Токсикологические свойства титана, титановых сплавов и биосовместимость

12 Марта в 20:34 2564 0


Пассивное растворение титана в биологических средах

Титан при попадании в организм подвергается частичной коррозии, механизмы которой изучены плохо. Требуется более детально изучить кинетику пассивного растворения титана в различных средах для того, чтобы установить механизм, управляющий этим явлением.

Считается, что человеческий организм насыщен титаном, и, следовательно, дополнительно растворимый титан, проникающий в ткани при имплантации, не может стать активным. При этом чистый титан абсолютно не растворим, инертен и биосовместим (Мюллер и др., 1996). Окись титана в воде также не растворима, устойчива к действию растворов кислот и щелочей. В норме уровень титана в крови составляет 2,5 мкг%. Металл депонируется в костях и легких. При ингаляции окиси титана может развиваться пневмосклероз, разрастание соединительной ткани и фиброз в легких. Проявление аллергических и местно-раздражающих реакций при имплантации титановых сплавов животным были минимальными (Работников, 1977; Ikarashi et al., 1996). Как уже было сказано, чистый титан и его оксид относятся к группе биоинертных, нетоксичных материалов. У них высокая биосовместимость, благодаря которой в окружающих тканях не развиваются аллергические реакции, тромбозы и металлозы (Brown, Lemons, 1996; Ikarashi, 1996).

Концентрация электрического эквивалента электролита в различных средах


Вещество

Сыворотка (мэкв/л)

ПЭ (мэкв/л)

Сыворотка/ПЭ (мэкв/л)

ЭДТА (мэкв/л)

Na+

152

152

152

168

К+

5

5

5

5

Са2+

5

5

5

5

Mg2+

3

3

3

3

Cl-

113

135

121

135

HCO3-

27

27

27

27

НРO42-

2

2

2

2

SO42-

1

1

1

1

Протеины

16

0

9,6

16

РН

7,4

7,6

7,5

7,2


Примечание: ПЭ - полиэлектролит

Однако в эксперименте, по данным Р.В. Работникова (1997), введение металлической пыли крысам в дозе 50 мг титана или окиси титана приводит к умеренному утолщению межальвиолярных перегородок, усилению легочного рисунка, гиперплазии ткани вокруг фолликулов бронхов. У людей, длительно контактирующих с оксидом титана, также развивается незначительная легочная патология. Как правило, титан и его сплавы хорошо переносятся реципиентами в течение длительного периода жизни, и осложнения от них не сопоставимы с теми изменениями, которые характерны для нержавеющей стали и хром-молибденовых сплавов (Лойт, 1977). Как уже было отмечено, основным депо для Ti являются кости. За насыщение паренхиматозных органов титаном и, следовательно, за его токсическое действие несет ответственность микроизнос, который происходит при установке имплантата и трении его об окружающие ткани. Mohr (1957) смог установить, что частицы титана попадают в лимфатические узлы в результате переноски их макрофагами. К такому же результату пришли Hilmann и Donath (1991). Они обнаружили фагоцитирующие мононуклеары с частицами титана в непосредственной близости от трущегося покрытия. С другой стороны, может наблюдаться ионизация металла, находящегося в контакте с окружающей тканью и биологическими жидкостями. Так, Fischer-Brandies et al. (1992) выявили Ti в непосредственном окружении тянущего винта и мини пластин. Schliephake et al. (1989) в опытах на животных установили накопление титана в паренхиматозных органах при использовании полированных винтовых титановых имплантатов, без участия макрофагов. По-видимому, в этом случае поступление титана в организм в значительной степени происходит в результате процессов коррозиционной ионизации Ti (Schliephake et al., 1989).

Легирующие добавки и термомеханическая обработка определяют структуру имплантируемого материала, и управление микроструктурой является средством для достижения желаемых свойств. Однако критерий выбора добавок основан не только на вкладе легирующего элемента в механическую прочность сплава, но должен учитывать биосовместимость и токсикологические свойства металла. В любом случае, легирующие добавки ухудшают биологические свойства чистого титана. Они способствуют выходу из него токсичных ионов, создают неблагоприятные электрохимические реакции, влияют на биосовместимость с окружающими тканями (Hillmann, Donath, 1992; Thull, 1996).

Легирующие элементы сплава Ti-6Al-4V, ванадий и алюминий, были обнаружены в окружающих тканях при условиях высокого износа, хотя явных токсических эффектов, связанных с этими обломками, выявлено не было. Тем не менее, нельзя исключить их опосредованное негативное влияние на костную и мягкую ткань (Русин, 1977; Работникова, 1977). Так, известно, что сам алюминий является малотоксичным соединением, но его отдельные формы могут вызывать фиброз, анемию, местно-раздражающую реакции и нарушение нервной функции (Ligacs, Paradowsky, 1977).

Коммерчески чистый титан является материалом выбора для имплантата из-за своей высокой биосовместимости. Однако его средняя предельная прочность составляет приблизительно 480 МПа. Разрабатываемые нанотехнологии обработки чистого титана позволяют приблизить его механические параметры к тем, которые наблюдаются в случае применения легирующих добавок (Kolobov et al., 2000).

Комбинация биосовместимости и высокой специфичной прочности у титана и его сплавов позволяет широко использовать данный материал в качестве покрытия имплантатов в ортопедической и стоматологической практике. Титан и его сплавы являются более устойчивыми к коррозии, чем другие металлы, включая нержавеющую сталь, кобальт-хром-молибденовые и кобальт-хром-никелевые сплавы. Кроме того, они не вызывают, как сталь, выраженную резорбцию костной ткани и стрессорного влияния (Bobyn et al., 1990, 1992). По сравнению со сталью титан и его сплавы, применяемые для лечения переломов длинных трубчатых костей, показали более высокую устойчивость к изнашиванию и не подвергались коррозии (Ungersbock A. et al., 1996).



Как уже было сказано выше, ионы Al, V, Со и других металлов, входящих в титановые сплавы, используемые в ортопедической практике, сами по себе могут вызывать развитие многочисленных неблагоприятных реакций (металлозы, неврологические расстройства, развитие опухоли и др.), что в какой-то мере ограничивает их применение по сравнению с чистым Ti (Laing et al., 1967; McLachlan, 1983; Perl, Brody, 1980; Mishra et al., 1996). Устойчивость к коррозии обусловлена наличием на поверхности титана тонкой оксидной пленки, которую, следует отметить, можно наносить практически на любой материал. Наиболее стойким соединением является TiO2, затем идут Ti2O3, TiO (Imam, Fraker, 1996). Попытки использовать другие покрытия: TiN, TiB, TiC, VC, WC, B4C, SiC, BN, Al2O3, ZrO2 и BeO были менее успешными, так как все они имели более высокую изнашиваемость и низкую прочность (Mishra, Davidson, 1992).

Цитотоксический тест и подкожная имплантация титана

Цитотоксический анализ при подкожном введении титановых материалов животным не выявил развития локальных биологических реакций на имплантаты, что делает их весьма перспективными для использования в клинической практике (Авцын и др., 1991; Zardiackes et al., 1996). В наших опытах при проведении цитотоксического теста титана марок ВТ1-0, ВТ5, ВТ6 и ВТ16 на жизнеспособность клеток костного мозга при часовой инкубации в среде DI-MEM (ISN) с 1% бычьего сывороточного альбумина при 37 °С в СO2-инкубаторе, выживаемость составила 93-96% (контроль 98%, Р>0,5).

Тенденция к уменьшению жизнеспособности клеток в опытной группе, по-видимому, была связана с наличием в тестируемом материале техногенных примесей, которые легко удалялись путем кипячения и обезжириванием. При этом анодированный титан и его сплавы лучше поддерживали жизнеспособность клеток, чем обычные его формы.

На 50 мышах линии Balb/с было изучено влияние чистого и оксидированного титана, имплантированных под кожу на 1 месяц. Параллельно исследовали остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства данного материала. Установлено, что величина воспалительной реакции на титановые материалы была в пределах 0,2-0,5%, развитие фиброза 1,2-1,75% и некротических реакций 0-1,0%. При анодировании титана процессов воспаления и некроза отмечено не было. Металл и его сплавы не проявляли остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств. В некоторых случаях (до 10-15%) на дисках определялась тонкая капсула.

В опытах на кроликах породы Шиншилла массой 2,5-3,1 кг обоего пола исследовали влияние титановых дисков из чистого и оксидированного титана, вводимых под кожу, а также стержней из этого металла, имплантированных в позвоночник. Установлено, что как чистый, так и анодированный титан не вызывает развитие воспалительной реакции, выраженного фиброза через 1 и 2 месяца после имплантации. На 3-й месяц опыта на титановых имплантатах отмечалось образование тонкой стромальной капсулы. Имплантаты хорошо переносились животными и не вызывали неблагоприятных реакций. При введении в тело позвонка оксидированные титановые стержни не приводили к развитию воспаления и были более прочно фиксированы с костной тканью по сравнению с чистым титаном.

Эти результаты хорошо согласуются с литературными данными. Так, было показано, что при введении титановых имплантатов в большеберцовую кость кроликов образуется прочный контакт с костной тканью, который примерно в 2 раза превышал таковой для стальных и кобальт-хром-молибденовых сплавов (Mishra et al., 1996). Кроме того, если прочность фиксации в бедренной кости для стальных имплантатов составила 0,31 Н/м, то для титановых материалов она была равна 1,36 Н/м (р=0,001) (Mishra et al., 1996). Один миллион нагрузочных циклов равен примерно одному году жизни больных с бедренными протезами. При этом изнашиваемость трущихся поверхностей, выполненных из титана и его сплавов, была меньше, чем для стальных сплавов (McKellop et al., 1996). При введении титановых имплантатов в организм из них выходят ионы металла, которые обнаруживаются через 1-12 месяцев опыта локально в костной ткани. Кроме того, отмечается увеличение уровня Ti в сыворотке, крови и моче. При этом механизме выход титана из имплантата, вероятно, осуществляется за счет пассивного растворения металла (Bianco et al., 1996). По-видимому, увеличение толщины пленки из TiO2 может препятствовать этому процессу и защитить имплантат от потери титана. Как правило, биодеградация многих металлов - Со, V, Cd, Ni может вызывать нарушения метаболизма, работы многих ферментных систем, процессов минерализации костной ткани, локальные воспалительные, иммунологические, аллергические реакции и, наконец, проявлять мутагенную или канцерогенную активности (Авцын и др., 1991). В то же время, как показала практика, по сравнению с другими металлами и сплавами титановые имплантаты проявляют высокую биосовместимость, вызывая минимальные изменения со стороны соединительной, мягкой и костной тканей, низкую скорость биодеградации и отсутствие аллергических и иммунологических реакций на фоне снижения риска развития инфекционных осложнений (Авцын и др., 1991; Sinibaldi et al., 1976; Sunderman, 1979; Bravo et al., 1990; Jacobs et al., 1996; Kraay et at., 1996).

Выживаемость клеток костного мозга (цитотоксический тест) при краткосрочной их инкубации на чистом титане и его сплаве с или без анодно-искрового анодирования (м, Ри)

Материал

Выживаемость, % (неанодированный титан)

Выживаемость, % (анодированный титан)

Выживаемость после обработки в смеси Никифорова (Ри)

BT1-0

96 (>0,5)

98 (>0,5)

98 (>0,5)

BT5

93 (>0,1)

96 (>0,5)

98 (>0,5)

BT6

95 (>0,5)

96,5 (>0,5)

98 (>0,5)

BT16

94 (>0,1)

95,5 (>0,5)

97 (>0,5)

Контроль

98 (>0,5)

98 (>0,5)

98 (>0,5)


В заключение можно сказать, что биотестирование титана на животных и в культуре ткани in vitro показало, что оксидированный титан и его сплавы относятся к группе биоинертных материалов, способных к самопассивации. При этом искусственно сформированное оксидированное покрытие придает титану более высокие биосовместимые свойства. Это позволяет рекомендовать данный материал для широкого использования в клинической практике, в первую очередь для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики

Похожие статьи
показать еще
 
Травматология и ортопедия