W celu odpowiedzi na pytanie tytułowe, należy wprowadzić pojęcie biomateriałubiomateriałbiomateriału. Jest ono kluczowe, ponieważ oznacza każdy materiał lub substancję, która może zostać użyta w celu medycznym. Innymi słowy, to materiał do czasowego lub stałego uzupełnienia kości bądź narządów, przejęcia ich funkcji lub poprawy ich funkcjonowania, jak i wszelkie zewnętrznie stosowane narzędzia chirurgiczne.

Biomateriały mogą być wykonane z ceramiki, polimerów, metali i ich stopówstopstopów. W tym rozdziale najważniejsze są biomateriały metaliczne. Stopy metaliczne, przeznaczone do celów medycznych, powinny charakteryzować się następującymi cechami:

• odpornością na korozję;

• biokompatybilnościąbiotolerancjabiokompatybilnością;

• biofunkcyjnościąbiofunkcyjnośćbiofunkcyjnością;

• nietoksycznością:

• jednorodnością składu chemicznego;

• dobrą jakością metalurgiczną;

• brakiem tendencji do tworzenia zakrzepów;

• ściśle określonymi właściwościami mechanicznymi (na przykład wysoką twardością, wytrzymałością na ścieranie, ciągliwością);

• odpowiednimi właściwościami elektromagnetycznymi;

• niskimi kosztami wytwarzania.

Należy jednak mieć na uwadze, że powyższe cechy są uogólnione, a ściśle określone zastosowania wymagają dokładnie wyznaczonych parametrów danych materiałów. Biomateriały metaliczne dzielą się na cztery grupy: stale austenityczne, stopy kobaltu i z pamięcią kształtu oraz tytan i jego stopy.

To najwcześniej wprowadzona i najtańsza klasa stali stosowana w medycynie. Tworzone są na one na osnowie żelaza. Do najpopularniejszych przykładów należą stale typu 316l, czyli zawierające dodatki w postaci chromu, niklu i molibdenu, w których występują również pierwiastki, takie jak: krzem, mangan, azot oraz niob. Stale te są kwasoodporne, odporne na korozję, posiadają strukturę paramagnetycznąparamagnetyzmparamagnetyczną oraz odznaczają się dużą wytrzymałością, bo aż do 1850 MPa.

Odporność na korozję związana jest z dużą zawartością chromu (> 13%). To sprawia, że potencjał elektrochemiczny stali jest dodatni, stąd wynika większa odporność korozyjna w warunkach utleniających oraz tworzenie warstwy ochronnej tlenków chromu w wyniku pasywacjipasywacjapasywacji. Nikiel stabilizuje fazę stali i zwiększa odporność na korozję naprężeniową i międzykrystaliczną. Natomiast molibden chroni przed korozją wżerową. Przeróbka plastyczna stali oraz dodatek azotu zwiększa wytrzymałość stali. Skład pierwiastkowy najpopularniejszej stali austenitycznej, stosowanej w medycynie, zaprezentowano poniżej:

Indeks dolny /Źródło: http://iim.p.lodz.pl/media/materialy/mat‑kier‑MiBM‑AiR‑PiP‑Trans/Cwiczenie%2013.pdf Indeks dolny koniec_{/Źródło: http://iim.p.lodz.pl/media/materialy/mat‑kier‑MiBM‑AiR‑PiP‑Trans/Cwiczenie%2013.pdf}

Ten rodzaj stopów znalazł medyczne zastosowanie w produkcji: igieł, płytek kostnych, narzędzi chirurgicznych, stentów, endoprotez, wkrętów, grotów oraz śrub.

Stopy kobaltu są to materiały stosowane głównie na wszczepy długotrwałe, oparte na osnowie kobaltu. W porównaniu do stali austenicznych, posiadają znacznie wyższą odporność na korozję elektrochemiczną, wżerową i szczelinową w środowisku płynów ustrojowych. W skład tych stopów wchodzą głównie dodatki w postaci chromu (18%-30%), molibdenu (2,5%-9,0%) i niklu (15%-37%), a w śladowych ilościach również pierwiastki, takie jak: wolfram, węgiel, żelazo, mangan, krzem i tytan.

Właściwości antykorozyjne tych stopów wynikają z dużej zawartości w nich chromu i molibdenu. Powodują one zwiększenie odporności na szkodliwe działanie kwasów, chronią przed korozja wżerową i szczelinową (w środowisku obojętnym i kwasowym), a także przed korozją naprężeniową i zmęczeniową.

Technologie ich wytwarzania silnie wpływają na ich odporność korozyjną i własności mechaniczne, dlatego wyróżnia się trzy grupy stopów kobaltu:

• odlewnicze (typ Vitalium);

• do przeróbki plastycznej;

• wytwarzane metodą metalurgii proszków.

Pierwsze z nich wykazują strukturę niejednorodnego austenitu o dużej segregacji chemicznej (głownie chromu). Od stali austenicznych różnią się większą odpornością korozyjną.

Stopy stosowane w obróbce plastycznej zawierają ograniczone ilości węgla, krzemu, chromu i manganu, przy jednocześnie większej zawartości niklu do 33‑37%. W porównaniu do stopów odlewniczych, cechuje je wysoka odporność na korozję zmęczeniową (dwukrotnie), naprężeniową, szczelinową i wżerową. Są one również odporne na erozję czy kawitację.

Rbge1YlZYVBYS

Ilustracja przedstawia endoprotezę stanu kolanowego. Endoproteza jest wykonana z metalu, posiada wypustki i zaokrągloną zewnętrzną część.

Stopy kobaltowe stosowane są do produkcji elementów endoprotez stawu biodrowego, skokowego i kolanowego oraz płytek, drutów, grotów i wkrętów stosowanych głownie w stomatologii.

Stopy tytanu, jak i sam tytan, są bardzo popularnymi biomateriałami stosowanymi do implantów. Wykazują się długotrwałością i mogą przebywać w ludzkim organizmie nawet do 25 lat. Na tle wspomnianych powyżej stopów kobaltu i stali austenitycznych, tytan posiada najniższy ciężar właściwy i moduł Younga. Poza tym charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi, wysoką wytrzymałością zmęczeniową, odpornością na korozję (pasywacja-${\mathrm{TiO}}_2$) i biokompatybilnością, co pozwala na zrost tkanek kostnych z powierzchnią implantu (osteointegracja).

Stopy tytanu dzielą się na trzy grupy: stopy jednofazowe $\mathrm{\alpha }$, stopy dwufazowe $\mathrm{\alpha }+\mathrm{\beta }$ i stopy jednofazowe $\mathrm{\beta }$. Ze względu na niekorzystny wpływ wanadu na organizm ludzki (na przykład dla $\text{Ti6Al4V}$), obecnie stosowane są tzw. stopy bezwanadowe (na przykład $\mathrm{Ti}-\mathrm{Al}-\mathrm{Nb}$).

R1bZVxDJvmbpe

Ilustracja przedstawia implant stomatologiczny. Implant to ząb, który wewnątrz ma metalową śrubę wkręconą wgłąb kości.

Stosowane są do wytwarzania endoprotez (stawowych, kolanowych), płytek, wkrętów, gwoździ, mostów, czyli biomateriałów do zabiegów chirurgicznych i kardiochirurgicznych w organizmach ludzkich.

Stopy z pamięcią kształtu to grupa biomateriałów „inteligentnych” (SMA – shape memory alloys), która posiada pamięć kształtu. Najpopularniejszym przedstawicielem tych stopów jest Nitinol, który w swoim składzie zawiera nikiel i tytan (53‑57% $\mathrm{Ni}$). Charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję i biokompatybilnością w organizmie ludzkim.

Za pamięć kształtu w tych biomateriałach odpowiada odwracalna i termosprężysta przemiana martenzytyczna, która polega na zmianie struktury i otrzymaniu martenzytu na skutek ciągłego chłodzenia lub nagrzewania oraz przyłożenia lub zdjęcia siły w celu uniknięcia naprężenia. Gdy stop z pamięcią kształtu zostanie odkształcony, wówczas można go podgrzać (powyżej temperatury przemiany martenzytycznej), aby powrócił do swojego kształtu pierwotnego.