Химические аспекты биосовместимости металлов

Растворимость и электрический заряд продуктов коррозии

Согласно данным Steinemann (1980, 1994), как степень растворимости, так и электрический заряд стабильных продуктов коррозии, образующихся на ее ранней стадии, являются очень важными показателями, влияющими на проникновение металла в ткани и развитие в них биологических реакций. В водно-солевой среде, входящей в состав биологических жидкостей, это обычно гидроокиси, гидроксиды, оксиды, иногда галлиды и органические комплексы. Поскольку гидролиз играет значительную роль в процессе ступенчатого анодного растворения металла, нужно тщательно учитывать тождество и стабильность продуктов гидролиза. С этих позиций наиболее предпочитаемыми группами являются электронейтральные материалы, такие как Ме(ОН)₄ (где Me - металл). В общем случае при низкой концентрации их сродство с органическими молекулами крайне незначительно. Кроме того, они, как правило, имеют достаточно низкую растворимость (Steinemann, 1994).

Очень важная информация о потенциальной биосовместимости металлов может быть получена из анализа растворимости их нейтрального гидроксида и определения размеров области рН, в которой преобладает этот нейтральный гидроксид. Как правило, нейтральные гидроксиды металлов, используемых в качестве имплантатов, имеют сравнительно низкую растворимость. Однако при физиологическом рН=7,4 гидроксиды большинства металлов заряжены или положительно, например Ме(ОН)₂⁺, или отрицательно, например Me (ОН)₆^-, что может вызвать негативные тканевые реакции и повышение растворимости (Pourbaix, 1974; Baes, 1976).

Низкая растворимость основных продуктов гидролиза металла при рН =7,4 хорошо коррелирует с их биосовместимостью. С этих позиций наиболее оптимальными металлами являются Cr, Au, Al, Fe(III), Ti, Та, Nb, Zr и Pt.

Если рассматривать вопрос биосовместимости материала с позиции электрического заряда, то заряженные отрицательно Au, Pt, Al, Fe(III), Ti, Та и Nb лучше подходят для изготовления имплантатов.

Стоит помнить, что в ряде случаев может происходить переход одного и того же металла, например за счет изменения валентности, из одного класса в другой с утратой биосовместимости. Так, Fe (III) электроотрицательно и высоко биосовместимо. В то же время Fe(II), которое образуется в процессе коррозии металла, имеет очень высокую растворимость и сильный положительный заряд, что делает его само по себе непригодным для использования в имплантатах. С другой стороны, если металлы имеют низкую растворимость, то даже при наличии положительного, нейтрального или слегка отрицательного заряда они показывают высокую биосовместимость. К таким элементам можно отнести продукты гидролиза Zr или Ti, в частности Ti (ОН)₃⁺, концентрация которых составляет всего около 10-10 моль/дм³ (Kovacs, Davidson, 1996).


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