Стальные сплавы

Сталь, как стандартный материал для изготовления имплантатов, начали активно использовать в медицине с 1920-х гг., после введения кобальта и хрома как легирующих добавок.

Как класс имплантируемых материалов легированные стали показали высокую коррозионную стойкость и удовлетворительною биосовместимость. Сталь относится к имплантатам первого поколения, которые нашли широкое применение в травматологии и ортопедии.

В качестве имплантатов для хирургии разрешены следующие стальные сплавы:

• сталь нержавеющая деформируемая (МС 5832/1-87);
• деформируемая нержавеющая сталь с высоким содержанием азота (ПМС 5832/9-90);
• сталь марки 30XI3, 40XI3, 12Х18НIOТ;

По химическому составу стали разделяют на углеродистую и легированную. По качественному составу - на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную. По степени легирования стали подразделяются на низколегированную (содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (10-50%).

Для изготовления хирургических имплантатов используются только высоколегированные стали и коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы (ГОСТ 5632-72, разработан с учетом международных требований и международных стандартов ISO 683/XIII-85, ISO 683/XV-76, ISO 683/XVI-76, ISO 4955-83, ISO TC150 5832/1).

В высоколегированных сталях массовая доля железа не более 45%, а суммарная массовая доля легирующих элементов не менее 10% (считая по верхнему пределу) при массовой доле одного из элементов не менее 8% (по нижнему пределу) (Абрикосов, 1972).

Для медицинских изделий, имплантируемых в организм, в большинстве случаев используют стали мартенситного и аустенитного класса.

Некоторые механические характеристики металлов и других биоматериалов при комнатной температуре (Cook, 1986)

В медицине под окружающей средой для имплантируемых материалов подразумевают омывающие их телесные жидкости (кровь, плазма, сыворотка, лимфа, слюна, моча, желчь, желудочный сок, экссудаты), а также близлежащие ткани и органы. В результате действия окружающей среды металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). При этом механические и биологические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимых внешних изменений.

Как уже было сказано выше, различают коррозию, протекающую под действием газов (газовая коррозия), неэлектролитов (например, циклических ароматических углеводородов) и электролитов (телесные жидкости, кислоты, щелочи, соли).

В живом организме преимущественно протекает электрохимическая коррозия. У этой коррозии выделяют несколько видов. Если металл однороден, то наблюдается равномерная коррозия. В неоднородном металле коррозия носит локальный характер и захватывает только некоторые участки металла или его сплавов.

Эту локальную коррозию, в свою очередь, подразделяют на точечную, пятнистую и с язвами. Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений и при механических нагрузках могут стать местом разрушения металла.

Чрезвычайно опасна так называемая внутрикристаллическая коррозия, распространяющаяся по границам зерен металла вследствие более низкого их электрохимического потенциала. При этом коррозия достаточно быстро проникает по границам зерен вглубь материала, изменяя в худшую сторону его механические свойства.

При комбинированном действии напряжений и электролитов может развиться коррозия под напряжением. Разновидностью данной коррозии является коррозионное растрескивание, при котором в металле происходит образование тонких трещин, проходящих по объему зерен вдоль линий напряжений (Гудермон, 1959; Бокштейн, 1971; Лахтин, Леонтьева, 1980).

Повышение коррозионной стойкости стали достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитную пленку, которая прочно связана с металлом и предотвращает его контакт с окружающей средой, а также повышает электрохимический потенциал стали в агрессивных средах.

Для стальных изделий характерно развитие поверхностной коррозии, связанное с наличием в металле различных примесей. С помощью различных режимов электроплавления металла в инертных газах, в вакууме удается получить сплавы, в которых можно значительно снизить уровень нежелательных примесей, таких как углерод, кремний и марганец.

Тем не менее, присутствие ряда нежелательных элементов, в конечном счете, сказывается на биосовместимости имплантируемых устройств.

В результате развиваются токсикологические, иммунные, аллергические и даже мутагенные и канцерогенные осложнения.

Область применения стальных сплавов в медицине

Сталь марки 30X13 и 40X13 используется для изготовления хирургического инструмента, пружин, стержней, пластин и т.п. Применяется после закалки и низкого отпуска со шлифованной и полированной поверхностью, обладает повышенной твердостью (50-60 по Роквеллу). Сталь марки 12Х18Н10Т, более пластичная, используется для изготовления спиц, скоб, зажимов, в различных отраслях промышленности. Ее обычно используют в АВФ. Производится в виде сортового металла и горячекатаного листа. Обладает повышенной сопротивляемостью межкристаллической коррозии за счет высокого отпуска после закалки в масле с образованием достаточно крупных карбидных частиц.

Спецификация некоторых сплавов, используемых в медицине по стандартам ASTM

На сегодняшний день сталь является многогранным материалом с хорошей комбинацией прочности, пластичности, в сочетании с относительно низкой ценой. К ее преимуществам можно отнести способность сравнительно неплохо противостоять коррозии и совместимость с другими материалами (Мюллер и др., 1996).

Тем не менее, сталь и стальные сплавы имеют ряд недостатков, связанных, в первую очередь, с низкой, по сравнению, например, с металлами капсульной группы Ti, Та, Nb, биосовместимостью. Входящие в их состав токсические агенты могут поступать в окружающие ткани не только в результате коррозии, но и механического разрушения, особенно при трении металла с костной тканью и другими поверхностями. При этом выход вредных веществ может увеличиваться в 100 раз по сравнению с обычной коррозией. Это может быть причиной возникновения металлозов, аллергических и воспалительных реакций вокруг стальных имплантатов. Кроме того, сталь имеет достаточно большой удельный вес, низкую теплопроводность, высокую электропроводность. В последнем случае ее невозможно использовать для так называемого диэлектрического остеосинтеза, т.к. при помещении стальных изделий в хлорсодержащую среду (кровь, лимфа, физиологический раствор и т.д.) наблюдаются гальванические эффекты, препятствующие процессам нормальной репарации костной ткани. Перечень недостатков стали можно продолжить, поэтому в настоящее время специалисты не рекомендуют использовать ее для изготовления погружных имплантатов.

В связи с этим постоянно ведется работа по разработке новых сплавов и материалов, обладающих необходимыми свойствами, среди которых следует выделить кобальт-хром-молибденовые, титановые, тантал-ниобиевые и циркониевые сплавы (Alcantara et al., 1999).


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики