Biokompatybilność nitinolu

Biokompatybilność nitinolu jest ważnym czynnikiem w zastosowaniach biomedycznych. Nitinol (NiTi), który powstaje przez stopienie niklu i tytanu (~ 50% Ni), jest stopem z pamięcią kształtu o superelastycznych właściwościach bardziej podobnych do kości, [ wymagane wyjaśnienie ] w porównaniu ze stalą nierdzewną , innym powszechnie stosowanym biomateriałem . Zastosowania biomedyczne wykorzystujące nitinol obejmują stenty , narzędzia do zastawek serca, kotwice kostne, zszywki, do ubytków w przegrodzie i implanty. Jest to powszechnie stosowany biomateriał, zwłaszcza w rozwoju technologii stentów.

Implanty metalowe zawierające kombinację biokompatybilnych metali lub stosowane w połączeniu z innymi biomateriałami są często uważane za standard dla wielu typów implantów. Pasywacja to proces, który usuwa korodujące elementy implantu z powierzchni styku implant-korpus i tworzy warstwę tlenku na powierzchni implantu. Proces ten jest ważny dla uczynienia biomateriałów bardziej biokompatybilnymi.

Przegląd powszechnych metod pasywacji

Przy wprowadzaniu materiałów do organizmu ważne jest nie tylko to, aby materiał nie uszkodził organizmu, ale także aby otoczenie organizmu nie uszkodziło implantu. Jedną z metod, która zapobiega negatywnym skutkom wynikającym z tej interakcji jest pasywacja . [ potrzebne źródło ]

Ogólnie rzecz biorąc, pasywacja jest uważana za proces, który tworzy niereaktywną warstwę na powierzchni materiałów, dzięki czemu materiał może być chroniony przed uszkodzeniami powodowanymi przez środowisko. Pasywację można osiągnąć za pomocą wielu mechanizmów. Warstwy pasywne można wytwarzać poprzez łączenie monowarstw poprzez szczepienie polimerów. Często w celu ochrony przed korozją tworzy się warstwy pasywne poprzez tworzenie się warstw tlenków lub azotków na powierzchni. [ potrzebne źródło ]

Struktura komórki elementarnej TiO 2

Folie tlenkowe

Pasywacja często występuje naturalnie w niektórych metalach, takich jak tytan, metal, który często tworzy warstwę tlenku składającą się głównie z TiO 2 . Proces ten zachodzi spontanicznie jako entalpia tworzenia TiO 2 jest negatywny. W stopach, takich jak nitinol, tworzenie się warstwy tlenku nie tylko chroni przed korozją, ale także usuwa atomy Ni z powierzchni materiału. Inną formą pasywacji jest usuwanie pewnych pierwiastków z powierzchni materiałów. W nitinolu usuwanie Ni jest ważne, ponieważ Ni jest toksyczny, jeśli zostanie wypłukany do organizmu. Stal nierdzewna jest zwykle pasywowana przez usuwanie żelaza z powierzchni za pomocą kwasów i ciepła. Kwas azotowy jest powszechnie stosowany jako łagodny utleniacz do tworzenia cienkiej warstwy tlenku na powierzchni materiałów, która chroni przed korozją.

Elektropolerowanie

Innym sposobem pasywacji jest polerowanie. Polerowanie mechaniczne usuwa wiele zanieczyszczeń powierzchniowych i pęknięć struktury krystalicznej, które mogą sprzyjać korozji. Elektropolerowanie jest jeszcze bardziej skuteczne, ponieważ nie pozostawia zadrapań, które pozostawia polerowanie mechaniczne. Elektropolerowanie odbywa się poprzez tworzenie ogniw elektrochemicznych , w których materiał będący przedmiotem zainteresowania jest używany jako anoda . Powierzchnia będzie miała postrzępione cechy, w których niektóre punkty są wyższe niż inne. W tym ogniwie gęstość prądu będzie większa w wyższych punktach i spowoduje, że punkty te rozpuszczą się z większą szybkością niż punkty dolne, wygładzając w ten sposób powierzchnię. Zanieczyszczenia punktów sieci krystalicznej również zostaną usunięte, ponieważ prąd zmusi te wysokoenergetyczne zanieczyszczenia do rozpuszczenia się z powierzchni.

Powłoki

Inną powszechnie stosowaną metodą pasywacji jest powlekanie materiału warstwami polimerowymi. Warstwy składające się z poliuretanu zostały użyte w celu poprawy biokompatybilności, ale odniosły ograniczony sukces. Materiały powłokowe z biologicznie podobnymi cząsteczkami odniosły znacznie większy sukces. Na przykład fosforylocholina stenty o zmodyfikowanej powierzchni wykazywały zmniejszoną aktywność trombogenną. Pasywacja jest niezwykle ważnym obszarem badań w zastosowaniach biomedycznych, ponieważ ciało jest surowym środowiskiem dla materiałów, a materiały mogą uszkodzić ciało poprzez wypłukiwanie i korozję. Wszystkie powyższe metody pasywacji zostały wykorzystane przy opracowywaniu biomateriałów nitinolowych w celu wytworzenia najbardziej biokompatybilnych implantów.

Wpływ pasywacji powierzchniowej na biozgodność

Techniki pasywacji powierzchni mogą znacznie zwiększyć odporność nitinolu na korozję. Aby nitinol miał pożądane właściwości supersprężyste i z pamięcią kształtu, wymagana jest obróbka cieplna. Powierzchniowa warstwa tlenku po obróbce cieplnej zawiera większe stężenie niklu w postaci NiO 2 i NiO. Ten wzrost zawartości niklu przypisywano dyfuzji niklu z materiału sypkiego do warstwy powierzchniowej podczas obróbki w podwyższonej temperaturze. Metody charakteryzacji powierzchni wykazały, że niektóre zabiegi pasywacji powierzchni zmniejszają stężenie NiO 2 i NiO w warstwie powierzchniowej, pozostawiając wyższe stężenie bardziej stabilnego TiO2 niż w surowym, poddanym obróbce cieplnej Nitinolu.

Spadek stężenia niklu w warstwie powierzchniowej nitinolu jest skorelowany z większą odpornością korozyjną. Test potencjodynamiczny jest powszechnie stosowany do pomiaru odporności materiału na korozję. Ten test określa potencjał elektryczny, przy którym materiał zaczyna korodować. Pomiar nazywa się potencjałem wżerów lub przebicia. Po pasywacji w roztworze kwasu azotowego, elementy stentu Nitinol wykazywały znacznie wyższy potencjał rozpadu niż te, które nie były pasywowane. W rzeczywistości istnieje wiele metod obróbki powierzchni, które mogą znacznie zwiększyć potencjał rozpadu nitinolu. Obróbki te obejmują mechaniczne polerowanie, elektropolerowanie i obróbkę chemiczną, taką jak zanurzenie w tlenku azotu, wytrawianie surowej warstwy tlenku powierzchni i wytrawianie w celu rozbicia materiału sypkiego w pobliżu powierzchni. [ potrzebne źródło ]

Trombogeniczność , czyli skłonność materiału do wywoływania tworzenia się skrzepów, jest ważnym czynnikiem decydującym o biokompatybilności każdego biomateriału, który wchodzi w kontakt z krwią. Istnieją dwa białka, fibrynogen i albumina , które najpierw adsorbują się na powierzchni ciała obcego w kontakcie z krwią. Sugerowano, że fibrynogen może powodować aktywację płytek krwi w wyniku rozpadu struktury białka, gdy oddziałuje z granicami ziaren o wysokiej energii na niektórych powierzchniach. Z drugiej strony albumina hamuje aktywację płytek krwi. Oznacza to, że istnieją dwa mechanizmy, które mogą pomóc w obniżeniu trombogenności, a amorficzna warstwa powierzchniowa, w której nie będzie oddziaływań na granicy ziaren z fibrynogenem oraz powierzchnia o większym powinowactwie do albuminy niż fibrynogen. [ potrzebne źródło ]


Tak jak trombogenność jest ważna przy określaniu przydatności innych biomateriałów, jest równie ważna w przypadku nitinolu jako materiału na stent. Obecnie, po wszczepieniu stentu, pacjent otrzymuje antyagregacyjną przez rok lub dłużej, aby zapobiec tworzeniu się skrzepu w pobliżu stentu. Idealnie, do czasu zakończenia terapii lekowej, warstwa komórek śródbłonka , które wyścielają wnętrze naczyń krwionośnych, pokryje zewnętrzną stronę stentu. Stent jest skutecznie zintegrowany z otaczającą tkanką i nie ma już bezpośredniego kontaktu z krwią. Podjęto wiele prób z wykorzystaniem obróbki powierzchniowej w celu stworzenia stentów, które są bardziej biokompatybilne i mniej trombogenne, próbując zmniejszyć potrzebę intensywnej terapii przeciwpłytkowej. Warstwy powierzchniowe o wyższym stężeniu niklu powodują mniejsze krzepnięcie ze względu na powinowactwo albuminy do niklu. Jest to przeciwieństwo właściwości warstwy wierzchniej, które zwiększają odporność na korozję. Testy in vitro wykorzystują wskaźniki zakrzepicy, takie jak płytki krwi, Aminotransferaza tyrozynowa i poziomy β-TG. Zabiegi powierzchniowe, które w pewnym stopniu obniżyły trombogenność in vitro, to:

  • Elektropolerowanie
  • Piaskowanie
  • Powłoki poliuretanowe
  • Powłoki aluminiowe

Innym obszarem badań jest wiązanie różnych środków farmaceutycznych, takich jak heparyna, z powierzchnią stentu. Te stenty uwalniające leki są obiecujące w dalszym zmniejszaniu trombogenności bez uszczerbku dla odporności na korozję.

Spawalniczy

Nowe postępy w zakresie spawania mikrolaserowego znacznie poprawiły jakość wyrobów medycznych wykonanych z nitinolu. [ potrzebne źródło ]

Uwagi

Nitinol jest ważnym stopem do stosowania w wyrobach medycznych, ze względu na wyjątkową biozgodność, szczególnie w obszarach odporności na korozję i trombogenności. Odporność na korozję jest zwiększona dzięki metodom, które wytwarzają jednolitą warstwę dwutlenku tytanu na powierzchni z bardzo małą liczbą defektów i zanieczyszczeń. Trombogeniczność jest obniżona na powierzchniach nitinolowych zawierających nikiel, więc procesy zatrzymujące tlenki niklu w warstwie powierzchniowej są korzystne. Wykazano również, że stosowanie powłok znacznie poprawia biokompatybilność.

Ponieważ wszczepione urządzenia stykają się z powierzchnią materiału, nauka o powierzchni odgrywa integralną rolę w badaniach mających na celu poprawę biokompatybilności oraz w opracowywaniu nowych biomateriałów. Rozwój i udoskonalanie nitinolu jako materiału na implanty, od scharakteryzowania i ulepszenia warstwy tlenku po opracowanie powłok, opiera się w dużej mierze na nauce o powierzchni.

Trwają badania mające na celu wyprodukowanie lepszych, bardziej biokompatybilnych powłok. Badania te obejmują wytwarzanie powłoki, która jest bardzo podobna do materiału biologicznego w celu dalszego zmniejszenia reakcji na ciało obce. biokompozytowe zawierające komórki lub powłoki białkowe są badane pod kątem zastosowania z nitinolem, a także z wieloma innymi biomateriałami.

Bieżące badania/dalsza lektura

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nitinol_biocompatibility&oldid=1101950098 ”