Химические и электрохимические аспекты биосовместимости металлов и их сплавов

12 Марта в 22:16 2095 0


Известно, что из 90 элементов, присутствующих в обычных условиях, биологически значимыми или существенными для поддержания жизни являются 26 элементов.

В первую очередь это касается 11 главных существенных элементов (С, Н, О, N, S, Са, Р, К, Na, Сl и Mg) и 15 следовых существенных (значимых) элементов (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Со, Mo, Se, Cr, I, F, Sn, Si, V и As).

Существенные элементы имеют функциональные формы и характерные концентрации в тканях и органах, которые довольно постоянны и находятся в узких пределах. Существенные элементы являются частью метаболизма клеток или входят в их ферментные системы.

Если концентрация данного элемента падает ниже или возрастает выше указанных пределов, развиваются биохимические дефекты и нарушаются физиологические функции, вплоть до гибели организма (Underwood, 1977).

В организме, как результат его контакта с окружающей средой, находятся от 20 до 30 других следовых элементов с довольно переменными концентрациями. Этими несущественными следовыми элементами являются Al, Sb, Cd, Hg, Ge, Rb, Ag, Pb, Au, Bi, Be, Ti, Zr, Nb, Та и другие.

Далее эти металлы можно разделить на две большие категории: токсичные в очень низких количествах и физиологически индифферентные. Металлы первой категории - такие как Cd, Hg, Pd и Be - высокотоксичные вследствие их способности к прямому или опосредованному повреждению биохимических реакций, ферментных систем и клеток.

Металлы второй категории - такие как Al, Ti, Zr, Nb и Та - как правило, даже при высоком содержании в пище, воде и окружающей среде долго могут не вызывать негативных явлений в тканях и органах. Основная причина в том, что эти элементы очень слабо поглощаются желудочно-кишечным трактом, дыхательной системой или кожей (Williams, 1976).

Однако если данные металлы вводятся в организм, минуя естественные барьеры, например при их хирургической имплантации, то содержание вышеуказанных элементов в тканях может возрасти в несколько раз. Следовательно, другое важное требование, предъявляемое имплантатам, состоит в том, что металл при прямом контакте с клетками не должен их повреждать или искажать в них течение биохимических процессов.

С этих позиций алюминий при имплантации обладает более высокой потенциальной токсичностью, чем титан. Так, в эксперименте на животных было убедительно продемонстрировано, что алюминиевые стержни при имплантации в костную ткань оказывают большее токсическое воздействие, чем материал на основе титана.

Интересно, что в этих опытах было показано, что при накоплении больших количеств титана в окружающих имплантат тканях каких-либо выраженных изменений со стороны морфофункциональных свойств клеток не наблюдалось, и он достаточно хорошо переносился организмом (Williams, 1981; Thull, 1994).

При изучении электрохимических свойств металлических имплантатов следует учитывать их электрохимический и гальванический ряды.

В электрохимическом ряду металлы распределяются следующим образом (нормальные электродные потенциалы приводятся 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). Гальванический ряд в растворах солей выглядит так: Pt > Au > Ag > Ti > сталь пассированная > Ni пассированный > Cu > Ni активный > Sb > Pb > сталь активная > пудлинговое железо > Al > Zn > Mg (Вильямс, Роуф, 1978).

Согласно многочисленным данным, очень значительное влияние на биосовместимость и общие характеристики металлических биомедицинских имплантатов оказывает воздействие на ткани растворимых продуктов, образующихся в результате коррозии и электрохимические реакций (Hoar, Mear, 1966; Williams, 1976; Kruger, 1979; Black, 1994; Merrit, Brown, 1994; Isaacs, 1994; Lemons, 1994; Steinemann, 1994).



Исследования как традиционной коррозии, так и биосовместимости различных металлических материалов, проводимые в течение последних трех десятилетий, позволили идентифицировать металлы и сплавы, которые наилучшим образом подходят для изготовления имплантатов, способных длительное время находиться в организме.

Так, используя электрохимический подход, Hoar, Mear (1966) пришли к выводу, что Ti, Zn, No и их сплавы являются наиболее предпочтительными материалами с позиции биосовместимости, т.к. способны долгое время находится в содержащей ионы хлора среде, каковой являются кровь, лимфа, ликвор, экссудаты, секреты и межтканевая жидкость, без видимых признаков разрушения.

Laing et al. (1967) после изучения тканевой биосовместимости пришли к выводу, что металлические сплавы, которые планируется использовать в травматологии, ортопедии и стоматологии, не должны содержать Fe(II), Со, Cr, Ni, Mo, V и Mn.

Перспективными являются нетоксичные элементы и сплавы, выполненные из Ti, Zr и Nb.

В 1980 Steinmann (1980) объединил результаты коррозионных испытаний in vivo и гистологических исследований и обнаружил, что сплавы, обеспечивающие тканевые реакции, должны состоять из металлов «витальной» или «капсульной» групп: Ti, Zr, Nb, Та, Pt, Al, Fe(III), Mo, Ag, Au, нержавеющая сталь, литые и кованые Co сплавы. Они не должны содержать ни одного токсичного элемента типа Ni, Cu, V.

Основываясь на результатах изучения электрохимических реакций, Pourbaix пришел в 1984 г. к выводу, что теоретически только 13 металлов могут считаться пригодными для использования в качестве хирургических имплантатов и стоматологических сплавов.

Из них 8 относятся к благородным металлам, имеющим чисто металлическую поверхность, в частности Au, Ir, Pt, Ru, Rh, Pd и Os, и 5 - к пассивным (капсульным) металлам, которые покрыты слоем защитных оксидов (Ti, Та, Nb, Zr и Cr). В 1991 Scales считал, что «...в то время, как клиническая приемлемость и полезность сплава Ti-Al-V установлены, можно направить усилия на разработку трансформированной β-фазы Ti-сплавов, содержащих только такие элементы, как ниобий, тантал и цирконий».

С нашей точки зрения, учитывая результаты более чем 10-летних лабораторных испытаний и клинической практики использования имплантатов из различных типов металлов, мы пришли к выводу, что наиболее оправдано, как с теоретических, так и практических позиций, использование для изготовления ортопедических имплантатов (спиц, стержней, пластин, винтов и т.п.) β-фазы чистого Ti или его сплавов типа ВТ4, ВТ5-1, ВТ6, ВТ16.

Следует отметить, что в развитых странах доля имплантатов, выполненных на основе титана, ниобия и циркония для нужд травматологии, ортопедии и стоматологии, постоянно растет, тогда как в государствах с низким уровнем развития все еще доминируют материалы из стали. Россия, с ее огромным экономическим потенциалом, может себе позволить использовать титановые имплантаты, которые, несомненно, являются материалами XXI века.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики
Похожие статьи
показать еще
 
Травматология и ортопедия