Электрохимические аспекты биосовместимости металлов

Термодинамическая и практическая благородность металлов

На диаграмме «потенциал - рН равновесие» для любого металла, например титана, можно различить три основных области: невосприимчивости, пассивности и коррозии (Pourbaix, 1974).

Упрощенная диаграмма Пурбэ потенциал - рН равновесие

В области невосприимчивости стабильной формой твердого тела является сам металл, поскольку реакция коррозии термодинамически невозможна. В пассивной области стабильной формой твердого тела является не металл, а его оксид, гидроксид, гидрид или соли, которые осаждаются на поверхности и создают поверхностный слой, практически не содержащий пор. Он может обеспечить почти совершенную защиту против коррозии. Однако если образуются пористые отложения, то они могут предотвращать контакт между металлом и электролитом лишь частично.

В области коррозии стабильные формы металлов растворимы и коррозия протекает без образования пассивной поверхностной пленки. Металл может считаться термодинамически благородным, если его невосприимчивая область пересекает область термодинамической стабильности воды. Чем больше площадь этого перекрывания, тем благороднее металл с термодинамических позиций. Практически же металл может считаться благородным, если его области невосприимчивости и стабильности перекрывают область стабильности воды и имеют величины рН от 4 до 10 (Pourbaix, 1974; Kovacs et al., 1996).

Pourbaix (1974,1984) ранжировал 43 металла и металлоида в соответствии с их термодинамической (ТДБ) и практической благородностью (ПБ). На основании полученных результатов он пришел к выводу, что значительный эффект облагораживания пассивностью очевиден для Nb, Та, Ti, Zr, Al и Cr.

С точки зрения термодинамической и практической благородностей такие металлы, как золото и титан, можно считать как противоположными, так и очень похожими друг на друга. В соответствующем относительном ранжировании Au занимает первое и четвертое места, тогда как Ti - сорок первое и седьмое. Однако эти элементы биосовместимы по-разному. Если золото имеет металлическую поверхность, а потому невосприимчиво к окружающим его молекулам, то титан пассивен в результате того, что он на своей поверхности быстро образует оксидно/гидроксидную пленку (Kovacs, Davidson, 1996).

Различные свойства поверхности Au и Ti приводят к принципиально разному электрохимическому поведению при попадании их в тканевые электролиты. Это, несомненно, может оказывать влияние на биосовместимость. Au не имеет высокоизолирующего поверхностного слоя, который бы предотвращал или снижал процессы обмена электронами между металлом и биологической средой вокруг него при имплантации. Как показали Zitter и Plenk (1987), процессы обмена электронами на поверхности металла могут оказывать значительный негативный электрохимический эффект на ткани и биологические жидкости, даже если исключить процессы коррозии. Согласно комплексной электрохимической теории биосовместимости, которая одновременно рассматривает как процессы коррозии, так и обмен электронами, результаты сравнительного изучения биосовместимости свидетельствуют, что тканевые реакции на Ti более благоприятны, чем на Au. По крайней мере, это справедливо для тех случаев, когда имплантат не подвергается значительным деформациям, способным разрушить защитную пленку на поверхности Ti. Титан, в отличие от золота, стали, кобальт-хром-никелевых сплавов, не вызывает развития гальванических и других электрических явлений, возникающих на имплантате при введении его в организм. Хорошо известен тот факт, что на положительном и отрицательном полюсе происходит нарушение процессов остеогенеза в костной ткани, проявляющееся в виде остеосклероза, остеопороза и остеомаляции. Это может крайне негативно воздействовать на многие параметры, вплоть до развития воспалительных и некротических процессов. Поэтому считается, что диэлектрические материалы будут способствовать проведению диэлектрического остеосинтеза, при переломах (Ткаченко, Руцкий, 1983; Steinemann 1980; Bolz, Schaldach 1993; Zetner et al., 1980; Kovacs, Davidson, 1996).

Если условия процесса образования оксидного слоя не перекрывают всю область стабильности воды, то при пониженных рН, развившихся, например, в результате воспаления в хлорсодержащей среде, имеющей положительные значения потенциала, он утрачивает защитные свойства, и сплавы, в частности содержащие хром (нержавеющая сталь 316L и Co-Cr-Mo), могут подвергаться коррозии. С этих позиций для производства имплантатов титан и его сплавы являются более предпочтительными материалами (Pourbaix, 1974, 1984). Такое состояние в организме наблюдается при введении имплантатов с развитием ишемии и воспаления (Маянский, Урусов, 1996; Tengvall et al., 1989).


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