Staal in de operatiekamer

In de operatiekamer heeft men te maken met biomaterialen waarvan de implantaten gemaakt zijn en met het metaal van de instrumenten. Een implantaat wordt gemaakt van titaan of een legering uit de “kobald, chroom, molybdeen” groep. Dat is corrosievast metaal, biologisch inert of biotolerant, zodat het niet door het lichaam wordt afgestoten, en zorgt voor opname van de implantaat in het lichaam door deels te integreren in het bot. Voor de instrumenten worden meestal de bekende roestvaste stalen gebruikt.

Biomaterialen

Biomaterialen worden in de orthopedie en tandartsenij gebruikt voor implantaten, als botvervangend materiaal. Ideaal is dat in het geval van tijdelijke implantatie ter ondersteuning van een genezing proces het biomateriaal door het lichaam afbreekbaar is, naar dit z.g.n. biodegradeerbaar materiaal wordt veel onderzoek gedaan. Corrosievastheid en het accepteren van het materiaal door het lichaam (biocompatiliteit) geldt voor alle biomaterialen.

Biocompatiliteit met het bot

De lichaamsreactie op de implantaat delen we als volgt in: ‘bio-tolerant’, ‘bio-inert’ of ‘bio-actief’.

• Wordt het biomateriaal gedoogd door het in te kapselen met een bindweefsel dan heet het materiaal bio-tolerant; roestvast staal en chroom-kobaltlegeringen behoren tot deze groep.
• Is er geen reactie tussen implantaat en bot, spreekt men van bio-inert. Titaan voldoet er aan.
• Bioactief is een biomateriaal indien gecoat met hydroxylapatiet (calciumfosfaat), omdat deze stof ook in het bot voorkomt hecht het zich aan het bot. De implantaten worden voorzien van een dunne laag hydroxylapatiet

Hydroxlapaytiet

Hydroxlapaytiet is een geschikte implantaat ter vervanging van het menselijk bot. Het is een composietmateriaal dat voor circa 75% bestaat uit een anorganisch stof, een vezelachtige structuur van hoofdzakelijk collageen. De structuur en samenstelling van het anorganische deel wordt benaderd door hydroxylapatiet, een calciumfosfaat {Ca10(PO4)6(OH)2}. Hydroxylapatiet is biocompatibel, het wordt geaccepteerd door het lichaam zonder bijwerkingen. Het materiaal is echter bros, het breekt gemakkelijk. Het is ongeschikt als implantaat. Hydroxylapatiet wordt daarom aangebracht als poreuze coating op een implantaat van titaan. Botweefsel hecht zich aan dit implantaat, doordat het zich prima in/aan de coating van hydroxylapatiet verankert.
Met hydroxylapatiet bekleed titanium is het meest geschikte implantaat ter vervanging van bot.

Kunstgewrichten

Metalen die voor kunstgewrichten worden gebruikt, zijn voornamelijk roestvast staal en legeringen van kobalt, chroom en titanium. De kunstgewrichten zijn gebaseerd op de combinatie van een "kop" met daartegenover een "kom" (in de wertuigbouw spreekt men van een kogelgewricht). Op het botvervangende implantaat wordt een poreuze laag aangebracht waar het bot in groeit, of op het implantaat een calciumfosfaat pasta laag aanbrengen die met het bot integreert. Er zijn biomaterialen in onderzoek die bot vervangen of botgroei stimuleren. Door de juiste diameter van de poriën kan er snel bot(in)groei plaatsvinden. Biomaterialen gaan gemiddeld circa 15 jaar mee, kans op falen door materiaalproblemen wordt in de loop der tijd groter.

Metaallegeringen in de operatiekamer

Roestvaststaal algemeen

De in roestvaststaal veel gebruikte legeringselementen zijn: chroom, nikkel, molybdeen, vanadium, kobalt. Chroom verbetert hardheid (slijtvastheid) en corrosie weerstand. Nikkel maakt het ferritische chroomstaal austenitisch. Het verbetert de hardheid en slijtvastheid en corrosievastheid. Molybdeen verhoogt treksterkte en hardheid (slijtvast). De zouten en basen van deze legeringselementen zijn giftig, en kunnen lichaamscellen aantasten. Dat roestvaststaal lang in het lichaam kan blijven komt doordat implantaten door lichaamseigen bindweefsel wordt ingekapseld. Roestvaststaal is biotolerant. Patiënten met contactallergie voor chroom en nikkel is het beter titaan te implanteren.

Roestvast chroomnikkel staal AISI 316L

Veel gebruikt roestvaststaal voor implantaten (platen en schroeven) en instrumenten is het niet magnetische austenitisch AISI 316L. Het bevat ca 18% chroom, ca 10% nikkel, ca 2% molybdeen, max. 2% mangaan, max. 1% silicium, max. 0,03% koolstof. De corrosievastheid ontstaat door een zichzelf herstellend chroomoxide huid. Het austenitisch staal is niet door een warmtebehandeling te harden alleen door kouddeformatie. Roestvaststaal 316L wordt toegepast voor tijdelijke implantaten, dit osteo-synthese materiaal wordt verwijderd als de functie van de implantaten niet meer nodig is.

Chroomstaal AISI 440 B
Een ander veel gebruikt roestvaststaal is het magnetisch martensitisch AISI 440 B. Het chroomstaal kan door warmtebehandeling op veel hogere sterkte en hardheid gebracht worden dan het austenitische CrNi staal AISI 316L. Het bevat 18% chroom, max. 0,75% molybdeen, 0,75 -0,95 % koolstof, max. 1,0% silicium plus mangaan. Ook hier ontstaat corrosievastheid door de chroomoxide huid. Veel OK instrumenten die bij de operaties gebruikt worden bestaan uit martensitisch roestvast staal AISI 440 B omdat de standtijd langer is dan 316L.

Kobald chroom legering CoCr 60-40

Kobald is een legeringelement die de mechanische eigenschappen verbetert. Het wordt redelijk goed door het lichaam verdragen, de legering is bio-tolerant.

Vitallium 2000, kobald chroom molybdeen legering CoCr Mo 60-30-6

Vitallium wordt toegepast voor kunstgewrichten en implantaten in de orthopedische chirurgie. Ook wordt het gebruikt in de tandtechniek voor frameprothesen omdat het metaal geen allergische reacties veroorzaakt en bestand is tegen lichaamsvloeistoffen.

Het metaal heeft een grotere corrosiebestendigheid dan roestvaststaal en de mechanische eigenschappen zijn iets beter. Deze geïmplanteerde CoCr Mo legering laat weinig ionen los en de reactie van het omliggend weefsel is klein. Vitallium heeft een betere biocompatibiliteit dan roestvast staal. Er ontstaat een bindweefsellaag om de implantaat heen. De legering is biotolerant en combineert corrosiebestendigheid, sterkte en biocompatibiliteit en is speciaal voor medische toepassing ontwikkeld. De andere "medische" legeringen zijn later op de markt gekomen.

Protasul® een titaan aluminium legering

De legering Ti Al V is biotolerant. De elementen aluminium en vanadium bevorderen de vorming van bindweefsel rond het Ti Al V implantaat, de legering is lichter, taaier en sterker dan zuiver titanium.

Tivanium® een titaan vanadium legering Ti V

Titaan smelt bij lage temperatuur en legeert gemakkelijk. Gelegeerd met andere metalen is het sterk, slijtbestendig, corrosievast en taai. Er zijn implantaten die van zuiver titaan worden gemaakt, zoals schroeven of de houder voor de kunststof glijlaag in een gewrichtkom. Titaanoxide is stabiel, er vormen zich geen ionen om het weefsel te irriteren, er ontstaat geen bindweefsel tussen titaan en bot, titaan is bio-inert. Titaanlegeringen worden bijvoorbeeld gebruikt als osteosynthese materiaal en als clips voor afbinden van bloedvaten. Tevens toegepast voor instrumenten als hanteerbaarheid (sterkte - gewicht verhouding) van het instrument een grote rol speelt, zoals instrumentarium voor oogchirurgie en microchirurgie. De stijfheid van titaan benaderd die van bot, wat gunstig is voor de levensduur van implantaten en protheses. De titaanprothese is lichter dan een prothese van chroom-nikkel-staal en even sterk.

Geheugenmetaal

Er zijn technieken waarbij men gebruik maakt van ‘geheugenmateriaal’. Dit is metaal dat bijvoorbeeld bij kamertemperatuur koudvervormd wordt (verkleind) waardoor het gemakkelijk in een ader ingebracht kan worden, als het op zijn plaats zit veert het door de lichaamswarmte terug in zijn originele vorm van voor de tijdelijke deformatie, waardoor het zijn functie als ader- openhouder of als bloedstolselfilter kan uitoefenen.

Zilver

Zilver en de meeste zilververbindingen worden door het lichaam verdragen. Door de goede biocompatibiliteit gebruikt men zilver om minder goede biocompatibele materialen te verzilveren. Dit laagje zilver bepaalt de biocompatibiliteit van de implantaat. Door slechte mechanische eigenschappen wordt het echter niet als prothesemateriaal gebruikt.

Nawoord

Men streeft naar verlenging van de standtijd van implantaten. Die is nu gemiddeld circa 15 jaar en een vervelend idee voor vooral jongere mensen, die dus meerdere malen geopereerd moeten worden. Gewrichtsvervangende prothese moet in de toekomst slijtvast zijn en zonder materiaalmoeheid een levenslang sterk wisselende belasting opvangen. Ontwikkeling van biomaterialen richt zich op vermindering van slijtage en verbetering van de slijtvastheid van implantaten en op beïnvloeding van weefsels zodat deze kraakbeen en bot vormen. We zien reeds in dit artikel dat titaanlegeringen steeds meer het roestvaststaal verdringen.

Lees verder

• Puddle staal, het staal van de Eiffeltoren
• Het staal van de onzinkbare Titanic
• Damast, het staal van de Indische kris