Имплантаты на основе металлических материалов: обзор материалов и конструкций

Назначением имплантатов является замена, восстановление, поддержание или улучшение функциональности различных тканей и органов человеческого тела. Их применение в современной медицине позволило значительно улучшить способы лечения, повысить качество и продолжительность жизни пациентов. Предпочтительными, с точки зрения возможности придания требуемых механических свойств, относительно небольшой стоимости материала и низких затрат на производство, являются металлические имплантаты. Металлы и их сплавы при производстве имплантатов превосходят керамические и полимерные материалы по комплексу таких свойств, как предел прочности, предел выносливости, износостойкость, твердость, упругость, вязкость, эффект памяти формы. В работе представлен обзор конструкций современных имплантатов различного назначения и металлических материалов, используемых для их производства. Анализ литературных источников показал, что современные имплантаты из металлических материалов представляют широкую номенклатуру и имеют существенные отличия по форме и размерам. Часть из них характеризуется малым сечением и жесткостью, при этом обладает упругими свойствами. Другие изделия являются несущими, в ряде случаев – массивными конструкциями. Согласно предложенной классификации по назначению металлические имплантаты разделяют на: зубные, черепные, челюстно-лицевые, позвоночные, травматологические, сердечно-сосудистые и эндопротезы суставов. Выполнен анализ преимуществ и недостатков основных металлических материалов, используемых при производстве имплантатов (коррозионностойкая сталь, титан и титановые сплавы, кобальт-хромовые сплавы и нитинол). Установлено, что все применяемые в настоящее время биосовместимые металлические материалы не являются полностью инертными по отношению к организму. Каждый материал в любом случае вызывает некоторую реакцию окружающих тканей. Наибольшую биосовместимость и коррозионную стойкость в организме обеспечивает технический титан, который, однако, обладает низкими прочностными характеристиками.

1. Thakur, А. Recent Advancements in the Surface Treatments for Enhanced Biocompatibility and Corrosion Resistance of Titanium-Based Biomedical Implants / А. Thakur, А. Kumar // Applied Chemical Engineering. 2024. Vol. 7, iss. 1. Art. ID 2042. https://doi.org/10.24294/ace.v7i1.2042.

2. Biomaterials in Cardiovascular Research: Applications and Clinical Implications / Jaganathan S.K [et al.] // Biomed Research International. 2014. Vol. 2014. Art. ID 459465. https://doi.org/10.1155/2014/459465.

3. Mahdavian, A. R. Efficient Separation of Heavy Metal Cations by anchoring Polyacrylic Acid on Superparamagnetic Magnetite Nanoparticles Through Surface Modification / A. R. Mahdavian, M. A. S. Mirrahimi // Chemical Engineering Journal. 2010. Vol. 159, iss. 1–3. P. 264–271. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.02.041.

4. Additive Manufacturing of Customized Metallic Orthopedic Implants: Materials, Structures, and Surface Modifications / L. Bai [et al.] // Metals. 2019. Vol. 9, iss. 9. P. 1004. https://doi.org/10.3390/met9091004.

5. Abraham, A. M. A Review on Application of Biomaterials for Medical and Dental Implants / A. M. Abraham, S. Venkatesan // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2023. Vol. 237, iss. 2. P. 249–273. https://doi.org/10.1177/14644207221121981.

6. Zwawi, M. Recent Advances in Bio-Medical Implants; Mechanical Properties, Surface Modifications and Applications / M. Zwawi // Engineering Research Express. 2022. Vol. 4, Nо 3. Art. ID 032003 https://doi.org/10.1088/2631-8695/ac8ae2.

7. Применение металлических материалов для медицинских имплантатов / А. Г. Илларионов [и др.] // Вестник Ивановской медицинской академии. 2017. Т. 22, № 4. C. 46–50.

8. Рожнова, О. М. Биологическая совместимость медицинских изделий на основе металлов, причины формирования патологической реактивности (обзор иностранной литературы) / О. М. Рожнова, В. В. Павлов, М. А. Садовой // Бюллетень сибирской медицины. 2015. № 14 (4). С. 110–118. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2015-4-110-118.

9. Rahmanivahid, P. Design Parameters of Dental Implants: A review / P. Rahmanivahid, M. Heidari // Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería. 2022. Vol. 38, iss. 1. https://doi.org/10.23967/j.rimni.2022.03.002.

10. Design and Mechanical Evaluation of a Large Cranial Implant and Fixation Parts / C. N. T. Kim [et. Al.] // Interdisciplinary Neurosurgery. 2023. Vol. 31. Article 101676. https://doi.org/10.1016/j.inat.2022.101676.

11. Хирургия челюсти [Электронный ресурс] // ООО «Титанмед». Режим доступа: https://titanmed.ru/production/maxillofacial-surgery.html. Дата доступа: 08.02.2024.

12. Implant Surface Technologies to Promote Spinal Fusion: A Narrative Review / A. Croft [et al.] // International Journal of Spine Surgery. 2023. Vol. 17, Iss. S3, P. S35–S43. https://doi.org/10.14444/8559.

13. Операция на позвоночнике с установкой имплантатов [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://spinelife.ru/operaciya-na-pozvonochnike-s-ustanovkoy-implantatov. Дата доступа: 09.02.2024.

14. Orthopedic Implants and Devices for Bone Fractures and Defects: Past, Present and Perspective / T. Kim [et al.] // Engineered Regeneration. 2020. Vol. 1. P. 6–18. https://doi.org/10.1016/j.engreg.2020.05.003.

15. Cardiovascular Stents: A Review of Past, Current, and Emerging Devices / A. S. Udriște [et al.] // Materials (Basel). 2021. Vol. 14. Article № 2498. https://doi.org/10.3390/ma14102498.

16. Endovascular Stent-Graft Treatment for Aortoesophageal Fistula Induced by an Esophageal Fishbone: Two Cases Report / H. Gong [et al.] // World Journal of Clinical Cases. 2022. Vol. 10. P. 2206–2215. https://doi.org/10.12998/wjcc.v10.i7.2206.

17. ООО «Полимедтех» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://medtech.by/razrabotki/filtry-lovushki-dlya-trombov/. Дата доступа: 09.02.2024.

18. The Use of Biological Heart Valves / S. Kueri [et al.] // Deutsches Ärzteblatt international. 2019. Vol. 116, iss. 25.P. 423–430. https://doi.org/10.3238/arztebl.2019.0423.

19. Improving Biocompatibility for Next Generation of Metallic Implants. / A. Bandyopadhyay [et al.] // Progress in Materials Science. 2023. Vol. 133. Article № 101053. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101053.

20. Kaneko, M. Effects of Molybdenum on the Pitting of Ferritic- and Austenitic-Stainless Steels in Bromide and Chloride Solutions / M. Kaneko, H. S. Isaacs // Corrosion science. 2002. № 44. P. 1825–1834.

21. Электрохимическое полирование матричных стентов из стали 316LVM с использованием микросекундных импульсов / Ю.Г. Алексеев [и др.] // Весцi Нац. акад. навук Беларусi. Сер. фiз.-тэхн. навук. 2021. Т. 66, № 2. С. 161–168. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2021-66-2-161-168.

22. In Silico Evaluation of Additively Manufactured 316L Stainless Steel Stent in a Patient-Specific Coronary Artery / R. He [et al.] // Medical Engineering & Physics. 2022. Vol. 109. Article № 103909. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2022.103909.

23. Теория и технология волочения. Основы процесса волочения / Б. Н. Марьин [и др.]. 2-е изд., доп. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. 85 с.

24. Patnaik, L. Status of Nickel Free Stainless Steel in Biomedical Field: A review of Last 10 Years and what Else Can be done / L. Patnaik, S. R. Maity, S. Kumar // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 26, part 2. P. 638–643. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.205.

25. On the Investigation of Surface Integrity of Ti6Al4V ELI using Si-Mixed Electric Discharge Machining. / M. U. Farooq [et al.] // Materials. 2020. Vol. 13, Iss. 7. Article № 1549. https://doi.org/10.3390/ma13071549.

26. Implants for Surgery. Metallic Materials. Part 2: Unalloyed Titanium: ISO 5832-2:2018; publ. 21.03.2018. International Organization for Standardization, 2018. 3 p.

27. Ильин, А. А. Титановые сплавы: состав, структура, свойства: справочник / А. А. Ильин, Б. А. Колачев, И. С. Полькин. М.: ВИЛС МАТИ, 2009. 519 с.

28. Plasma Electrolyte Polishing of Titanium and Niobium Alloys in Low Concentrated Salt Solution Based Electrolyte / Y. Aliakseyeu [et al.] // Mechanika. Vol. 27, № 1. P. 88–93. http:// doi.org/10.5755/j02.mech.25044.

29. Selective Laser Manufacturing of Ti-Based Alloys and Composites: Impact of Process Parameters, Application trends, and Future Prospects / N. Singh [et al.] // Mater. Today Adv. 2020. Vol. 8. Article № 100097. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2020.100097.

30. Liu, X. Surface Modification of Titanium, Titanium Alloys, and Related Materials for Biomedical Applications / X. Liu, P. K. Chu, C. Ding // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2004. Vol. 47, iss. 3–4. P. 49–121. https://doi.org/10.1016/j.mser.2004.11.001.

31. Модификация поверхности титановых имплантатов и ее влияние на их физико-химические и биомеханические параметры в биологических средах / В. В. Савич [и др.]; под науч. ред. В. В. Савича. Минск: Беларус. навука, 2012. 244 с.

32. Titanium allergy or Not? «Impurity» of Titanium Implant Materials / T. Harloff [et al.] // Health. 2010. Vol. 2, iss. 4. P. 306–310. https://doi.org/10.4236/health.2010.24045.

33. Abreu-García, A. Corrosion performance of Ti6Al7Nb alloy in simulated body fluid for implant application characterized using macro- and microelectrochemical techniques / A. Abreu-García, R. M. Souto, J. Izquierdo // Coatings. 2023. Vol. 13, Nо 6. Art. № 1121. https://doi.org/10.3390/coatings13061121.

34. Friction and wear performance of titanium alloys against tungsten carbide under dry sliding and water lubrication / Q. L. Niu [et al.] // Tribol. Trans. 2013. Vol. 56, Iss. 1. P. 101–108. https://doi.org/10.1080/10402004.2012.729296.

35. Tribological Behavior of Ti–6A1–4V and Ti–6Al–7Nb Alloys for Total Hip Prosthesis / M. Fellah [et al.] // Adv. Tribol. 2014. Vol. 2014. Article ID 451387. https://doi.org/10.1155/2014/451387.

36. Cobalt-chromium alloys in fixed prosthodontics in Sweden / M. Kassapidou [et al.] // Acta Biomaterialia Odontologica Scandinavica. 2017. Vol. 3, iss. 1. P. 53–62. https://doi.org/10.1080/23337931.2017.1360776.

37. Скоков, А. Д. Сплавы в ортопедической стоматологии / А. Д. Скоков // Новое в стоматологии. 1998. Т. 1, № 1. С. 28–44.

38. Processing Development and Properties of Cobalt-Chromium Alloys Fabricated by Traditional Method / W. Vittayakorn [et al.] // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 43, Part. 3. P. 2629–2634. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.627.

39. Narushima, T. Co-Cr alloys as Effective Metallic Biomaterials / T. Narushima, K. Ueda, A. Alfirano // Advances in Metallic Biomaterials / eds: M. Niinomi, T. Narushima, M. Nakai. Berlin, Heidelberg, Springer, 2015. P. 157–158. (Springer Series in Biomaterials Science and Engineering, Vol. 3). https://doi.org/10.1007/978-3662-46836-4_7.

40. Machinability of Cobalt-Based and Cobalt Chromium Molybdenum Alloys – A Review / A. Z. Hainol [et al.] // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11. P. 563–570. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.150.

41. Hryniewicz, T. Co–Cr Alloy Corrosion Behaviour after Electropolishing and “Magnetoelectropolishing” Treatments / T. Hryniewicz, R. Rokicki, K. Rokosz // Materials Letters. 2008. Vol. 62, iss. 17–18. P. 3073–3076. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2008.01.130.

42. Алексеев, Ю. Г. Электролитно-плазменное полирование кобальт-хромовых сплавов медицинского назначения / Ю. Г. Алексеев, А. Ю. Королёв, В. С. Нисс // Вес. нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2019. Т. 64, № 3. С. 296–303. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-296-303.

43. Release of Metal Ions From Nano C0C1M0 Wear Debris Generated from Tribo-Corrosion Processes in Artificial Hip Implants / W. Yang [et al.] // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2017. Vol. 68. P. 124–133. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2017.01.041.

44. Briffa, J. Heavy Metal Pollution in the Environment and their Toxicological Effects on Humans / J. Briffa, E. Sinagra, R. Blundell // Heliyon. 2020. Vol. 6, Iss. 9. Article № e04691. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04691.

45. Fretting-Corrosion of CoCr-Alloys Against TiA16V4: The Importance of Molybdenum in Oxidative Biological Environments / M.A. Wimmer [et al.] // Wear. 2021. Article № 203813. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203813.

46. Kapoor, D. Nitinol for Medical Applications: a Brief Introduction to the Properties and Processing of Nickel Titanium Shape Memory Alloys and Their use in Stents / D. Kapoor // Johnson Matthey Technology Review. 2017. Vol. 61, iss. 1. P. 66–76. https://doi.org/10.1595/205651317X694524.

47. Electrolytic Plasma Polishing of NiTi Alloy / A. Korolyov [et al.] // Mathematical Models in Engineering. 2021. Vol. 7, iss. 4, P. 70–80. https://doi.org/10.21595/mme.2021.22351.

48. Markopoulos, A. A Review on the Machining of Nickel-Titanium Shape Memory Alloys / A. Markopoulos, I. Pressas, D. Manolakos // Reviews on Advanced Materials Science. 2015. Vol. 42. P. 28–35.

49. Kocich, R. The Methods of Preparation of Ti-Ni-X Alloys and Their Forming / R. Kocich, I. Szurman, M. Kursa // Shape Memory Alloys-Processing, Characterization and Applications / ed. F. M. B. Fernandes. InTech, 2013.P. 28. https://doi.org/10.5772/50067.

50. Полякова, Г. Н. Термомеханическая обработка сплавов на основе титана и никеля / Г. Н. Полякова, У. Х. Угурчиев, Н. Н. Новикова // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 1. С. 91–95. https://doi.org/10.31857/S0235711920010113.

51. Исследование коррозионной стойкости биоматериалов на основе титана и никелида титана / А. А. Ильин [и др.] // Технология легких сплавов. 2007. № 3. С. 123–130.

52. Haider, W. Enhanced Biocompatibility of NiTi (Nitinol) via Surface Treatment and Alloying: Dissertation / W. Haider. Florida International University, 2010. 177 p. https://doi.org/10.25148/etd.FI10041612.

53. Manjaiah, M. Review on Non-Conventional Machining of shape Memory Alloys / M. Manjaiah, S. Narendranath, S. Basavarajappa // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24, iss. 1. P. 12–21. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(14)63022-3.

54. Improved Mechanical Properties of Porous Nitinol by Aluminum Alloying / A. N. Monogenov [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 918. Article № 165617. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165617

55. Combustion Synthesis Porous Nitinol for Biomedical Applications / H. Aihara [et al.] // International Journal of Biomaterials. 2019. Vol. 2019. Article ID 4307461. P. 1–11. https://doi.org/10.1155/2019/4307461.