Clasificarea biomaterialelor metalice

INTRODUCERE

1.1 Definirea si clasificarea biomaterialelor metalice

Cuvantul biomaterial poate fi definit in doua moduri:

- un material sintetic utilizat pentru inlocuirea unei parti din corpul uman sau pentru a functiona direct cu un tesut viu;

- o substanta biologic inerta destinata implantarii sau incorpora-rii in sistemele vii.

O definitie mai completa, data la Conferinta Europeana a Societatii de Biomateriale, din martie 1986, precizeaza: biomaterialul este o substanta (alta decat medicamentul) sau combinatii de substante de origine sintetica sau naturala care poate fi utilizata pentru o perioada de timp, ca un intreg sau parte a unui sistem, pentru tratamente, dezvoltari sau inlocuiri de tesut, organ sau functie a corpului viu.

Termenul biometal sau bioaliaj nu are o definitie proprie, totusi prin aceste cuvinte trebuie sa intelegem materialele metalice utilizate ca biomateriale.

Biometalele sunt utilizate sub forma de dispozitive medicale, implante si proteze, care la randul lor se clasifica astfel:

- DISPOZITIVUL MEDICAL poate fi un instrument, aparat, implant, mecanism incluzind anumite componente, parti sau accesorii si care este destinat pentru a fi utilizat in diagnoze, in diverse cure, atenuare, tratament sau pentru prevenirea bolilor la oameni sau la animale;

- IMPLANTUL este un dispozitiv medical realizat din unul sau mai multe biomateriale, fiind plasat in corpul uman, total sau partial, pentru o perioada de timp semnificativa;

- PROTEZA este un dispozitiv care inlocuieste, in sens fizic, un membru, organ sau tesut al corpului;

- ORGANUL ARTIFICIAL este un dispozitiv medical care inlocuieste partial sau total functia unui organ al corpului;

- ALIAJUL CHIRURGICAL este un material metalic utilizat ca biomaterial;

- BIOCOMPOZITUL este un material care rezulta din combinatia a doua sau mai multe biomateriale fiecare avand proprietatile sale specifice in materialul compozit, acesta din urma posedand proprietati distinctive si imbunatatite.

Lucrarea de fata isi propune sa trateze numai prima grupa de biomateriale - cele metalice - care a constituit inceputul utilizarii implantelor si inca detine o pondere importanta in protezare si implantologie. Tehnica protezarii s-a dezvoltat in paralel cu studiul mecanicii si dinamicii tesuturilor, domeniu cunoscut sub numele de BIOMECANICA, care se refera la designul si insertia implantelor in organismul uman.

Utilizarea cu succes a unui biomaterial depinde de trei factori principali ca: proprietatile si biocompatibilitatea, starea de sanatate a pacientului si competenta chirurgului care utilizeaza implantul. De exemplu, caracteristicile cerute pentru placile de fixare a fracturii de femur sunt:

- acceptarea de catre tesutul viu a placii metalice;

- sa fie netoxice si necanceroase;

- sa fie inerte din punct de vedere chimic;

- rezistenta mecanica corespunzatoare;

- durata indelungata la oboseala;

- design ingineresc superior;

- densitate si greutate potrivita;

- pretul acceptabil, reproductibile si usor de fabricat in serie.

1.2 Scurt istoric privind evolutia utilizarii metalelor in medicina

Utilizarea metalelor ca biomateriale a inceput in 1860 cand Dr. J. Lister a pus bazele tehnicii chirurgiei aseptice. Primele dispozitive metalice sub forma de sarme si cuie executate din otel, aur, argint, platina, etc. s-au utilizat limitat la inceput datorita aparitiei infectiilor dupa realizarea implantului. Implanturile moderne s-au dezvoltat mai ales in domeniul repararii oaselor si articulatiilor.

Inainte de 1900 englezul Lane a realizat placutele din otel pentru fixare a fracturilor osoase (fig.1.1.), care au fost apoi perfectionate de catre Sherman din Pittsburgh (fig.1.2.) folosind otelul aliat cu vanadiu pentru imbunatatirea rezistentei si a ductibilitatii.

Fig.1.2. Modelul Sherman de placa

pentru fixarea facturilor

Ulterior aliajele pe baza de Co-Cr (numite Stellite) au fost primele materiale inerte pentru implanturi, realizate de Zierold in 1924. Curand dupa aceea au fost utilizate otelurile inoxidabile 18-8 (18% Cr, 8% Ni) si 18-8s Mo (intre 2 si 4% Mo in compozitie), care au rezistenta mecanice si la coroziune ridicata. Apoi un alt otel inoxidabil, numit Vitallium (19% Cr, 9% Ni), a fost introdus in practica medicala. Dupa Lister, alte materiale au fost promovate ca implanturi metalice, dupa ce in prealabil li s-au verificat proprietatile.

Tratamentul fracturii de femur a fost inceput in 1926, cand Hey-Groves a utilizat primele suruburi. Apoi Smith-Petersen (1931) a realizat primele cuie cu cap ramificat cu ajutorul carora a asigurat fixarea capului femural, folosind otel    inoxidabil. In 1939 a inceput folosirea cupelor acetabulare din otel inoxidabil (Vitallium) si din alte materiale nemetalice, in protezarea capului femural, aparand noi suprafete in tratarea articulatiilor.

Anul 1958 reprezinta data de referinta in perspectiva istorica a osteosintezei si a artoplastiei, cand o firma elvetiana introducea un set de instrumente si implanturi in osteosinteza moderna, alaturi de noi tehnici de aplicare. Materialul metalic utilizat pentru implanturi a fost otelul inoxidabil Cr-Ni- Mo.

In acelasi an s-a realizat pentru prima data o protezare de sold integral metalica, fara cimentare, avand tija diafazara din aliaj Ti-4Al-2Sn si capul femural din aliaj pe baza de cobalt: Co- Cr- Mo.

Datorita progresului numeroaselor discipline stiintifice avand la baza Stiinta Materialelor si Biomecanica, s-au definit si criteriile de baza pentru includerea materialelor biocompatibile in cadrul unor standarde internationale.

Cele mai importante realizari in domeniul dezvoltarii cronologice a implanturilor metalice sunt prezentate si in tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 Cronologia aparitiei si utilizarii biomaterialelor metalice

1.3 Clasificarea materialelor metalice utilizate in medicina

Biomaterialele metalice se clasifica, din punct de vedere al compozitiei chimice si al structurii fizice, in trei grupe principale: metale tehnic pure, aliaje metalice si compozite cu matrice metalica (CMM).

Metalele sunt utilizate in domeniul medical, in mod curent, ca implante chirurgicale, ca materiale dentare si in constructia diverselor aparate si dispozitive medicale. Exista peste 30 de elemente metalice utilizate in medicina sub forma de:

implante si proteze ortopedice si stomatologice: Al, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, Sn, Ta, Ti, V, W, Zr, etc.

aliaje dentare pretioase si semipretioase cu: Ag, Au, Cu, Ga, In, Ir, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, Ti, Zn, etc

aliaje dentare nepretioase cu: Al, B, Be, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Si, Ti, V, W

Aliajele utilizate ca implante chirurgicale in ortopedie si stomatologie, se impart in:

oteluri inoxidabile austenitice - constituie grupa aliajelor pe baza de Fe, cu continut ridicat de crom si nichel - sunt utilizate in stare laminata;

aliaje pe baza de cobalt, numite si aliaje CoCr, caracterizate prin continut ridicat de crom (25 - 30%), molibden (5 - 7%) si alte metale ca nichel, mangan zirconiu si staniu - sunt utilizate atat in stare deformata plastic cat si turnate;

aliaje pe baza de titan, cu 70 - 90% Ti, pot contin elemente ca Al, V, Nb, Ta, Mn, Zr si Sn. Aceste materiale sunt utilizate ca aliaje binare: Ti30Nb, Ti30Ta, TiMn, TiAl, TiNi (aliaj cu memorarea formei -nitinol),sau ternare ca:TiAlV,TiAlZr, etc. Aliajele mentionate la aceasta subgrupa pot fi integrate in diverse dispozitive medicale utilizate in neurochirurgie, ortopedie, cardiologie, chirurgia maxilofaciala, otologica si viscerala.

Cele mai utilizate aliaje sunt cele pe baza de cobalt crom (cca. 70%), urmate de aliajele cu titan; ultimele au excelente proprietati biocompatibile.

Aliajele dentare utilizate pentru restaurari dentare sub forma de:

coroane si punti de legatura (aliaje conventionale);

portelan lipit pe aliaje metalice (compozite ceramo-metalice);

sarme pentru corectarea danturii;

dantura metalica din aliaje dentare;

aliaje pentru lipirea (brazarea) lucrarilor dentare.

Exista peste 1000 aliaje dentare, care dupa compozitia chimica se clasifica in 4 subgrupe:

aliaje pretioase cu continut de Au, Pt, Ag, Cu si elemente platinice;

aliaje semipretioase cu continut scazut de aur, dar pe baza de paladiu ( Ag, Au, Pt, Cu);

aliaje nepretioase din grupa otel inoxidabil, CoCr, NiCr;

aliaje pe baza de titan.

Materiale compozite cu matrice metalica - CMM, din care fac parte: amalgamele dentare cu matrice de mercur si galiu; materialele metalo-ceramice, componentele protetice acoperite cu diverse straturi ceramice, etc. Straturile superficiale depuse pe implante le confera acestora proprietati speciale ca: rezistenta la coroziune, aspect estetic, duritate si faciliteaza dezvoltarea si ancorarea tesutului viu din zona implantului, etc.