Wie funktionieren metallische Werkstoffe im medizinischen Bereich?

In den letzten Jahren scheinen metallische Werkstoffe der Favorit im medizinischen Bereich zu sein. Metallische Werkstoffe haben viele unersetzliche Eigenschaften, die sie zu einem weit verbreiteten Werkstoff für Diagnose, Behandlung, Ersatz, Reparatur und sogar zur Verbesserung menschlicher Funktionen machen. Die früheste Verwendung von Metallwerkstoffen lässt sich bis zu den Phöniziern zurückverfolgen, die im dritten oder vierten Jahrhundert v. Chr. metallische Werkstoffe zum Füllen von Zähnen einsetzten; allerdings ähnelt sie aufgrund ihrer primitiven Methoden eher den kieferorthopädischen Zahnspangen, die viele Kinder heute tragen. Mitte und Ende des 19. Jahrhunderts hatten die Fortschritte in der Metallurgietechnik es den Menschen ermöglicht, mehr über die Eigenschaften von Metallen zu erfahren und Legierungen nach Bedarf herzustellen. Im Jahr 1896 begannen Mediziner erstmals, vernickelte Stahlschrauben zur Reparatur von Knochenbrüchen zu verwenden.

Medizinischer rostfreier Stahl

Stahl ist eigentlich eine Legierung auf Eisenbasis, und durch verschiedene Zusammensetzungen ist eine Vielzahl von Stahlwerkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften entstanden. Der Preis von Stahl ist seit der großen Stahlverhüttung im Westen sehr niedrig, außerdem hat Stahl sehr attraktive Eigenschaften, wie z. B. einfache Verarbeitung, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. Medizinischer Edelstahl ist in Operationssälen sehr verbreitet. Operationsmesser, Scheren, hämostatische Pinzetten usw. sind allesamt Produkte aus Edelstahl.

Kobalt-Legierung

Vor mehr als einem Jahrzehnt waren Sportarten im Freien sehr beliebt, genau wie der heutige Marathonlauf. Viele Menschen, die zu viel Sport treiben, verbrennen jedoch den Knorpel in ihren Gelenken, so dass sie sich in Krankenhäusern künstliche Gelenke einsetzen lassen müssen. Das am häufigsten verwendete künstliche Gelenkimplantat ist eine Kobaltlegierung. Die Abnutzungsbeständigkeit der Kobaltlegierung ist am besten, und nach der Implantation bildet sich auf der Oberfläche ein Passivierungsfilm, der für eine Langzeitimplantation geeignet ist.

Titanlegierung

In den 1940er Jahren wurde festgestellt, dass Titan ein leichtes, starkes und menschenfreundliches Metall ist. Gegenwärtig wird die Titanlegierung in der Orthopädie für Knochentransplantate, Schrauben, plastische Chirurgie, künstliche Herzmembranen, zahnärztliche Fixierungen usw. verwendet. Es ist das am häufigsten verwendete Metallmaterial im medizinischen Bereich geworden.

Obwohl Titanlegierungen hervorragende mechanische Eigenschaften haben, ist ihre Härte nicht so gut wie die von Kobaltlegierungen und ihre Oberflächenabriebfestigkeit ist nicht gut. Insbesondere wenn Titanlegierungen in Bereichen eingesetzt werden, in denen Verschleiß zu erwarten ist, können die abgenutzten Legierungen giftige Vanadiumionen ausscheiden, die zu Vergiftungen führen können. Die Forschungsrichtung bei Titanlegierungen ist nun vanadiumfrei.

Formgedächtnislegierungen und Edelmetalle

Eine Formgedächtnislegierung (SMA) ist eine Legierung, die sich ihre ursprüngliche Form "merkt" und nach einer Verformung bei Erwärmung wieder in ihre vorverformte Form zurückkehrt. Gegenwärtig werden Formgedächtnislegierungen hauptsächlich aus einer Nickel-Titan-Legierung hergestellt, und das Kernstück der Anwendung sind kardiovaskuläre Stents.

Edelmetalle sind in der Regel Silber, Gold und Platin. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Trägheit und eine geringe oder keine chemische Reaktion aus und werden häufig für Teile verwendet, die langfristig implantiert werden müssen. Goldzähne beispielsweise werden in der oralen Umgebung mit bestimmten Verdauungsenzymen lange Zeit verwendet, ohne dass ihr Glanz beeinträchtigt wird. Außerdem sind die Metalle Tantal, Niob und Zirkonium in ihrer Struktur dem Titan ähnlich und werden im Allgemeinen als Teil von Reparaturteilen aus Titanlegierungen verwendet. Diese Metalle sind jedoch teuer und können nicht in großen Mengen verwendet werden.