Хімічні та електрохімічні аспекти биосовместимости металів та їх сплавів

Відомо, що з 90 елементів, присутніх в звичайних умовах, біологічно значущими або істотними для підтримки життя є 26 елементів.

В першу чергу це стосується 11 головних істотних елементів (С, Н, О, N, S, Са, Р, К, Na, Сl і Mg) і 15 слідів істотних (значущих) елементів (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni , З, Mo, Se, Cr, I, F, Sn, Si, V і As).

Істотні елементи мають функціональні форми і характерні концентрації в тканинах і органах, які досить постійні і знаходяться у вузьких межах. Істотні елементи є частиною метаболізму клітин або входять в їх ферментні системи.

Якщо концентрація цієї речовини падає нижче або зростає вище зазначених меж, розвиваються біохімічні дефекти і порушуються фізіологічні функції, аж до загибелі організму (Underwood, 1977).

В організмі, як результат його контакту з навколишнім середовищем, знаходяться від 20 до 30 інших слідів елементів з досить змінними концентраціями. Цими несуттєвими слідові елементами є Al, Sb, Cd, Hg, Ge, Rb, Ag, Pb, Au, Bi, Be, Ti, Zr, Nb, Та й інші.

Далі ці метали можна розділити на дві великі категорії: токсичні в дуже низьких кількостях і фізіологічно індиферентні. Метали першої категорії - такі як Cd, Hg, Pd і Be - високотоксичні внаслідок їх здатності до прямого або опосередкованого пошкодження біохімічних реакцій, ферментних систем і клітин.

Метали другої категорії - такі як Al, Ti, Zr, Nb і Та - як правило, навіть при високому вмісті в їжі, воді і навколишньому середовищу довго можуть не викликати негативних явищ в тканинах і органах. Основна причина в тому, що ці елементи дуже слабо поглинаються шлунково-кишковим трактом, дихальною системою або шкірою (Williams, 1976).

Однак якщо дані метали вводяться в організм, минаючи природні бар`єри, наприклад при їх хірургічної імплантації, то зміст вищевказаних елементів в тканинах може зрости в кілька разів. Отже, інше важлива вимога, що пред`являється імплантатів, полягає в тому, що метал при прямому контакті з клітинами не повинен їх пошкоджувати або спотворювати в них протягом біохімічних процесів.

З цих позицій алюміній при імплантації володіє більш високою потенційною токсичністю, ніж титан. Так, в експерименті на тваринах було переконливо продемонстровано, що алюмінієві стрижні при імплантації в кісткову тканину роблять більший токсичний вплив, ніж матеріал на основі титану.

Цікаво, що в цих дослідах було показано, що при накопиченні великої кількості титану в оточуючих імплантат тканинах будь-яких виражених змін з боку морфофункціональних властивостей клітин не спостерігалося, і він досить добре переносився організмом (Williams, 1981- Thull, 1994).

При вивченні електрохімічних властивостей металевих імплантатів слід враховувати їх електрохімічний і гальванічний ряди.

В електрохімічному ряді метали розподіляються наступним чином (нормальні електродні потенціали приводяться в вольтах при 25 ° С): Au (+1,45), Pt (+ 1,20), Ag (+0,80), Cu (+0,34 ), Н (0), Мо (-0,20), Ni (-0,25), Со (-0,28), Fe (-0,44), Cr (-0,73), Ti (- 1,63), Al (-1,66), Mg (-2,37), Li (-3,05). Гальванічний ряд в розчинах солей виглядає так: Pt gt; Au gt; Ag gt; Ti gt; сталь пасеровану gt; Ni пасеровану gt; Cu gt; Ni активний gt; Sb gt; Pb gt; сталь активна gt; пудлінгового залізо gt; Al gt; Zn gt; Mg (Вільямс, Роуф, 1978).

Згідно з численними даними, дуже значний вплив на биосовместимость і загальні характеристики металевих біомедичних імплантатів впливає на тканини розчинних продуктів, що утворюються в результаті корозії і електрохімічні реакцій (Hoar, Mear, 1966- Williams, 1976- Kruger, 1979- Black, 1994- Merrit, Brown, 1994- Isaacs, 1994- Lemons, 1994- Steinemann, 1994. ).

Дослідження як традиційної корозії, так і біосумісності різних металевих матеріалів, що проводяться протягом останніх трьох десятиліть, дозволили ідентифікувати метали і сплави, які найкращим чином підходять для виготовлення імплантатів, здатних тривалий час перебувати в організмі.

Так, використовуючи електрохімічний підхід, Hoar, Mear (1966) прийшли до висновку, що Ti, Zn, No і їх сплави є найбільш переважними матеріалами з позиції биосовместимости, тому що здатні довгий час знаходиться в містить іони хлору середовищі, якою є кров, лімфа, ліквор, ексудати, секрети і міжтканинна рідина, без видимих ознак руйнування.

Laing et al. (1967) після вивчення тканинної биосовместимости прийшли до висновку, що металеві сплави, які планується використовувати в травматології, ортопедії та стоматології, не повинні містити Fe (II), З, Cr, Ni, Mo, V і Mn.

Перспективними є нетоксичні елементи і сплави, виконані з Ti, Zr і Nb.

У 1980 Steinmann (1980) об`єднав результати корозійних випробувань in vivo і гістологічних досліджень і виявив, що сплави, що забезпечують тканинні реакції, повинні складатися з металів «вітальної» або «капсульної» груп: Ti, Zr, Nb, Та, Pt, Al, Fe (III), Mo, Ag, Au, нержавіюча сталь, литі і ковані Co сплави. Вони не повинні містити жодного токсичного елементу типу Ni, Cu, V.

Грунтуючись на результатах вивчення електрохімічних реакцій, Pourbaix прийшов в 1984 р до висновку, що теоретично тільки 13 металів можуть вважатися придатними для використання в якості хірургічних імплантатів і стоматологічних сплавів.

З них 8 відносяться до благородних металів, які мають чисто металеву поверхню, зокрема Au, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd і Os, і 5 - до пасивних (капсульної) металів, які покриті шаром захисних оксидів (Ti, Та, Nb , Zr і Cr). У 1991 Scales вважав, що «... в той час, як клінічна прийнятність і корисність сплаву Ti-Al-V встановлено, можна спрямувати зусилля на розробку трансформованої &beta - фази Ti-сплавів, що містять тільки такі елементи, як ніобій, тантал і цирконій ».

З нашої точки зору, з огляду на результати більш ніж 10-річних лабораторних випробувань і клінічної практики використання імплантатів з різних типів металів, ми прийшли до висновку, що найбільш виправдано, як з теоретичних, так і практичних позицій, використання для виготовлення ортопедичних імплантатів (спиць, стрижнів, пластин, гвинтів і т.п.) &beta - фази чистого Ti або його сплавів типу ВТ4, ВТ5-1, ВТ6, ВТ16.

Слід зазначити, що в розвинених країнах частка імплантатів, виконаних на основі титану, ніобію і цирконію для потреб травматології, ортопедії та стоматології, стає дедалі більше, тоді як в державах з низьким рівнем розвитку все ще домінують матеріали зі сталі. Росія, з її величезним економічним потенціалом, може собі дозволити використовувати титанові імплантати, які, без сумніву, є матеріалами XXI століття.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системи зовнішньої фіксації і регуляторні механізми оптимальної біомеханіки