Materiale Metalice Folosite în Implanturi

Materiale metalice folosite în implanturi

Metalele au fost folosite, sub diferite forme, în implanturi. Primul metal utilizat special pentru folosirea în implanturile, în corpul uman, a fost vanadiul (“Sherman Vanadium Steel”), care a fost folosit în fabricarea plăcilor şi şuruburilor utilizate în fracturile osoase. Majoritatea metalelor folosite pentru realizarea implanturilor, precum Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo şi W, pot fi tolerate de organism doar în cantităţi mici. Câteodată aceste elemente metalice, în formă naturală, sunt esenţiale în funcţiile celulare (Fe) sau în sinteza vitaminei B12 (Co), dar nu pot fi tolerate în cantităţi mari în organism. Biocompatibilitatea implantulurilor metalice este o problemă considerabilă pentru că acestea au tendiţa de a se coroda într-un mediu ostil. Consecinţa coroziunii este pierderea de material, care va slăbi rezistenţa implantului, şi poate chiar mai mult de atât, coroziunea produce deteriorări în ţesuturi, acest lucru ducând la efecte nedorite. În continuare, se studiază relaţia dintre compoziţia, structura şi proprietăţile metalelor şi aliajelor folosite pentru fabricarea implanturilor.

Oţelurile inoxidabile

Primul oţel inoxidabil folosit ca material pentru realizarea unui implant a fost 18-8 (tipul 302 în clasificarea modernă), care are o rezistenţă mai mare decât vanadiul şi este mult mai rezistent la coroziune. Oţelul pe bază de vanadiu nu mai este folosit în implanturi deoarece rezistenţa sa la coroziune este inadecvată. Ulterior, a început să fie folosit oţelul inoxidabil 18-8sMo. Acesta conţine molibden pentru a îmbunătăţi rezistenţa la coroziune în apă sărată. Acest aliaj a început să fie cunoscut ca oţel inoxidabil tipul 316. În anii 1950, cantitatea de carbon din tipul de oţel inoxidabil 316 a fost redus de la 0,08 %greutate la maxim 0,03 %greutate pentru o mai mare rezistenţă la coroziune în clorur; acest nou aliaj a fost cunoscut ca tipul 316L.

Element Compoziţie(%greutate)

Carbon 0,030 max

Magneziu 2,00 max

Fosfor 0,025 max

Sulf 0,010 max

Silicon 0,75 max

Crom 17,00-19,00

Nichel 13,00-15,00

Molibden 2,25-3,00

Azot 0,10 max

Cupru 0,50 max

Fier echilibru

Tabelul 1.Compoziţia oţelului inoxidabil tip 316L folosit pentru implanturi chirurgicale.

Tipurile şi compoziţia oţelurilor inoxidabile

Cromul este un component major al oţelurilor inoxidabile rezistente la coroziune. Valoarea minimă efectivă a concentraţiei de crom este de 11% greutate. Cromul este un element reactiv dar atât el cât şi aliajele sale pot fi pasivizate astfel încât să se obţină o excelentă rezistenţă la coroziune.

Oţelurile inoxidabile austenitice, mai ales tipurile 316 şi 316L, sunt cel mai des folosite în implanturi. Acestea nu se durifică prin încălzire, ci prin prelucrare la rece. Includerea molibdenului creşte şansele rezistenţei la coroziune în apă sărată. ASTM (American Society of Testing Materials – Societatea americană de testare a materialelor) recomandă tipul 316L, şi nu 316 în realizarea implanturilor.. Compoziţiile tipurilor de oţel inoxidabil 316 şi 316L sunt prezentate în Tabelul 1.

Nichelul este folosit în stabilizarea fazei austenice la temperatura camerei şi, mai mult decât atât, pentru creşterea rezistenţei la coroziune. Stabilitatea fazei austenice, în cazul oţelurilor inoxidabile cu carbon 0,10 % greutate, poate fi influenţată de conţinutul de Ni şi Cr, aşa cum se poate observa şi în Figura 1.

Figura1. Efectul Ni% şi Cr% asupra austenitei din oţelurile inoxidabile cu un conţinut de 0,1%greutate. Reprintat cu permisiunea lui Keating(1956). Copyright © 1956 Butterworths.

În Tabelul 2 sunt prezentate proprietăţile mecanice ale oţelurilor inoxidabile de tipul 316 şi 316L . Aşa cum se poate observa, o mare varietate de proprietăţi pot fi obţinute în funcţie de procesul de încălzire (pentru a obţine materiale moi) sau de răcire (pentru o rezistenţă mai mare şi duritate). Proiectantul trebuie să fie foarte atent la alegerea materialului de acest tip. Chiar şi tipul 316L poate coroda în corpul uman în anumite circumstanţe, precum o zonă cu presiune foarte mare şi lipsită de oxigen. Cu toate acestea sunt potrivite pentru a fi folosite în implanturi temporare precum tije, şuruburi şi articulaţiile şoldului.