Titanyum biyouyumluluk - Titanium biocompatibility
Titanyum ilk olarak 1950'lerde diş hekimliğinde on yıl önce kullanıldıktan sonra ameliyatlara girmiştir. Artık protez, iç fiksasyon, iç gövde cihazları ve enstrümantasyon için tercih edilen metaldir. Titanyum, biyomedikal implantlarda tepeden tırnağa kullanılmaktadır. Nöroşirürji, kemik iletimli işitme cihazları, sahte göz implantları, spinal füzyon kafesleri, kalp pilleri , ayak parmağı implantları ve omuz / dirsek / kalça / diz protezlerinde titanyum ve daha pek çok şey bulunabilir. Titanyumun vücutta sıklıkla kullanılmasının ana nedeni, titanyumun biyouyumluluğu ve yüzey modifikasyonları ile biyoaktif yüzeydir. Biyouyumluluğu etkileyen yüzey özellikleri, yüzey dokusu , sterik engel, bağlanma yerleri ve hidrofobikliktir (ıslatma). Bu özellikler, ideal bir hücresel yanıt oluşturmak için optimize edilmiştir. Bazı tıbbi implantlar ve cerrahi aletlerin parçaları titanyum nitrür (TiN) ile kaplanmıştır .
Biyouyumluluk
Titanyum, vücut sıvılarından kaynaklanan korozyona karşı direnci, biyo-inertliği, osseointegrasyon kapasitesi ve yüksek yorgunluk limiti nedeniyle en biyouyumlu metal olarak kabul edilir . Titanyumun zorlu vücut ortamına dayanma yeteneği, oksijen varlığında doğal olarak oluşan koruyucu oksit filmin bir sonucudur. Oksit film güçlü bir şekilde yapışır, çözünmez ve kimyasal olarak geçirimsizdir, metal ile çevredeki ortam arasındaki reaksiyonları önler.
Osseointegrasyon etkileşimi ve proliferasyonu
Yüksek enerjili yüzeyler osseointegrasyon sırasında anjiyogenezi indükler
Titanyumun osseointegrasyon kapasitesinin , proteinleri ( tantal ve kobalt alaşımları gibi) denatüre etmeyen yüzey oksitinin yüksek dielektrik sabitinden kaynaklandığı öne sürülmüştür . Kemikle fiziksel olarak bağlanma yeteneği, titanyuma, bağlı kalması için bir yapıştırıcı kullanılması gereken diğer malzemelere göre bir avantaj sağlar. Titanyum implantlar daha uzun süre dayanır ve alternatiflerine göre vücutla birleşen bağları koparmak için çok daha yüksek kuvvetler gerekir.
Yüzey özellikleri osseointegrasyonu belirler
Bir biyomateryalin yüzey özellikleri, materyale hücresel tepkinin (hücre yapışması ve proliferasyonu) belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Titanium'un mikroyapısı ve yüksek yüzey enerjisi, osseointegrasyon sürecine yardımcı olan anjiyogenezi tetiklemesini sağlar.
Yüzey enerjisi
Redoks potansiyeli
Titanyum, oksidasyon durumuna bağlı olarak birçok farklı standart elektrot potansiyeline sahip olabilir. Katı titanyum, -1.63V standart elektrot potansiyeline sahiptir. Daha büyük bir standart elektrot potansiyeline sahip malzemeler daha kolay indirgenir ve bu da onları daha iyi oksitleyici maddeler haline getirir. Aşağıdaki tabloda görülebileceği gibi, katı titanyum oksidasyona uğramayı tercih eder ve bu da onu daha iyi bir indirgeme ajanı yapar.
| Yarım tepki | Standart elektrot potansiyeli (V) |
|---|---|
| Ti 2+ + 2 e - → Ti (ler) | -1.63 |
| Ti 3+ + 3 e - → Ti (ler) | -1.21 |
| TiO 2 + + 2 H + + 4 e - → Ti (k) + H 2 O | -0,86 |
| 2 TiO 2 (k) + 2 H + + 2 e - → Ti 2 O 3 (k) + H 2 O | -0,56 |
| Ti 2+ (aq) / M 3+ (aq) | -0,36 |
Yüzey kaplama
Titanyum doğal olarak pasifleşerek, heterojen hale gelen ve vücut ortamlarına maruz kalma süresinin bir fonksiyonu olarak polarize olan bir oksit filmi oluşturur. Bu, zamanla hidroksil gruplarının, lipoproteinlerin ve glikolipidlerin artan adsorpsiyonuna yol açar. Bu bileşiklerin adsorpsiyonu, materyalin vücutla nasıl etkileşime girdiğini değiştirir ve biyouyumluluğu artırabilir. Ti-Zr ve Ti-Nb gibi titanyum alaşımlarında, korozyon nedeniyle açığa çıkan zirkonyum ve niyobyum iyonları hastanın vücuduna salınmaz, bunun yerine pasivasyon katmanına eklenir. Pasif tabakadaki alaşım elementleri, korozyondan önce dökme metalin orijinal alaşım bileşimine bağlı olarak bir derece biyouyumluluk ve korozyon direnci ekler.
Protein yüzey konsantrasyonu, ( ), denklem ile tanımlanır
Q ADS , C cm −2 cinsinden yüzey yük yoğunluğu olduğunda, M, g mol 1 cinsinden proteinin molar kütlesidir , n, transfer edilen elektronların sayısıdır (bu durumda, proteindeki her protonlanmış amino grubu için bir elektron) ) ve F Cı mol Faraday'dır -1 .
Çarpışma frekansı denklemi aşağıdaki gibidir:
burada D = 8.83 × 10 −7 cm 2 s −1 , 310 K'da BSA molekülünün difüzyon katsayısıdır, d = 7.2 nm, proteinin "çapı" dır ve Stokes yarıçapının iki katına eşittir, NA = 6.023 × 10 23 mol- 1 , Avogadro'nun sayısıdır ve c * = 0,23 g L- 1 (3,3 μM) kritik yığın süperdoyma konsantrasyonudur.
Islatma ve sert yüzey
Islatma , iki parametrenin bir fonksiyonu olarak gerçekleşir: yüzey pürüzlülüğü ve yüzey fraksiyonu. İmplantlar ıslanmayı artırarak, hücrelerin bir implantın yüzeyine daha kolay bağlanmasına izin vererek osseointegrasyon için gereken süreyi azaltabilir. Titanyumun ıslatılması, sıcaklık, zaman ve basınç gibi proses parametreleri optimize edilerek değiştirilebilir (aşağıdaki tabloda gösterilmiştir). Ağırlıklı olarak TiO2'den oluşan stabil oksit tabakalarına sahip titanyum, fizyolojik sıvıyla temas halinde implantın ıslanmasında iyileşme sağlar.
| Yüzey | Islatma açısı (derece) | İşlem sırasında basınç (mbar) | İşleme sırasında sıcaklık (derece C) | Diğer yüzey işleme |
|---|---|---|---|---|
| Çıplak Ti | ~ 50 | - | - | Yok |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 TiO 4 (Düzlemsel) | ~ 33 | 2.2 | 700 | Oksidasyon |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (Düzlemsel) | ~ 45 | 4 | 700 | Oksidasyon |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 TiO 4 (Boş) | ~ 32 | 2.2 | 400 | Oksidasyon |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (Boş) | ~ 25 | 2.6 | 500 | Oksidasyon |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (Boş) | ~ 8 | 4 | 400 | Oksidasyon |
| TiO 2 TiO Ti 4 O 7 (Boş) | ~ 20 | 4 | 500 | Oksidasyon |
| Pürüzlü yüzeyli Ti | 79.5 ± 4.6 | - | - | İşlenmiş yüzey |
| Alkali yüzeyli Ti | 27.2 ± 6.9 | - | - | Biyo yüzey |
Adsorpsiyon
Aşınma
Titanyum oksit filmin mekanik aşınması, artan bir korozyon oranına yol açar .
Titanyum ve alaşımları insan vücudundayken korozyona karşı bağışık değildir. Titanyum alaşımları, hidritlerin çökelmesine neden olabilecek ve kırılganlığa neden olarak malzeme arızasına yol açabilen hidrojen emilimine duyarlıdır. "Hidrojen gevrekleşmesi, Ti / Ti modüler gövde incelmeleri içinde TiH oluşumuna, yüzey reaksiyonuna ve çatlamaya neden olan aşındırma-çatlak korozyon koşulları altında in vivo bozunma mekanizması olarak gözlendi." Vücuttaki titanyum davranışını incelemek ve test etmek, yüksek florür konsantrasyonuna sahip diş ürünleri veya implantın etrafındaki ortamın pH'ını düşürebilen maddeler gibi, implantta ölümcül bir bozulmaya neden olabilecek yanlış uygulamalardan kaçınmamızı sağlar.
Yapışma
İmplant arayüzündeki hücreler yabancı nesnelere karşı oldukça hassastır. İmplantlar vücuda yerleştirildiğinde, hücreler, implante edilen cihazın işleyişini bozarak kapsüllemeye yol açabilecek bir enflamatuar yanıt başlatır.
Biyoaktif bir yüzeye ideal hücre tepkisi, biyomateryal stabilizasyon ve entegrasyonun yanı sıra yüzeydeki potansiyel bakteriyel enfeksiyon bölgelerinin azaltılmasıyla karakterize edilir. Biyomateryal entegrasyonunun bir örneği, biyomimetik motiflerle kaplı tasarlanmış bir biyo arayüze sahip bir titanyum implanttır . Bu biyomimetik motiflere sahip yüzeylerin, integrin bağlanmasını ve sinyallemeyi ve kök hücre farklılaşmasını geliştirdiği gösterilmiştir. Ligand kümelenmesinin yoğunluğunun arttırılması da integrin bağlanmasını arttırdı. Trimerler ve pentamerlerden oluşan bir kaplama, kaplamasız titanyumun mevcut klinik standardı ile karşılaştırıldığında kemik-implant temas alanını% 75 artırmıştır. Alandaki bu artış, hücresel entegrasyonun artmasına izin verir ve implante edilmiş cihazın reddini azaltır. Langmuir izotermi :
,
burada c adsorbat konsantrasyonu adsorbe edilen proteinin maksimum miktarıdır, B ADS adsorbat moleküllerinin adsorpsiyon sahalarına afinitesidir. Langmuir izotermi, denklemi şu şekilde yeniden düzenleyerek doğrusallaştırılabilir:
Bu simülasyon, deneysel değerlerle karşılaştırıldığında bir yüzeye adsorpsiyonun iyi bir tahminidir. Elemanların titanyum yüzeyine adsorpsiyonu için Langmuir izotermi, bilinen parametrelerin grafiğini çizerek belirlenebilir. Titanyum yüzey üzerinde bir fibrinojen adsorpsiyonu deneyi, "Langmuir izoterminin, fibrinojenin Ti yüzeyine adsorpsiyonunun tanımında uygulanabilirliğini doğruladı."