Tytan i jego zastosowania w medycynie

Czym jest biomateriał

Biomateriał to materiał pochodzenia naturalnego lub sztuczny, który wykorzystywany jest do uzupełnienia lub naprawy uszkodzonych struktur biologiczych, co ma na celu przywrócenie ich funkcjonalności oraz poprawę jakości oraz długości życia pacjenta. Biomateriały znajdują zastosowanie w wielu częściach ciała, mogą być stosowane jako sztuczne zastawki w sercu, stenty w naczyniach krwionośnych, implanty oraz protezy ortopedyczne. Szacuje się, że w przeciągu najbliższych 10 lat ilość wykonanych zabiegów wszczepienia implantów stawu kolanowego wzrośnie na świecie o ponad 600%.

Głównymi powodami takiego wzrostu zabiegów są stany chorobowe takie jak osteoartroza – czyli zapalenie stawów lub osteoporoza, polegająca na postępującym ubytku masy kostnej. Dodatkowo – obserwujemy znaczne starzenie się populacji, co również zwiększa zapotrzebowanie na stosowanie implantów.

Wraz ze zwiększającą się ilością zabiegów wszczepienia implantów, obserwujemy również narastającą ilość operacji rewizyjnych (17% wszystkich endoprotezoplastyk), które są drogie, bolesne a ich skuteczność jest raczej niewielka – zazwyczaj operacja wszczepienia implantów jest pierwszą z serii coraz trudniejszych operacji.

Właśnie dlatego intensywnie pracuje się nad stworzeniem takiego implantu, który wykonany jest z materiału o długiej żywotności, cechujący się najwyższą odpornością korozyjną w organizmie, wytrzymałością, odpornością na ścieranie i zmęczenie, najwyższą biokompatybilnością oraz brakiem cytotoksyczności. Takimi materiałami, które z powodzeniem wykorzystywane są w implantach to biomateriały ceramiczne, które dzięki swojej twardości oraz odporności na ścieranie znajdują zastosowanie w dentystyce, oraz materiały wykonane z polimerów, które przede wszystkim cechują się plastycznością oraz stabilnością. Ze względu na swoje świetne właściwości – zarówno mechaniczne jak i tribologiczne, tytan i jego stropy szturmem zdobywają czołowe miejsca na podium materiałów biomedycznych.

Trochę historii

Technicznie czysty tytan (Commercially Pure Titanium – CPT) po raz pierwszy zastosowany został do celów medycznych w latach 40tych XX. wieku (Bothe, R.T., Beaton, L.E. and Davenport, H.A. (1940) Reaction of Bone to Multiple Metallic Implants. Surgery, Gynecology and Obstetrics, 71, 598-602). Później pojawiło się coraz więcej badań dotyczących cytotoksyczności tytanu (a dokładniej braku takowej) w środowisku organizmu oraz jego możliwości osseointegracji.

Aby uniknąć pęknięć wszczepionego implantu, w latach 60tych zaczęto stosować stop Ti-6Al-4V, który dotychczas był wykorzystywany w przemyśle lotniczym. Gdy okazało się jednak, że wanad może mieć negatywny wpływ na tkankę biologiczną, w połowie lat 80tych powstał stop w którym wanad zastąpiono obojętnym niobem (Ti-6Al-7Nb).

Od początku XXI wieku możemy zaobserwować nową falę zastosowań tytanu i jego stopów w implantologii.

Na czym polega biokompatybilność tytanu?

Biokompatybilność może być zdefiniowana jako zdolność materiału do prawidłowego jego zachowania w kontakcie z tkanką biologiczną. Tytan jest metalem, który jednak wykracza poza tę definicję, bo cechuje się dodatkowo tzw. osseointegracją, czyli zdolnością do tworzenia bezpośredniego strukturalnego połączenia pomiędzy swoją powierzchnią a żywą tkanką. Dzięki temu pomiędzy kością a implantem nie wytwarza się tkanka bliznowata ani chrząstka a połączenie jest bardzo silne.

Istotnymi aspektami osseointegracji jest adsorpcja białek oraz adhezja komórek. Adsorpcja na powierzchni implantu wpływa na konformację białek a ponadto adsorbowane białka mogą być inicjatorami adhezji innych komórek, cząsteczek lub bakterii, co może mieć poważny wpływ na występowanie stanów zapalnych. W ekstremalnych przypadkach może to doprowadzić do odrzucenia implnatu przez organizm. Siły elektrostatyczne pomiędzy białkiem a powierzchnią metalu są odwrotnie proporcjonalne do względnej przenikalności elektrycznej metalu – im wyższa względna przenikalność, tym mniejsze siły elektrostatyczne. Powłoka tlenku tytanu, która naturalnie występuje na powierzchni implantu ma względną przenikalność elektryczną podobną do wody, dlatego zmiana konformacyjna białka jest tak mała.

Podsumowanie

Tytan jest najbardziej biokompatybilnym materiałem wśród metali, co czyni go jednym z najbardziej obiecujących materiałów do zastosowań w medycynie i implantologii. Dzięki specyficznej kombinacji właściwości takich jak stosunek wytrzymałości do wagi, odporność na korozję, właściwości mechaniczne oraz tribologiczne, tytan zdobył czołową pozycję jako idealny materiał do zastosowań medycznych.

WOLFTEN dostarcza certyfikowane produkty, wykonane według standardów dla zastosowań medycznych.

Pozostałe wpisy

Boskie metale

Boskie metale

Podzielasz naszą pasję i podobnie jak my, chcesz poszerzyć swoją wiedzę na temat wyrobów hutniczych? Zapraszamy do lektury przygotowanego przez nas zestawienia ciekawostek i faktów dotyczących metali.

czytaj dalej
Nieinwazyjne badania materiałowe

Nieinwazyjne badania materiałowe

Jednorodność blach ma bezpośredni wpływ na ich wytrzymałość, dlatego parametr ten jest bardzo często kontrolowany ze szczególną uwagą. Na zlecenie klientów wykonujemy nieinwazyjne badania gotowych wyrobów.

czytaj dalej
Kształtowanie blach tytanowych

Kształtowanie blach tytanowych

W ostatnich latach zmniejszenie ciężaru konstrukcji staje się sprawą priorytetową dla wielu gałęzi przemysłu. Kwestia ta jest szczególnie ważna dla przemysłu transportowego, a zwłaszcza lotniczego, gdyż obniżenie ciężaru pojazdów…

czytaj dalej