Aktualności

Zużycie oraz tarcie metali i stopów do zastosowań medycznych

Tribologia jest nauką dotyczącą zużycia, tarcia i smarowania, która została wykorzystana w zastosowaniach biomedycznych. Medyczne metale i stopy mogą zapewniać wewnętrzne wsparcie w ciele i są stosowane jako zamienniki tkanki biologicznej. Typowe zastosowania biomedyczne obejmują zamienniki stawów i kości, tworzenie stentów do leczenia chorób serca i ortopedycznych urządzeń mocujących do naprawy kości.

Materiały na implanty składają się zwykle z chirurgicznej stali nierdzewnej, stopów kobaltu lub stopów tytanu. Zużycie tribologiczne występujące w stawach mogą powodować korozję w biomateriałach z metali i ich stopów, ponieważ metale są szczególnie narażone na tarcie, które jest wzmacniane przez działanie korozyjnych płynów ustrojowych. Okres użytkowania metalowych urządzeń biomedycznych zależy więc od ich odporności na ścieranie i zużycie.

Użytkowanie metalicznych implantów

Zużycie i korozja stanowią główne przyczyny niepowodzenia implantacji. Mogą powodować aseptyczne obluzowanie tam, gdzie zawodzi więź między implantem metalowym a kością i aktywna resorpcja macierzy kostnej poprzez osteolizę. Ponadto zużycie i tarcie implantów może powodować toksyczne działanie jonów metali na komórki. Różne stopy metali stosowane na implanty medyczne różnią się pod względem właściwości mechanicznych i odporności na zużycie.

Stwierdzono, że stal chirurgiczna jest podatna na korozję wżerową i korozję naprężeniową. Stopy kobaltu zapewniają najwyższą odporność na zużycie i często są wykorzystywane jako materiał do wytwarzania sztucznych stawów biodrowych, które często ulegają zużyciu. Zarówno stal nierdzewna, jak i stopy kobaltu mają liczne wady. Zaliczany jest do nich między innymi wyższy moduł sprężystości niż kość, co powoduje ekranowanie naprężeń w postaci zmniejszonej gęstości kości.

Ponadto zarówno stopy stali nierdzewnej, jak i stopy kobaltu zawierają nikiel i inne pierwiastki, które mogą prowadzić do reakcji alergicznej. Stopy tytanu są często stosowane w biomedycynie ze względu na ich udowodnioną wysoką biokompatybilność. Wykazują one jednak słabe właściwości tarcia i zużycia dzięki niskiemu współczynnikowi hartowania w miejscu pracy i niskiej ochronie przed siłami dostarczanymi przez tribo-tlenki, które występują na powierzchni stopu.

Techniki zmniejszania poziomu zużycia i tarcia w metalicznych implantach

Obecnie stosowane sztuczne implanty stawu biodrowego i kolanowego należy wymieniać co 10-15 lat z powodu uszkodzenia implantu. Uszkodzenie takie może być  spowodowane przez aseptyczne obluzowanie i osteolizę związaną ze zużyciem. Potencjalnym rozwiązaniem problemu zużycia i tarcia dla sztucznych implantów stawowych jest produkcja odpornej na zużycie powłoki. Zapewniając gładszą powierzchnię dla połączenia przegubowego, zapewnia się występowanie mniejszego zużycia, zwiększając okres użytkowania metalowych urządzeń biomedycznych. Właściwości tribologiczne poprawiają się dzięki powłokom powierzchniowym. Badania wykazały, że powłoki z węglika wolframu na implantach ze stopów tytanu utwardzają powierzchnię metalu i zmniejszają jego zużycie.

Inne techniki zmniejszania zużycia i tarcia w metalach i stopach medycznych obejmują implantację jonów. Na powierzchni implantów osadza się jony, aby zmodyfikować fizyczne i chemiczne właściwości zewnętrznej powierzchni. Zbadano potencjalne zastosowanie jonów węgla przyłączonych do powierzchni ze stopu kobaltu z wykorzystaniem jonów źródła plazmowego. Wyniki wykazały, że zmodyfikowana powierzchnia metalu miała niższe współczynniki tarcia i zwiększoną odporność na uszkodzenia. Działanie takie może wydłużyć okres użytkowania implantów medycznych.

Konieczne są dalsze badania, aby dokładnie zbadać biokompatybilność materiałów wykorzystywanych zarówno do wytwarzania powłok, jak i do implantacji jonów, zanim zostaną zastosowane w tworzeniu metalicznych implantów.

Redaktor: Aleksandra Laska

Źródło.

Podobne artykuły

Naukowcy inspirując się mikroskopijnymi strukturami na skrzydłach motyli szklanoskrzydłych (Greta oto) stworzyli powierzchnię umożliwiającą manipulowanie promieniaami światła. Dzięki tej powierzchni, u pacjentów chorych na jaskrę, implanty oka charakteryzują się większą skutecznością i trwałością. Według...
Grafen to nanomateriał utworzony z węgla o strukturze plastra miodu i grubości jednego atomu. Zapewnia wyjątkowe właściwości optyczne, termiczne, elektroniczne i mechaniczne. Materiał ten może być wytwarzany w postaci arkuszy, płatków oraz tlenku grafenu, a wszystkie z nich...