Biokompatybilność tytanu
Tytan został po raz pierwszy wprowadzony do gabinetów w latach pięćdziesiątych XX wieku, po tym, jak był używany w stomatologii przez dekadę wcześniej. Jest to obecnie metal wybierany do protetyki, mocowania wewnętrznego, urządzeń wewnętrznych ciała i oprzyrządowania. Tytan jest używany od stóp do głów w implantach biomedycznych. Tytan można znaleźć w neurochirurgii, aparatach słuchowych na przewodnictwo kostne, sztucznych implantach oczu, klatkach do zespolenia rdzenia kręgowego , rozrusznikach serca , implantach palców stóp i protezach barku/łokcia/biodra/kolana, a także w wielu innych. Głównym powodem, dla którego tytan jest często stosowany w organizmie, jest biokompatybilność tytanu oraz, z modyfikacjami powierzchni, powierzchnią bioaktywną. Właściwości powierzchni, które wpływają na biokompatybilność, to tekstura powierzchni , zawada steryczna, miejsca wiązania i hydrofobowość (zwilżanie). Te cechy są zoptymalizowane, aby stworzyć idealną odpowiedź komórkową. Niektóre implanty medyczne, a także części narzędzi chirurgicznych są powlekane azotkiem tytanu (TiN).
Biokompatybilność
Tytan jest uważany za najbardziej biokompatybilny metal ze względu na jego odporność na korozję spowodowaną płynami ustrojowymi, bioobojętność, zdolność do osteointegracji i wysoką granicę zmęczenia. Zdolność tytanu do wytrzymania trudnych warunków ciała jest wynikiem ochronnej warstwy tlenku, która tworzy się naturalnie w obecności tlenu. Warstwa tlenku jest silnie przylegająca, nierozpuszczalna i nieprzepuszczalna chemicznie, co zapobiega reakcjom między metalem a otaczającym środowiskiem. [ potrzebne źródło ]
Interakcja i proliferacja osteointegracji
Powierzchnie o wysokiej energii indukują angiogenezę podczas osteointegracji
Sugerowano, że zdolność tytanu do osteointegracji wynika z wysokiej stałej dielektrycznej jego tlenku powierzchniowego, który nie denaturuje białek (takich jak tantal i stopy kobaltu ). Jego zdolność do fizycznego wiązania się z kością daje tytanowi przewagę nad innymi materiałami, które wymagają użycia kleju, aby pozostać przymocowanym. Implanty tytanowe są trwalsze, a do zerwania wiązań łączących je z ciałem potrzeba znacznie większej siły niż ich alternatywy.
Właściwości powierzchni decydują o osteointegracji
Właściwości powierzchni biomateriału odgrywają ważną rolę w określaniu odpowiedzi komórkowej (adhezji i proliferacji komórek) na materiał. Mikrostruktura i wysoka energia powierzchniowa tytanu umożliwiają indukowanie angiogenezy, która wspomaga proces osteointegracji.
Energia powierzchniowa
Potencjał redoks
Tytan może mieć wiele różnych standardowych potencjałów elektrod w zależności od stopnia utlenienia. Stały tytan ma standardowy potencjał elektrody -1,63 V. Materiały o większym potencjale elektrody standardowej są łatwiej redukowane, co czyni je lepszymi utleniaczami. Jak widać w poniższej tabeli, stały tytan woli ulegać utlenianiu, co czyni go lepszym środkiem redukującym.
| Pół reakcji | Standardowy potencjał elektrody (V) |
|---|---|
| Ti 2+ + 2 e − → Ti (s) | -1,63 |
| Ti 3+ + 3 e − → Ti (s) | -1,21 |
| TiO 2 + + 2 H + + 4 mi - → Ti(s) + H 2 O | -0,86 |
| 2 TiO 2 (s) + 2 H + + 2 e − → Ti 2 O 3 (s) + H 2 O | -0,56 |
| Ti 2+ (wodny)/M 3+ (wodny) | -0,36 |
Powłoka pokrywająca powierzchnię
Tytan naturalnie pasywuje, tworząc warstwę tlenku, która staje się niejednorodna i spolaryzowana w zależności od czasu ekspozycji na środowisko ciała. Prowadzi to do zwiększonej adsorpcji grup hydroksylowych, lipoprotein i glikolipidów w czasie. Adsorpcja tych związków zmienia sposób interakcji materiału z organizmem i może poprawić biokompatybilność. W stopach tytanu, takich jak Ti-Zr i Ti-Nb, jony cyrkonu i niobu, które są uwalniane w wyniku korozji, nie są uwalniane do ciała pacjenta, ale są dodawane do warstwy pasywacyjnej. Pierwiastki stopowe w warstwie pasywnej dodają stopień biokompatybilności i odporności na korozję w zależności od pierwotnego składu stopu metalu luzem przed korozją.
Stężenie powierzchniowe białka ( jest określone przez
gdzie Q ADS to gęstość ładunku powierzchniowego w C⋅cm −2 , M to masa molowa białka w g⋅mol −1 , n to liczba przeniesionych elektronów (w tym przypadku jeden elektron na każdą protonowaną grupę aminową w białko), a F jest stałą Faradaya w C⋅mol −1 .
Równanie częstości kolizji jest następujące:
gdzie D = 8,83 × 10 −7 cm 2 ⋅s −1 to współczynnik dyfuzji cząsteczki BSA w temperaturze 310 K, d = 7,2 nm to „średnica” białka, która jest równoważna dwukrotności promienia Stokesa, N A = 6,023 × 10 23 mol −1 to stała Avogadra, a c * = 0,23 g⋅L −1 (3,3 μM) to krytyczne stężenie przesycenia w masie.
Zwilżanie i twarda powierzchnia
Zwilżanie zachodzi jako funkcja dwóch parametrów: chropowatości powierzchni i frakcji powierzchniowej. Zwiększając zwilżanie, implanty mogą skrócić czas potrzebny do osteointegracji, umożliwiając komórkom łatwiejsze wiązanie się z powierzchnią implantu. Zwilżanie tytanu można modyfikować optymalizując parametry procesu, takie jak temperatura, czas i ciśnienie (pokazane w tabeli poniżej). Tytan ze stabilnymi warstwami tlenków, składającymi się głównie z TiO2, powoduje lepsze zwilżanie implantu w kontakcie z płynem fizjologicznym.
| Powierzchnia | Kąt zwilżania (stopnie) | Ciśnienie (mbar) podczas przetwarzania | Temperatura (w stopniach C) podczas przetwarzania | Inna obróbka powierzchni |
|---|---|---|---|---|
| Nagi Ti | ~50 | - | - | Nic |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 TiO 4 (płaski) | ~33 | 2.2 | 700 | Utlenianie |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (płaski) | ~45 | 4 | 700 | Utlenianie |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 TiO 4 (pusty) | ~32 | 2.2 | 400 | Utlenianie |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (pusty) | ~25 | 2.6 | 500 | Utlenianie |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (pusty) | ~8 | 4 | 400 | Utlenianie |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (pusty) | ~20 | 4 | 500 | Utlenianie |
| Ti z chropowatą powierzchnią | 79,5 ± 4,6 | - | - | Obrobiona powierzchnia |
| Ti z powierzchnią alkaliczną | 27,2 ± 6,9 | - | - | Biopowierzchnia |
Adsorpcja
Korozja
Mechaniczne ścieranie warstwy tlenku tytanu prowadzi do zwiększonej szybkości korozji .
Tytan i jego stopy nie są odporne na korozję w ludzkim ciele. Stopy tytanu są podatne na absorpcję wodoru, co może wywoływać wytrącanie wodorków i powodować kruchość, prowadząc do uszkodzenia materiału. „Zaobserwowano kruchość wodorową jako mechanizm degradacji in vivo w warunkach korozji szczelinowej powodującej tworzenie się TiH, reakcję powierzchniową i pękanie wewnątrz zwężeń korpusu modułowego Ti/Ti”. Badanie i testowanie zachowania tytanu w organizmie pozwala uniknąć nadużyć prowadzących do śmiertelnego uszkodzenia implantu, takich jak stosowanie produktów dentystycznych o wysokim stężeniu fluoru czy substancji obniżających pH środowiska wokół implantu.
Przyczepność
Komórki na styku implantu są bardzo wrażliwe na ciała obce. Gdy implanty są instalowane w organizmie, komórki inicjują reakcję zapalną, która może prowadzić do hermetyzacji, upośledzając funkcjonowanie wszczepionego urządzenia.
Idealna odpowiedź komórek na bioaktywną powierzchnię charakteryzuje się stabilizacją i integracją biomateriału, a także redukcją potencjalnych miejsc infekcji bakteryjnej na powierzchni. Jednym z przykładów integracji biomateriałów jest tytanowy implant ze zmodyfikowanym biointerfejsem pokrytym motywami biomimetycznymi . Wykazano, że powierzchnie z tymi motywami biomimetycznymi wzmacniają wiązanie i sygnalizację integryny oraz różnicowanie komórek macierzystych. Zwiększenie gęstości grupowania ligandów również zwiększyło wiązanie integryny. Powłoka składająca się z trimerów i pentamerów zwiększyła powierzchnię kontaktu kości z implantem o 75% w porównaniu z obecnym standardem klinicznym niepowlekanego tytanu. To zwiększenie powierzchni pozwala na zwiększoną integrację komórkową i zmniejsza odrzucanie wszczepionego urządzenia. The Izoterma Langmuira :
,
adsorbatu to maksymalna ilość zaadsorbowanego białka, B ADS powinowactwo cząsteczek adsorbatu do miejsc adsorpcji. Izotermę Langmuira można zlinearyzować, przekształcając równanie do,
Ta symulacja jest dobrym przybliżeniem adsorpcji na powierzchni w porównaniu z wartościami eksperymentalnymi. Izotermę Langmuira adsorpcji pierwiastków na powierzchni tytanu można wyznaczyć wykreślając znane parametry. Eksperyment fibrynogenu na powierzchni tytanu „potwierdził przydatność izotermy Langmuira w opisie adsorpcji fibrynogenu na powierzchni Ti”.