Da li su legure titanijuma štetne za ljudski organizam? Biokompatibilnost i standardi
Nov 16, 2023
Legure titana spadaju među najčešće implantirane metale u modernoj medicini, a na pitanje mogu li naštetiti ljudskom tijelu odgovor je kratak i duži, korisniji. Kratak odgovor je da se utvrđeni razredi implantata smatraju sigurnim kada su proizvedeni prema ispravnim medicinskim specifikacijama i pravilno završeni.
Biokompatibilnost: Zašto tkivo toleriše titanijum
Biokompatibilnost znači da materijal može biti u kontaktu sa živim tkivom bez izazivanja značajnog imunološkog ili alergijskog odgovora. Titanijum to postiže kroz tanak, stabilan,-samopopravljajući sloj oksida koji se formira unutar milisekundi nakon izlaganja zraku ili tjelesnoj tekućini. Taj sloj je hemijski inertan i električno izolovan, tako da metal ispod nikada nije u direktnom kontaktu sa tkivom. Koštane ćelije se vežu za njega, zbog čega titanijumski implantati mogu postati mehanički integrisani u kost, a ne samo da sjede u šupljini.
Otpornost na koroziju u tjelesnoj tečnosti
Tjelesna tekućina je topao, oksigenisan, elektrolit koji sadrži hlorid-, i kontinuirano napada većinu strukturnih metala. Titanijum mu dobro odolijeva, što je drugi razlog zašto implantati traju. Oksidni film se odmah reformiše ako se izgrebe tokom operacije ili tokom mikropokretanja u radu, tako da lokalni kvar ne postane jama koja raste. Otpuštanje metala iz implantata od titanijuma je stoga veoma malo u poređenju sa uređajima od kobalta-hroma ili nerđajućeg čelika, i to je jedan od razloga zašto se titanijum preferira za dugotrajne- implantate kao što su zamene zglobova i zubni materijal.
Gustina, težina i udobnost pacijenta
| Materijal | Gustina (g/cm3) | Modul elastičnosti (GPa) |
|---|---|---|
| Kortikalna kost | 1,8 do 2,0 | 10 do 30 |
| Titanijum i Ti-6Al-4V ELI | 4,51 do 4,43 | oko 105 do 110 |
| Nerđajući čelik 316L | oko 8.0 | oko 200 |
| Legura kobalta{0}}kroma | oko 8.3 | oko 230 |
Titanijum je mnogo bliži kostima i po gustini i po krutosti nego čelik ili kobalt{0}}hrom. Manja gustoća znači manju težinu koju nosi pacijent, a niži modul elastičnosti znači manje zaštitu okolne kosti od stresa, što smanjuje resorpciju kosti oko implantata. Modul je i dalje nekoliko puta veći od kosti, tako da je zaštita od stresa smanjena, a ne eliminisana.
Pitanje nikla
Nikl je najčešći metalni alergen, a prisutan je u nerđajućem čeliku i nekim legurama kobalta, a ne u nelegiranom titanu ili u Ti-6Al-4V. Dokumentovane alergijske reakcije na titanijum su retke. Tamo gdje je poznato da je pacijent osjetljiv na nikl, dostupne su legure titana bez nikla- kao što su Ti-6Al-7Nb ili Ti-13Nb-13Zr. Legure nikl-titanijuma sa memorijom oblika, koje sadrže otprilike jednake atomske proporcije nikla i titana, spadaju u drugu kategoriju: koriste se za stentove i ortodontske žice, a njihovo oslobađanje nikla je nisko jer isti sloj pasivnog oksida pokriva površinu, ali nisu prvi izbor za poznatog pacijenta alergične na nikl.
Koji standardi regulišu medicinski titanijum
| Specifikacija | Obim | Ključna ograničenja |
|---|---|---|
| ASTM F67 | Nelegirani titanijum za primenu hirurških implantata, stepena 1 do 4 | Kontrolirani kisik, dušik, ugljik, vodonik i željezo; Stepen 4 pruža najveću snagu nelegirane porodice |
| ASTM F136 | Kovani Ti-6Al-4V ELI za hirurške implantate | Aluminijum 5,50 do 6,50 %, vanadijum 3,50 do 4,50 %, kiseonik 0,13 % max, azot 0,05 % max, gvožđe 0,25 % max, vodonik 0,012 % max |
| ASTM F1472 | Kovani Ti-6Al-4V za hirurške implante, standardne intersticijske klase | Veća količina kiseonika od ELI klase, koristi se tamo gde nije potrebna dodatna žilavost ELI |
| ASTM B348 | Titanijumska šipka, gredica i kovački materijal za opću industrijsku upotrebu | Osnova hemije i mehaničkih svojstava za mlinske oblike koji se kasnije strojno prerađuju u uređaje |
Oznaka ELI u ASTM F136 označava ekstra nisku međuprostornu vrijednost. Smanjenje kiseonika i gvožđa povećava otpornost na lom i performanse osetljivosti na zareze, što je važno za implantat koji nosi opterećenje. Medicinski štap se obično isporučuje sa F136, a ne sa opštim industrijskim razredom iz ovog razloga.
Šta zapravo može uzrokovati probleme
Realni rizici nisu sama legura, već način na koji se obrađuje. Površinska kontaminacija željezom od alata može stvoriti mjesto za lokaliziranu koroziju. Preostali ostaci od obrade ili neadekvatno očišćena površina mogu izazvati upalni odgovor. Prekomjerna količina vodonika apsorbovanog tokom obrade može dovesti do stvaranja hidrida i krhkosti, zbog čega i ASTM F136 i ASTM F67 zatvaraju vodonik na 0,012 % odnosno 0,015 %. Ispravno kiseljenje, pasivizacija, pakovanje i sljedivost rješavaju ove probleme.
Često postavljana pitanja
Q:Da li su legure titana općenito bezbedne za ljudski organizam?
O: Da. Nelegirani razredi i Ti-6Al-4V ELI su utvrđeni materijali za implantate koji se koriste za zamjenu zglobova, zubne nastavke, koštane ploče i hirurške instrumente, pod uslovom da zadovoljavaju ASTM F67 ili ASTM F136 i da su pravilno obrađeni.
Q:Može li pacijent biti alergičan na titanijum?
O: Dokumentovana alergija na titanijum je retka. Nikl, koji nije prisutan u nelegiranom titanu ili Ti-6Al-4V, je daleko češći alergen, a za osjetljive pacijente postoje alternative bez nikla.
Q:Zašto titanijum ne korodira unutar tela?
O: Tanki film titanijum oksida se formira trenutno u prisustvu kiseonika i reformiše se ako je oštećen, držeći telesnu tečnost podalje od metala i zadržavajući oslobađanje metala na veoma niskim nivoima.
Q:Šta znači ELI u ASTM F136?
O: Ekstra nisko međuprostorno. Kiseonik je ograničen na 0,13 %, a dušik na 0,05 %, što poboljšava otpornost na lom i ponašanje na zamor u poređenju sa standardnim Ti-6Al-4V razredom.
Q:Da li je mala gustina titanijuma medicinski važna?
O: Da. Sa 4,51 g/cm3 to je otprilike polovina gustine čelika i kobalt-hroma, tako da su implantati lakši, a njegov niži modul elastičnosti smanjuje zaštitu od stresa susjedne kosti.
