Použití titanu v medicíně

Co je to biomateriál?

Biomateriál je materiál přírodního nebo umělého původu, který se používá k obnově a fixaci biologických struktur za účelem obrození jejich funkčnosti a zlepšení kvality života pacienta. Takové materiály musí vykazovat vysokou pevnost a musí vydržet každodenní aktivity pacienta. Biomateriály jsou k nalezení v různých orgánech – jako umělé srdeční chlopně, stenty krevních cév, implantáty nebo zubní protézy. Odhaduje se, že během příštích 10 let se počet náhrad kyčelního kloubu celosvětově zvýší o více než 600 %.

Hlavním důvodem tohoto růstu je, že lidské klouby trpí chorobami, jako je artróza (což je zánět kloubů) nebo osteoporóza (což je progresivní ztráta kostní hmoty). Navíc světová populace dramaticky stárne, což ještě více zvyšuje poptávku po těchto zákrocích.

S rostoucím počtem náhrad kyčelního kloubu dochází také ke zvýšení revizních operací (17 % všech artroplastik) – nákladných, bolestivých a ne moc úspěšných. Výměna kyčelního kloubu je obvykle první ze série stále obtížnějších operací.
To způsobuje neustálé hledání ideálního implantátu vyrobeného z materiálu, který splňuje několik kritérií: životnost, vysoká odolnost proti korozi v prostředí lidského organismu, pevnost, odolnost proti opotřebení a únavě a – klíčové vlastnosti – nejvyšší biokompatibilita a žádná cytotoxicita. Keramické biomateriály si díky své tvrdosti a odolnosti proti opotřebení našly své místo v dentálních aplikacích. Na druhou stranu syntetické polymery vykazují vysokou plasticitu a stabilitu.

Titan je díky svým skvělým vlastnostem – mechanickým i tribologickým – lídrem v oblasti biomedicínských materiálů.

Trocha historie…

Poprvé byl komerčně čistý titan použit pro lékařské aplikace ve 40. letech 20. století (Bothe, R. T., Beaton, L. E. and Davenport, H. A. Reaction of Bone to Multiple Metallic Implants. Surgery, Gynecology and Obstetrics. 1940, 71, 598–602). Poté následovala řada výzkumů souvisejících s cytotoxicitou titanu v prostředí lidského těla a také s jeho osseointegrací.
Aby se zabránilo možným zlomeninám implantátu, byla v polovině 60. let zavedena slitina Ti-6Al-4V, běžně používaná v leteckém průmyslu. Ukázalo se však, že vanad (V) může mít negativní dopad na biologickou tkáň, proto byl v 80. letech vanad nahrazen fyziologicky inertním a hypoalergenním niobem (Nb), a tak vznikla slitina Ti-6Al-7Nb.
Od počátku 21. století lze pozorovat novou vlnu zájmu o aplikace titanu v medicíně a hlavně v protetice.

Co dělá biokompatibilitu titanu?

Biokompatibilitu lze popsat jako snášenlivost materiálů v biologickém prostředí, dle definice: „schopnost materiálu provádět s vhodnou odpovědí hostitele v konkrétní aplikaci“ (D. F. Williams. The Williams dictionary of Biomaterials, 1999. ISBN 0-85323-921-5). Titan ale jde daleko přes hranice této definice, protože vykazuje osseointegraci čili schopnost strukturálního spojení mezi povrchem implantátu a živou tkání. Díky tomu nedochází k tvorbě jizev nebo pojivových tkání, což zajišťuje vynikající kompatibilitu.

Důležitým aspektem osseointegrace je adsorpce proteinů a buněčná adheze na povrchu implantátu. Vzhledem k tomu, že proteiny jsou nabité částice, adsorpce ovlivňuje konformaci proteinů, která pak podporuje adhezi dalších buněk, částic nebo dokonce bakterií, což může způsobit záněty a v extrémních situacích odmítnutí implantátu a jeho selhání. Elektrostatické síly mezi částicemi proteinu a kovovým povrchem jsou řízeny relativní permitivitou – čím větší permitivita, tím menší elektrostatická síla. Oxid titaničitý (TiO2) vykazuje mnohem vyšší relativní permitivitu než jiné oxidy kovů. Je podobná jako u vody, a proto nemění konformaci proteinů.

Závěr

Titan je nejvíce biokompatibilní materiál mezi kovy, což z něj dělá nejslibnější materiál pro implantáty. Díky specifické kombinaci mechanických a chemických vlastností, jako je poměr pevnosti k hmotnosti, odolnost proti korozi nebo tribologické vlastnosti, je titan v čele ideálních materiálů pro zdravotnické aplikace.

WOLFTEN nabízí certifikované výrobky vyrobené podle zdravotnických standardů a norem.

Další články

Trvale udržitelné ekologické technologie a metalurgie

Trvale udržitelné ekologické technologie a metalurgie

Může být metalurgie považována za udržitelnou (sustainable) ekologickou technologii? To je otázka, která se stále častěji objevuje na rtech nejen ekologických aktivistů, ale i lidí, kterým není vliv lidské činnosti na přírodní prostředí lhostejný.

číst více
Koroze

Koroze

Co je to za neviditelné monstrum, které se nebojí ani těch nejtvrdších materiálů? V případě kovů to lze definovat jako elektrochemický proces probíhající mezi povrchem a prostředím, spojený s přírodním jevem změny, během níž kov nabývá chemicky stabilnější formy.

číst více