Поверхностные свойства титана в водном биологическом электролите

Согласно современным взглядам, взаимодействие между имплантатом и организмом протекает по типу агрессии. Имплантат вторгается в организм. Организм воспринимает его как инородное тело и стремится избавиться от него. Развиваются стереотипные механизмы отторжения, которые на фоне неблагоприятных электрохимических, иммунологических и биологических реакций, вызванных введением имплантата, нарушают процессы взаимодействия материала с организмом (Кобзев, Дубровин, 1997; Лаврищева, 1997; Thull, 1992, 1994).

Изучение общих закономерностей процессов взаимодействия костной ткани и имплантата показало, что все они протекают на поверхности имплантата. Следовательно, одним из путей нейтрализации негативного влияния материала на окружающие ткани является модификация его поверхности с целью придания ему биосовместимых свойств. Необходимый эффект достигается за счет придания покрытию имплантатов биоинертных свойств. При этом поверхность при контакте с биомолекулами и клетками не должна приводить к их структурной и функциональной конформации. Образующийся вокруг имплантата защитный биологический слой «маскирует» его от развития специфических и неспецифических иммунных реакций, вследствие чего отторжения имплантата не происходит (De Basiani et al., 1984; Perren et al., 1988; Checkets, Otterburn, 1992; Petinne et al., 1993; Aro et al., 1993; Caja, Moroni, 1996).

Кроме того, характеристики металлических материалов и их поверхностей должны быть ориентированы на функции имплантата, т.е. имплантаты должны быть функциональными. При этом, наряду с обеспечением выполнения механических требований к параметрам поверхности, химическому составу и кристалличности, необходимо придать им определенные биологические свойства путем модификации наружного слоя. Тонкие механизмы взаимодействия белков клеток с поверхностью материалов до настоящего времени плохо поняты. До сих пор неясными остаются реакции между модифицированными поверхностями имплантатов с макромолекулами внеклеточной матрицы (Thull, 1991, 1994; Anselme et al., 2000). Исходя из этого, вполне логичным требованием к имплантатам является их коррозионная стойкость. В отличие от нержавеющей стали и кобальт-хромовых сплавов, титан или его сплавы после введения в кость корродируют только до тех пор, пока оксидный слой, образовавшийся на его поверхности, не остановит дальнейшие реакции с водным электролитом. Толщина слоя подчиняется логарифмическому закону. Обычно оксид имеет толщину около 10 нм и состоит из TiO2 в анатазной фазе (Thull, 1992). Поверхности, спонтанно пассивирующиеся в физиологическом электролите, в зависимости от химического состава и кислородного насыщения внеклеточной матрицы могут быть частично плотными или частично пористыми. Наряду с TiO2 в оксидном слое могут находиться ионы «химической среды» соответствующего электролита (Maeusli et al., 1985).

При изучении биосовместимых свойств «интегрированной» поверхности титана, покрытой остеоцитами, установлено, что характерным для нее является взаимодействие оксидного слоя с гидроксильными группами и водородом. Группы ОН- находятся на титановой поверхности в местах, соответствующих Lewis-кислоте, в то время как Н+-ионы соответствуют кислороду в оксиде титана как Lewis-основания. Первая реакция приводит к появлению на поверхности имплантата эффективного отрицательного заряда, последняя - положительного. Величина суммарного заряда равная изоэлектрической точке говорит о том, какие биоактивные молекулы и клетки будут взаимодействовать (осаждаться на) с биоматериалом. Иными словами, суммарная величина катионов и анионов определяет, несет ли поверхность имплантата при заданной величине рН, близкой к таковой внеклеточной матрицы, положительный заряд или отрицательный. Установлено, что оксиды различных элементов, например Аl2O3, Nb2O5, Та2O5 или ZrO2, имеют различные поверхностные заряды. Для того, чтобы охарактеризовать ожидаемый заряд оксида, определяется та величина рН водного раствора, при котором концентрации групп ОН и ионов Н равны и имеют нейтральное значение. Эта величина рН обозначается как изоэлектрическая точка - pI.

Относительно pI поверхность имплантата действует или как твердотельное основание при pI > рН 7, или как твердотельная кислота при pI < рН 7.

В таблице классифицируются некоторые оксиды металлов, используемые в имплантатах (Parks, 1965). При этом оказывается, что pI оксида титана (анатаз) лежит сравнительно близко к величине рН=6,2 внеклеточной матрицы, что делает его высоко биоактивным в слабокислой среде.

Изоэлектрические точки оксидов (pI), которые можно найти на имплантируемых металлах

Поверхность твердого тела благодаря изоэлектрическому фокусированию включает механизм сепарации белков и клеток. Макромолекулы и клеточные элементы при равенстве с поверхностной изоэлектрической точкой осаждаются на ней. В таблице 3.14 приведены ее значения для некоторых молекул. Следует учесть, что в биологических жидкостях дополнительно к ионам ОН- и Н+ всегда содержатся другие ионы, которые после осаждения на поверхности и определяют конечный суммарный заряд.

Поэтому вместе с силой электростатического взаимодействия или, при выражении в более общем виде, энтальпии связывания, нужно также учитывать и изменение энтропии в результате процесса адсорбции (Norde, Lyklema, 1978).

Изоэлектрическое фокусирование некоторых протеинов

 

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