Титановые биоматериалы подвергаются немедленной и полной репассивации? Перспектива

npj Деградация материалов, том 6, номер статьи: 57 (2022 г.) Цитировать эту статью

1534 Доступа

3 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Титан и его сплавы широко используются в клинических целях благодаря их биосовместимости и исключительной химической инертности, а также выдающимся характеристикам остеоинтеграции. Хорошо известно, что они образуют на поверхности прочную защитную пленку, обеспечивающую высокую коррозионную стойкость к окружающей среде. Хотя часто считается, что это пассивное состояние материалов на основе титана достигается очень быстро, даже при повреждении, и что оно химически стабильно в физиологических средах, доказательства нарушения пассивности и реакций переноса электрона были собраны с использованием микроэлектрохимических методов высокого разрешения. Таким образом, для их будущих приложений необходимы дальнейшие оптимизации.

Биоматериалы обычно определяются как вещества, созданные для взаимодействия с биологическими системами для лечения, оценки и замены любой ткани, органа или функции организма1,2,3. За последние десятилетия было разработано большое количество биоматериалов для применения в сфере здравоохранения. В основном они используются для доставки лекарств, ортопедии, стоматологической помощи и тканевой инженерии сердечно-сосудистых устройств и кожи4. Прежде чем какой-либо новый биоматериал будет одобрен для использования в организме человека, необходимо выполнить ряд предварительных условий, признанных Международной организацией по стандартизации (ISO) и Американским обществом испытаний и материалов (ASTM)4. Биосовместимость считается жизненно важным требованием для правильного применения биоматериалов. Согласно определению биосовместимости Уильямса5, имплантированные биоматериалы не должны вызывать неблагоприятные и вредные реакции с местной физиологической средой. Однако имплантированные биоматериалы очень подвержены коррозии, поскольку они подвергаются воздействию суровых агрессивных сред, таких как кровь и другие типы внеклеточных жидкостей, которые содержат ионы хлорида, белки и аминокислоты6,7,8. Это подчеркивает, что имплантированные материалы должны обладать высокой коррозионной стойкостью, как того требуют ISO и ASTM. Фактически, имплантированный объект также может подвергаться износу из-за микродвижений, возникающих между ним и соседним металлом или костью9. Это приводит к образованию остатков износа, которые могут вызвать нежелательное взаимодействие с живой тканью10,11. Таким образом, износостойкость и характеристики остеоинтеграции считаются важными факторами долговечности имплантируемых материалов12.

В настоящее время биоматериалы состоят из металлов и сплавов, полимеров, керамики и композитов. Среди них имплантированные материалы из титана считаются наиболее полезными в качестве медицинских устройств. Фактически, материалы на основе титана используются в производстве биомедицинских имплантатов с 1950-х годов. Сообщается, что более 1000 тонн титана ежегодно используется в биомедицинских устройствах13. Это связано с их биосовместимостью и благоприятными механическими свойствами, такими как низкий модуль упругости, высокая прочность на разрыв и низкая плотность. Кроме того, они известны своими исключительными характеристиками остеоинтеграции, которые действуют в живых тканях после имплантации. Эта перспектива будет сосредоточена на предполагаемой стабильности и инертности материалов на основе титана для применения в имплантатах, предоставляя некоторое представление о роли и динамике поверхностных пассивных оксидных слоев, а также о влиянии высвобождения металла в результате механизмов деградации, действующих на эти материалы.

В целом известно, что в атмосферных условиях на поверхности титановых изделий может самопроизвольно образовываться прочная защитная пленка. Его толщина находится в пределах нескольких нанометров14. Защитная оксидная пленка состоит в основном из TiO2, смешанного с небольшим количеством Ti2O3 и TiO14. TiO2 обладает полупроводниковыми характеристиками с широкой запрещенной зоной 3,2 эВ15, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость за счет уменьшения выделения опасных ионов металлов с поверхности и ингибирования реакций переноса электронов с местной средой, куда он имплантирован. При повреждении поверхности, покрытой оксидом титана, металлический титан восстанавливается за счет самопроизвольного образования пассивной пленки диоксида титана16, как показано эскизами а–в на рис. 1. В этом случае разорванная пленка на биоматериале титана быстро восстанавливается и предотвращает возникновение коррозии на поверхности биоматериала, что в конечном итоге сохраняет биологическую клетку здоровой. Однако в незаживленных металлах происходит иная ситуация, приводящая к возникновению коррозии, как показано эскизами г–е на рис. 1. То есть коррозия инициируется разрушением пассивной пленки на титановом биоматериале с последующим окислением титанового биоматериала. этому способствуют агрессивные вещества, присутствующие в окружающем электролите, такие как хлориды. Хотя электроны, образующиеся в результате реакции окисления, будут поглощаться окислителем, присутствующим в электролите, которым обычно является кислород, поскольку его реакция с титаном термодинамически возможна, это приведет к образованию активных форм кислорода на участках микрокатода, что в конечном итоге приведет к повреждение биологических клеток.