زیست سازگاری تیتانیوم

تیتانیوم اولین بار در دهه ۵۰ میلادی برای جراحی بکار برده شد؛ در حالیکه یک دهه قبل تر برای ساخت ایمپلنت بکار رفته بود. امروزه از این فلز به عنوان پروتز، ایمپلنت‌های ثابت کننده داخلی، دستگاه‌های داخل بدن و ابزار دقیق استفاده می‌شود. از تیتانیوم از سر تا انگشتان پا به عنوان ایمپلنت استفاده می‌شود. از جمله کاربردهای این فلز می‌توان به استفاده در جراحی‌های مغز و اعصاب، ایمپلنت‌های چشم، قفس فیوژن ستون فقرات، ضربان‌سازها، ایمپلنت‌های پا و جایگزین‌های شانه، آرنج، مفصل ران، زانو و چندین کاربرد دیگر اشاره کرد. علت اصلی استفاده از تیتانیوم در بدن، زیست سازگاری فلز و دارا بودن سطوح زیست فعال در صورت اعمال فرایندهای بهبود سطح است. از جمله پارامترهای سطحی که بر زیست سازگاری ماده اثرگذار هستند، می‌توان به بافت سطحی، steric hindrance, binding sites و آب‌دوستی اشاره کرد. برای ایجاد پاسخ سلولی مطلوب، بایستی این پارامترها بهینه شوند. برخی از ایمپلنت‌های پزشکی و همچنان ابزارهای جراحی با تیتانیوم نیترید پوشش داده می‌شوند.

زیست سازگاری

تیتانیوم به علت مقاومت به خوردگی مطلوب در مقابل سیالات بدن، زیست نفوذ ناپذیری، گیرش مطلوب ایمپلنت توسط استخوان و حد خستگی بالا به عنوان زیست سازگارترین ماده شناخته می‌شود. مقاومت تیتانیوم در برابر محیط سخت بدنی به علت فیلم اکسید محافظی است که به صورت طبیعی در صورت وجود اکسیژن شکل می‌گیرد. این فیلم اکسید که به شدت پایدار، غیرقابل حل، و غیرقابل نفوذ شیمیایی است، از واکنش‌ها بین فلز و محیط احاطه کننده جلوگیری می‌کند.

تحریک آنژیوژنز حین گیرش توسط سطوح پر انرژی

پیشنهاد داده شده‌است که ظرفیت تیتانیوم برای گیرش توسط استخوان از ثابت دی الکتریک بالای اکسید سطح نشات می‌گیرد که در پروتئین‌ها تأثیری نمی‌گذارد. یکی از عمده مزیت‌های تیتانیوم نسبت به آلترناتیوهای این ماده-که برای متصل شدن نیاز به پوشش چسبنده دارند-توانایی این ماده در ایجاد اتصال فیزیکی با استخوان می‌باشد.

خواص سطحی تأثیرگذار بر گیرش

خواص سطحی یک زیست ماده نقش بسزایی در مشخص کردن پاسخ سلولی (چسبندگی سلولی و تکثیر) به ماده دارد. ریزساختار تیتانیوم و انرژی سطحی بالا، آن را قادر به تحریک آنژیوژنز (رشد رگ‌های خونی جدید) می‌کند که بر فرایند گیرش ماده کمک می‌کند.

پتانسیل بازآوری

تیتانیوم می‌تواند با توجه به شرایط اکسیداسیون موجود، پتانسیل‌های الکتریکی استاندارد متفاوتی را نشان دهد. تیتانیوم جامد پتانسیل الکترود استانداردی برابر -1.63V دارد. موادی با پتانسیل الکترود استاندارد بالاتر راحت‌تر اکسید می‌شوند. در جدول زیر پتانسیل‌های الکترون استاندارد در شرایط مختلف برای تیتانیوم آورده شده‌است.

پوشش دهی سطحی

در انفعال سطحی تیتانیوم فیلم اکسید به صورت طبیعی تشکیل می‌شود. این فیلم اکسید تحت تابعی از زمان حضور در محیط بدنی ناهمگن و قطبی خواهد شد. همچنین مورد اشاره شده سبب جذب سطحی گروه هیدروکسیل‌ها، لیپوپروتئین‌ها و گلیکوالیپیدها در این زمان خواهد شد. جذب این ترکیبات سبب تغییر در برهمکنش ایمپلنت با بدن و بهبود زیست سازگاری آن می‌شود. در آلیاژهای تیتانیوم از جمله آلومینیوم-زیرکونیوم و آلومینیوم-نئوبیوم، یون‌های زیرکونیوم و نئوبیوم که به علت خوردگی آزاد می-شوند، در بدن بیمار آزاد نمی‌شود، بلکه به لایه غیرفعال اکسیدی اضافه می‌شود. عناصر آلیاژی در لایه غیرفعال اکسیدی می‌تواند سبب زیست‌سازگاری بیشتر و مقاومت به خوردگی شود که درجه تأثیر آن به اصلی‌ترین عنصر آلیاژی مقاوم به خوردگی وابسته است.
تجمع سطحی پروتئین (Γ) توسط معدلهٔ زیر تعریف می‌شود:
که در آن QADS چگالی شارژ سطحی، M جرم مولی پروتئین مورد نظر، n تعداد الکترون‌های مبادله شده و F ثابت فارادی می‌باشند.
معادلهٔ فرکانس برخورد به صورت زیر است:
که در فرمول اشاره شده، D ضریب انتشار مولکول BSA در دمای ۳۱۰ کلوین، d قطر پروتئین مد نظر -که دو برابر شعاع استوکس است-، NA عدد آووگادرو و c ضریب تمرکز فوق اشباع حجمی بحرانی می‌باشند.

خیس شوندگی و سطح جامد

خیس شوندکی تابعی از زبری سطحی و ترک‌های سطحی می‌باشد. با افزایش خیس شوندگی، به سلول‌ها اجازه داده می‌شود تا به آسانی به سطح ایمپلنت بپیوندند و در نتیجه زمان لازم برای گیرش ایمپلنت توسط بدن کاهش می‌یابد. خیس شوندگی تیتانیوم می‌تواند با بهینه‌کردن پارامترهای واکنش نظیر دما، زمان، و فشار اصلاح شود. قابلیت خیس شوندگی ایمپلنت‌های تیتانیومی با لایه اکسید سطحی پایدار که عمدتاً شامل TiO2باشد، در تماس با مایعات فیزیولوژیکال بهبود می‌یابد.

خوردگی

جذب مکانیکی فیلم اکسید تیتانیوم منجر به افزایش نرخ خوردگی می‌شود. تیتانیوم و آلیاژهای آن در صورتی که در بدن باشند، مصون از خوردگی نیستند. در آلیاژهای تیتانیوم نسبت به جذب هیدروژن حساس هستند، رسوب هیدریدها در فلز می‌تواند منجر به تردتر شدن ماده شده و سبب شکست ماده شود. تردی هیدروژنی در آزمایش‌های in vivo تحت شرایط خوردگی fretting-crevice که منجر به تشکیل TiH می‌شود، مشاهده شده‌است. مطالعه و تست رفتار تیتانیوم در محیط بدن، به ما اجازه می‌دهد تا از رفتارهای ماده باخبر شویم و از اتفاقات نامطلوب ممکن جلوگیری کنیم. برای مثال استفاده از محصولات دندانی با میزان فلوراید بالا یا دیگر مواد با قابلیت کاهش pH محیط ایمپلنت را اسیدی خواهد کرد.

الحاق

سلول‌های اطراف ایمپلنت به شدت به اشیا خارجی حساس هستند. وقتی ایمپلنت در بدن انسان کاشت می‌شود، سلول‌های اطراف رفتاری التهابی از خود بروز می‌دهند که منجر به کپسوله سازی می‌شود و سبب اختلال در ارگانی می‌شود که ایمپلنت کاشته شده‌است.