Електрохімічні аспекти биосовместимости металів

В області несприйнятливості стабільною формою твердого тіла є сам метал, оскільки реакція корозії термодинамічно неможлива. У пасивної області стабільною формою твердого тіла є не метал, а його оксид, гідроксид, гідрид або солі, які осідають на поверхні і створюють поверхневий шар, практично не містить пір. Він може забезпечити майже досконалий захист проти корозії. Однак якщо утворюються пористі відкладення, то вони можуть запобігати контакт між металом і електролітом лише частково.

В області корозії стабільні форми металів розчинні і корозія протікає без утворення пасивної поверхневої плівки. Метал може вважатися термодинамічно шляхетним, якщо його несприйнятлива область перетинає область термодинамічної стабільності води. Чим більше площа цього перекривання, тим шляхетніше метал з термодинамічних позицій. Практично ж метал може вважатися шляхетним, якщо його області несприйнятливості і стабільності перекривають область стабільності води і мають величини рН від 4 до 10 (Pourbaix, 1974- Kovacs et al., 1996).

Pourbaix (1974,1984) ранжирував 43 металу і металоїди відповідно до їх термодинамічної (ТДБ) і практичної благородністю (ПБ). На підставі отриманих результатів він прийшов до висновку, що значний ефект облагородження пасивністю очевидний для Nb, Та, Ti, Zr, Al і Cr.

З точки зору термодинамічної і практичної благородних такі метали, як золото і титан, можна вважати як протилежними, так і дуже схожими один на одного. У відповідному відносному ранжируванні Au посідає перше і четверте місця, тоді як Ti - сорок перше і сьома. Однак ці елементи біосумісні по-різному. Якщо золото має металеву поверхню, а тому несприйнятливі до оточуючих його молекул, то титан пасивний в результаті того, що він на своїй поверхні швидко утворює оксидно / гідроксидні плівку (Kovacs, Davidson, 1996).

Різні властивості поверхні Au і Ti призводять до принципово різному електрохімічного поведінки при попаданні їх в тканинні електроліти. Це, без сумніву, може впливати на біосумісність. Au не має високоізолірующего поверхневого шару, який би запобігав або знижував процеси обміну електронами між металом і біологічної середовищем навколо нього при імплантації. Як показали Zitter і Plenk (1987), процеси обміну електронами на поверхні металу можуть справляти значний негативний електрохімічний ефект на тканини і біологічні рідини, навіть якщо виключити процеси корозії. Згідно з комплексною електрохімічної теорії биосовместимости, яка одночасно розглядає як процеси корозії, так і обмін електронами, результати порівняльного вивчення биосовместимости свідчать, що тканинні реакції на Ti більш сприятливі, ніж на Au. По крайней мере, це справедливо для тих випадків, коли імплантат не береться значних деформацій, здатним зруйнувати захисну плівку на поверхні Ti. Титан, на відміну від золота, стали, кобальт-хром-нікелевих сплавів, не викликає розвитку гальванічних та інших електричних явищ, що виникають на імплантат при введенні його в організм. Добре відомий той факт, що на позитивному і негативному полюсі відбувається порушення процесів остеогенезу в кістковій тканині, що виявляється у вигляді остеосклерозу, остеопорозу і остеомаляції. Це може вкрай негативно впливати на багато параметрів, аж до розвитку запальних і некротичних процесів. Тому вважається, що діелектричні матеріали сприятимуть проведенню діелектричного остеосинтезу, при переломах (Ткаченко, Руцький, 1983- Steinemann 1980 Bolz, Schaldach 1993- Zetner et al., 1980 Kovacs, Davidson, 1996).

Якщо умови процесу освіти оксидного шару не перекривають всю область стабільності води, то при знижених рН, які розвинулися, наприклад, в результаті запалення в хлорсодержащей середовищі, що має позитивні значення потенціалу, він втрачає захисні властивості, і сплави, зокрема що містять хром (нержавіюча сталь 316L і Co-Cr-Mo), можуть піддаватися корозії. З цих позицій для виробництва імплантатів титан і його сплави є кращими матеріалами (Pourbaix, 1974, 1984). Такий стан в організмі спостерігається при введенні імплантатів з розвитком ішемії і запалення (Маянский, Урусов, 1996- Tengvall et al., 1989).


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