Miks titaan seostub inimkehaga: selgitatud biosobivust

Mida titaani afiinsus inimkeha suhtes tegelikult tähendab

Titaan ei imendu eluskudedesse ega seostu sellega keemiliselt nii, nagu seda teeb luusiirdamine. Kui arstid kirjeldavad, et titaanil on inimkeha suhtes kõrge afiinsus, peavad nad silmas kahte mõõdetavat asja: metall on füsioloogilises keskkonnas tõhusalt inertne ja luukude kasvab otse selle pinnale ning lukustub sellesse mehaaniliselt ja bioloogiliselt. Seetõttu valitakse titaan implantaatide ja instrumendikomponentide jaoks mitte eksootilise iseloomu tõttu, vaid seetõttu, et see rahuldab samaaegselt korrosioonikindlust, bioloogilist inertsust, luude integreerumisvõimet ja väsimustugevust kombinatsioonis, mida teistel metallidel on raske leida.

Passiivoksiidkile: korrosioonikindluse allikas

Titaani käitumist kehas reguleerib õhuke, vastupidav oksiidikiht, mis tekib spontaanselt alati, kui metall puutub kokku hapnikuga, isegi toatemperatuuril õhus. See passiivne kile on vaid mõne nanomeetri paksune, kuid kleepub kindlalt, ei lahustu kehavedelikes ja on keemiliselt mitteläbilaskev, seega eraldab see all oleva metalli ümbritsevast koest ja takistab ioonide vabanemist. Kui kile saab käsitsemise või operatsiooni ajal kriimustada, muutub see hapniku juuresolekul peaaegu koheselt ümber, mistõttu saab titaankomponente puhastada ja uuesti{2}}passiveerida, kaotamata nende korrosioonikindlust.

Selle filmi tagajärjed on praktilised. Kehavedeliku kloriidi-rikas keskkond ei ründa implantaate, galvaaniline korrosioon titaani ja külgnevate metallkomponentide vahel on piiratud ning metalliioonide vabanemine ümbritsevatesse kudedesse jääb seadme kavandatud kasutusea jooksul väga madalale tasemele.

Pinna omadused, mis reguleerivad rakulist vastust

Kui seade on keha sees, on selle pind ainus osa, millega kude saab suhelda, seega on biosobivus nii pinnatehniline kui ka materjalide probleem. Omadused, mis määravad rakkude reageerimise, on pinnaenergia, märguvus, ruumiline vastupidavus, seondumiskohtade kättesaadavus ja pinna topograafia.

Märguvus ja pinnaenergia.Puhas, kõrge{0}}energiaga pind soodustab valgu adsorptsiooni soodsas konformatsioonis ning toetab rakkude adhesiooni ja proliferatsiooni. Saastunud või vähese energiaga pind tekitab otsese kokkupuute asemel kiudkapsli.

Topograafia.Lõhkamise, happesöövitamise või anodeerimise teel toodetud mikro-karedad pinnad kinnitavad osteoblaste ja neid kasutatakse laialdaselt hambaravi- ja ortopeediliste seadmete jaoks, samas kui seade peab liigenduma, eelistatakse poleeritud pindu.

Keemia.Titaannitriidkatteid kantakse mõnedele implantaatidele ja kirurgiainstrumendi komponentidele, et tõsta pinna kõvadust ja kulumiskindlust, säilitades samal ajal bioühilduvuse.

Steriliseerimine.Steriliseerimine peab säilitama pinna oleku. Töötlemisel, poleerimismassidel või käsitsemisel tekkivad jäägid võivad lüüa isegi õigesti määratud pinnatöötluse.

Luuintegratsioon ja luude paranemine

Osseointegratsioon on otsene struktuurne ja funktsionaalne ühendus elava luu ja implantaadi koormatud pinna vahel ilma vahepealse pehme koekihita. Titaan toetab seda mitmel põhjusel. Pinnaoksiidil on kõrge dielektriline konstant ja see ei denatureeri sellega kokkupuutuvaid valke, mistõttu organism ei kohtle implantaati kui võõrkeha, mis tuleb maha müürida. Titaanil on ka võime moodustada luuga füüsiline side, mistõttu ei sõltu see kleepuvatest ainetest ega tsemendist ning titaanimplantaat nõuab paigast nihkumiseks tunduvalt rohkem jõudu kui teisest materjalist tsementeeritud seade. Väidetavalt toetavad titaani mikrostruktuur ja kõrge pinnaenergia ka angiogeneesi, uute veresoonte moodustumist implantaadi ümber, mis on luu ümberkujunemise ja pikaajalise -fiksatsiooni eeltingimus.

Elektrokeemiline ja mehaaniline käitumine teeninduses

Titaanil võib olenevalt selle oksüdatsiooniastmest olla mitu standardset elektroodipotentsiaali ja tahke titaan kipub pigem oksüdeeruma kui redutseerima, mis on ülalkirjeldatud passiivse kile käitumise elektrokeemiline väljendus. Tingimustes, kus passiivne kile ei saa uueneda -, näiteks praos, kus puudub hapnikuvarustus ja kus on fluori -, on võimalik korrosioon, mistõttu seadme konstruktsioon väldib sügavaid pragusid kudede liideses.

Meditsiiniseadmete klassid ja standardid

Domineerivad kaks perekonda. Kaubanduslikult puhas titaan, mis on kaetud standardiga ASTM F67 ja ISO 5832-2 vastavate osadega, pakub parimat elastsust ja korrosioonikindlust ning seda kasutatakse hambaimplantaatide, kraniofatsiaalsete plaatide ja poorsete katete jaoks. Alfa-beeta sulam Ti-6Al-4V oma eriti madalal interstitsiaalsel kujul on kaetud standarditega ASTM F136 ja ISO 5832-3 ning seda kasutatakse seal, kus on vaja suuremat tugevust, näiteks puusavarred ja luukruvid. Hiina meditsiinilised spetsifikatsioonid vastavad GB/T 13810 klassisüsteemile ning samaväärsed sepistatud tootestandardid tööstuslikele ja meditsiinilistele materjalidele hõlmavad ASTM B265 plaatide ja lehtede jaoks ning ASTM B348 varda ja kangi jaoks. Klassi valik peab vastama nii nõutavale mehaanilisele tugevusele kui ka pinnatöötlusviisile, sest anodeeritud ja lõhkatud pinnad käituvad puhastel ja legeeritud klassidel erinevalt.

Instrumendikoostud, mida ei implanteerita, kuid mida steriliseeritakse korduvalt, teeb titaani sama korrosioonikindluse ja madala ioonide eraldusvõimega sobivaks valikuks, kuigi sageli kasutatakse madalamate{0}}kuluga roostevaba terast, kus korrosiooninõudlus on väiksem.

Korduma kippuvad küsimused

K: Miks peetakse titaani kõige bioloogiliselt kokkusobivamaks metalliks?
Kuna see ühendab endas stabiilse passiivse oksiidkile, vastupidavuse kehavedelike rünnakutele, bioloogilise inertsuse, võime integreeruda otse luuga ja kõrge väsimuspiiri, mis koos võimaldavad seadmel püsida töökorras aastaid ilma immuunreaktsiooni esilekutsumiseta.

K: Mis täpselt on osseointegratsioon?
See on otsene ühendus elava luu ja implantaadi koormatud pinna vahel, mille vahel pole pehmete kudede kihti. Titaan toetab seda, kuna selle oksiidpind ei denatureeri valke ega käivita kapseldamisreaktsiooni, mida teised materjalid esile kutsuvad.

K: Miks on oksiidkile nii oluline?
See on põhjus, miks metall on inertne. Kile on vaid nanomeetrite paksune, kuid see on lahustumatu, mitteläbilaskev ja iseparanev-, nii et see isoleerib metalli kehavedelikust ja hoiab ioonide vabanemise äärmiselt madalal.

K: Millist titaani klassi kasutatakse implantaatide jaoks?
Kaubanduslikult puhtad klassid vastavalt ASTM F67 hambaimplantaatide ja kraniofatsiaalsete seadmete jaoks ning eriti madal interstitsiaalne Ti-6Al-4V kuni ASTM F136, kus on vaja suuremat tugevust, vastavate ISO 5832 ja GB/T 13810 klassidega.

K: Miks on pinnatöötlus vajalik, kui materjal on juba bioühilduv?
Kuna kude puutub kokku ainult pinnaga. Karedus, märguvus, puhtus ja kattekiht määravad, kas rakud kleepuvad ja vohavad, seega tuleb pind kujundada nii, et see vastaks kavandatud bioloogilisele reaktsioonile.

K: Kas titaan võib oksiidkilest hoolimata keha sees korrodeeruda?
Normaalsetes tingimustes see ei toimi, kuid hapnikuvarustuseta pragu koos fluoriidiga võib takistada kile ümberkujunemist. Seetõttu väldib seadme disain sügavaid pragusid ja seisvaid piirkondi kudede liideses.