapsamlı klinik veriler, tıbbi paslanmaz çeliğin korozyonunun uzun vadeli-implant stabilitesinin zayıf olmasına neden olduğunu göstermektedir. Ayrıca yoğunluğu ve elastik modülü insan sert dokusundan önemli ölçüde farklıdır ve bu da mekanik uyumluluğun zayıf olmasına neden olur. Korozyon, metal iyonlarının veya diğer bileşiklerin çevredeki dokulara veya bir bütün olarak vücuda girmesine neden olabilir ve potansiyel olarak ödem, enfeksiyon ve doku nekrozu gibi olumsuz histolojik reaksiyonlara yol açarak ağrı ve alerjik reaksiyonlara neden olabilir. Özellikle paslanmaz çelikten nikel iyonunun çözünmesi ciddi patolojik değişikliklere neden olabilir (yaygın olarak kullanılan östenitik tıbbi paslanmaz çelik yaklaşık %10 nikel içerir). Son yıllarda düşük-nikel ve nikel-içermeyen tıbbi paslanmaz çelikler yavaş yavaş geliştirildi ve uygulandı.
2. Kobalt Alaşımları
Kobalt alaşımları (biyomedikal malzeme olarak Co-bazlı alaşımlar) tıbbi uygulamalarda da yaygın olarak kullanılmaktadır. Paslanmaz çelikle karşılaştırıldığında, vücutta zorlu yüklere maruz kalan-uzun vadeli implantların üretimi için daha uygundurlar ve paslanmaz çelikten 40 kat daha fazla korozyon direncine sahiptirler. Tıp için özel olarak tasarlanan ilk kobalt-metal alaşımı, soğuyarak kararlı bir östenitik yapıya dönüşen bir karışım olan kobalt-krom-molibdendi. Daha sonra, 1970'lerin sonlarında, yeni seçeneklerde bir artış ortaya çıktı; özellikle üstün yorulma direnci gösteren işlenmiş kobalt-nikel-krom-alüminyum-tungsten-demir mutantı ve kobalt-nikel-krom-alüminyum çekirdeği koruyan ancak termomekanik olarak karmaşık çok fazlı bir mikro yapıya ostenitleşen MP35N çeşidi. Klinik kobalt bakımından fakir östenitik matris ve kobalt-nikel varyantları o zamandan bu yana protez mühendisliğinde üstünlük sağlamıştır.Kobalt-krom Mo-bazlı yapay kalçaların gövdelerini ve çanaklarını, kobalt-krom alaşımı dizlerin eklemli yüzeylerini ve stabil olmayan kırıklar için kaplama, trafik-dikiş vidaları ve presle-geçirilmiş kemik pimlerini içeren ortopedik sabitleme cihazlarını şekillendirirler. Şu anda dökme kobalt-krom-alüminyum alaşımları en yaygın kullanılanlardır ve ISO 5582/4 standardına dahil edilmiştir. 1990 yılında ülkem bunu GB12417 ulusal standardına dahil etti.
Kobalt alaşımları genellikle insan vücudunda pasif bir durumda kalır ve nadiren paslanır. Paslanmaz çelikle karşılaştırıldığında pasif filmleri daha sağlam ve korozyona-dirençlidir. Ayrıca tüm tıbbi metal malzemeler arasında aşınmaya karşı en iyi direnci sunarlar ve genellikle implantasyondan sonra gözle görülür hiçbir histolojik reaksiyon üretmediklerine inanılır. Ancak yüksek maliyetleri nedeniyle kobalt alaşımlarından yapılan yapay kalça eklemleri, metal aşınması ve korozyondan kaynaklanan Co ve Ni iyonlarının salınımına bağlı olarak in vivo olarak yüksek oranda gevşeme gösterir. Ayrıca, çökelmiş Co ve Ni elementleri, in vivo olarak kolayca hücre ve doku nekrozuna neden olabilen ve ağrıya, eklem gevşemesine ve çökmeye yol açabilen ciddi alerjenlik gibi biyolojik zorluklara neden olur. Bu nedenle uygulamaları sınırlıdır. Son yıllarda kobalt alaşımlarının yüzey özelliklerini iyileştirmek ve klinik etkinliklerini etkili bir şekilde arttırmak için yüzey modifikasyon teknikleri kullanılmıştır.
3. Titanyum Alaşımları
Biyomedikal malzeme olarak Ti{0}}bazlı alaşımlar bilinen en biyouyumlu metaller arasındadır. 1940'lı yıllardan beri titanyum ve titanyum alaşımları klinik tıpta giderek uygulama alanı bulmuştur. 1951'de insanlar kemik plakaları ve vidaları yapmak için saf titanyum kullanmaya başladı. 1970'lerin ortalarında, titanyum ve titanyum alaşımları yaygın tıbbi uygulama kazanmaya başladı ve en umut verici tıbbi malzemelerden biri haline geldi. Şu anda titanyum ve titanyum alaşımları esas olarak ortopedide, özellikle de uzuv ve kafatası rekonstrüksiyonunda kullanılmaktadır. Çeşitli kırık tespit cihazları, yapay eklemler, kafa kapakları ve dura mater, yapay kalp kapakçıkları, dişler, diş etleri, tespit halkaları ve kronların yapımında kullanılırlar. Tıbbi uygulamalarda en yaygın kullanılan titanyum alaşımı TC4'tür (Ti-6Al-4V). Bu alaşım oda sıcaklığında + iki fazlı bir yapıya sahiptir. Dayanıklılığı ve diğer mekanik özellikleri, çözelti işlemi ve eskitme yoluyla önemli ölçüde geliştirilebilir.
Titanyum ve alaşımlarının yoğunluğu yaklaşık 4,5 g/cm³'tür; bu, paslanmaz çelik ve kobalt alaşımlarının kabaca yarısı kadardır ve insan sert dokusunun yoğunluğuna yakındır. Ayrıca biyolojik uyumlulukları, korozyon dirençleri ve yorulma dirençleri, paslanmaz çelik ve kobalt alaşımlarınınkini aşarak onları şu anda en iyi metal tıbbi malzemeler haline getiriyor. Titanyum ve alaşımlarının insan vücuduna olan ilgisi, yüzeylerindeki yoğun titanyum oksit (TiO2) pasifleştirme filminden kaynaklanır; bu film, implantasyondan sonra vücut sıvılarında kalsiyum ve fosfor iyonlarının apatit oluşturmak üzere birikmesine neden olur. Bu, belirli bir derecede biyoaktivite ve kemiğe bağlanma sergiler ve bu da onları intraosseöz implantasyon için özellikle uygun kılar. Ancak titanyum ve alaşımlarının dezavantajları düşük sertlikleri ve zayıf aşınma dirençleridir. Aşınma meydana gelirse, önce oksit filmi yok edilir, ardından aşınma parçacıklarının korozyon ürünleri insan dokusuna yayılır. Özellikle Ti-6Al-4V alaşımındaki toksik vanadyum (V) implant başarısızlığına neden olabilir. Titanyum ve alaşımlarının aşınma direncini arttırmak için, yüzey aşınma direncini arttırmak amacıyla yüksek sıcaklıkta iyon aminasyonu veya iyon implantasyonu kullanılabilir. Son yıllarda bazı yeni titanyum alaşımları (çoğunlukla -tipi alaşımlar) geliştirildi; bunların tümü insan vücuduna zararlı elementlerin azaltılmasına odaklanarak titanyum alaşımlarının biyouyumluluğunu etkili bir şekilde artırmaya odaklanıyor.
4. Şekil Hafızalı Alaşımlar
Biyomedikal malzeme olarak tıbbi şekil hafızalı alaşımlar (SMA'lar) üzerine araştırmalar 1970'lerde başladı ve hızla yaygın uygulama kazandı. Klinik uygulamada en yaygın kullanılan SMA nikel-titanyum SMA'dır. Tıbbi SMA'ların şekil hafızası geri kazanım sıcaklığı 36 ± 2 derecedir; bu, insan vücut sıcaklığına uygundur ve titanyum alaşımlarıyla karşılaştırılabilir biyouyumluluk gösterir. Bununla birlikte, SMA'lar büyük miktarda nikel içerdiğinden, uygunsuz yüzey işlemi, nikel iyonlarının çevredeki dokulara yayılmasına ve nüfuz etmesine neden olarak hücre ve doku nekrozuna neden olabilir. Tıbbi SMA'lar öncelikle plastik cerrahi ve diş hekimliğinde kullanılır. Kendiliğinden-genişleyen stentler, özellikle de kardiyovasküler stentler, bunların kullanımının başlıca örneğidir.
5. Değerli Metaller ve Saf Metaller: Tantal, Niyobyum ve Zirkonyum
Tıbbi değerli metaller, biyomedikal malzeme olarak kullanılan altın, gümüş, platin ve bunların alaşımlarını ifade eder. Değerli metaller mükemmel biyouyumluluğa, güçlü oksidasyon ve korozyon direncine, benzersiz fiziksel ve kimyasal stabiliteye, mükemmel işlenme özelliklerine sahiptir ve insan dokusu için-toksik değildir. Diş restorasyonlarında, kranyal onarımlarda, implante edilebilir elektronik cihazlarda, sinir protezlerinde, kulak ve diyafragmatik sinir stimülasyon cihazlarında, görsel sinir cihazlarında ve kalp pili elektrotlarında kullanılırlar.
Diş restorasyonları için tantal, mükemmel kimyasal stabiliteye ve fizyolojik korozyona karşı dirence sahiptir. Tantal oksit esas olarak emilmez ve-toksik değildir. Tantal, yüzeydeki oksit filme zarar vermeden diğer metallerle birleştirilebilir. Günlük klinikte, metallerin yüzeylerini pasifleştiren sürekli oksit tabakasının bozulmasından kaçınarak metalleri bağlamak mümkün görünmektedir. Tantal, niyobyum ve zirkonyum, titanyumunkilerle yakından uyumlu hem mikro yapı hem de reaktivite profilleri sergilediklerinden, aletli kemik greftleri ve vidayla tutulan diş köklerinden çıkarılabilir protezlerin menteşe bölümlerine, ince-duvarlı vasküler stentlere ve sıcaklık-düzenlenmiş toplam yapay kalpler gibi geniş cihaz yelpazesine kadar çeşitli implant uygulamaları için değerlendirilmişlerdir. Bununla birlikte, rutin uygulamada bu metallerin aranması hâlâ sınırlıdır; doğasında var olan iyileştirme ve üretim ekonomileri, onları çoğu implant marjının bütçesinin çok ötesinde konumlandırıyor.
