Kan nickel-baserade legeringar ersätta titanlegeringar för tillverkning av medicinsk utrustning?
Scenarier där partiell substitution är möjlig
Korrosionsbeständighet i extrema media
Nickel-baserade legeringar uppvisar utmärkt motståndskraft mot lösningar som innehåller starka syror, alkalier och klorid-, vilket är bättre än konventionella titanlegeringar (t.ex. Ti-6Al-4V). De är lämpliga för tillverkning av komponenter till medicinsk utrustning som t.exsterilisatorer för kirurgiska instrument, dialysmaskiner och kemiska analysatorer, där de kan motstå långvarig-erosion av steriliseringsmedel (t.ex. etylenoxid, väteperoxid) och kroppsvätskesimulatorer.
Hög hållfasthet och slitstyrka
Vissa nickel-baserade legeringar har högre draghållfasthet och slitstyrka än titanlegeringar. Till exempel har MP35N (en kobolt-nickel-krom-molybdenlegering) ultra-hög hållfasthet och utmattningsbeständighet, vilket gör det till ett idealiskt material förortopediska kirurgiska verktyg, tandborr och styrtrådar, som kan ersätta titanlegeringskomponenter som är benägna att slitas under lång-användning.
Scenarier där utbyte inte rekommenderas eller är genomförbart
Biokompatibilitetsrisker
De flesta nickel-baslegeringar innehåller en hög andel nickelelement (10 %–70 %). Nickeljoner kan läcka ut i människokroppen, utlösa allergiska reaktioner hos cirka 10%–20% av befolkningen, och kan till och med inducera inflammation eller vävnadsnekros i allvarliga fall. Däremot har titanlegeringar extremt låga jonfrisättningshastigheter, god histokompatibilitet och kan bilda en stabil oxidfilm på ytan, som kan integreras väl med mänskliga ben (osseointegration). Därför kan nickel-baserade legeringar inte ersätta titanlegeringar ikonstgjorda leder, tandimplantat, benplattor och hjärtstentar.
Densitet och modulfel överensstämmer
Densiteten hos nickel-baslegeringar (7,8–9,0 g/cm³) är mycket högre än för titanlegeringar (4,5 g/cm³), vilket kommer att öka vikten på implanterbara enheter och orsaka obehag för patienter. Dessutom är elasticitetsmodulen för nickel-baserade legeringar närmare den för rostfritt stål (cirka 200 GPa), vilket är mycket högre än för mänskligt kortikalt ben (10–30 GPa). Detta kommer att leda till den "stressavskärmande effekten" (implantatet bär det mesta av stressen, vilket resulterar i benresorption), medan titanlegeringar har en lägre elasticitetsmodul (ca 110 GPa), vilket kan minska denna effekt.
Bearbetbarhetsbegränsningar för precisionsimplantat
Titanlegeringar har god plasticitet och kan bearbetas till komplexa former (t.ex. porösa konstgjorda benställningar) genom additiv tillverkning (3D-utskrift). Även om nickel-baserade legeringar också kan 3D-printas, gör deras höga smältpunkt och dåliga värmeledningsförmåga dem benägna att spricka och deformeras under bearbetning, vilket inte är lämpligt för tillverkning av precisionsimplanterbara enheter med komplexa strukturer.
Slutsats
Nickel-baserade legeringar kandelvis ersätta titanlegeringari icke-implanterbar medicinsk utrustning och-högpresterande kirurgiska verktyg, vilket drar nytta av deras fördelar vad gäller korrosionsbeständighet och styrka.
För implanterbara enheter som kräver hög biokompatibilitet och osseointegration förblir titanlegeringar oersättliga och nickel-baserade legeringar rekommenderas inte på grund av biokompatibilitet och begränsningar av mekaniska egenskaper.
