Титан и его сплавы - имплантаты

С позиции химической и электрохимической биосовместимости титан является наиболее предпочтительным металлом для изготовления ортопедических имплантатов.

Титан был открыт в 1794 г. и получил название от греческого Titanium. Это цветной металл серебристого цвета, тугоплавкий, прочный, пластичный, является девятым по распространенности элементом земной коры. Основными формами его проявления в природе являются рутил TiO2 и ильменит FeO.TiO2. В химической таблице Д.И. Менделеева титан занимает 22 место, имеет м.м. 43,90 Д.

Получение титана в количествах, достаточных для промышленного использования, началось после разработки процесса Кролла в 1936 г. Титан имеет высокое отношение прочности к весу, которое делает его привлекательным при создании легких по сравнению со сталью конструкций. Очень стоек, благодаря образованию оксидного слоя. В природе окисел титана - кристаллическое вещество с температурой плавления от 1678 до 1850 °С. Точка кипения составляет 3260 °С. По сравнению с другими металлами, используемыми в качестве имплантатов в медицине, титан имеет ряд преимуществ (Thull 1992, 1996; Gronowicz et al., 2000):

• высокая биосовместимость;
• хорошая коррозионная стойкость;
• биоинертность;
• немагнитность;
• низкая теплопроводность;
• малый коэффициент линейного расширения;
• практически отсутствие токсичности;
• относительно меньший, по сравнению со сталью, удельный вес.

Во многом аналогичными свойствами обладают Та, Zr и Nb. Однако их запасы в мире во много раз уступают Ti и, следовательно, себестоимость изделий из них чрезвычайно высока.

Титан имеет ряд изоформ: β-форма Ti имеет кубическую решетку размером 32,8 нм; α-фаза титана представлена гексагональной кристаллической структурой, которая при 883 °С испытывает аллотропный переход к объемно-центрированной кубической β-форме. Интересно, что гексагональная α-фаза титана имеет размеры, близкие к ГА (главной минеральной составляющей костного матрикса). Так, если у Ti оси в кристалической решетке равны: А=29,5 нм, а С=4,68 нм, то у ГА эти показатели, соответственно, составляют 20 и 5 нм (Улумбекова и др., 1997). Возможно, такая структура позволяет титановым имплантатам, содержащим какую-то долю α-фазы, достаточно быстро интегрироваться с костной тканью, что наблюдается через один-два года после введения титановых имплантатов в организм (Thull, 1990).

Титан при попадании в организм под действием механической деформации, ионов хлора и коррозии частично биодеградирует и диффундирует в окружающие ткани. Следует отметить, что токсических эффектов или аллергизации при этом, в отличие от циркониевых и железохромовых сплавов, даже при достаточно высоком уровне содержания данного металла в тканях, как правило, не происходит (Ikarashi et al., 1996; Mu et al., 2000).

Однако при разработке имплантатов следует помнить, что Ti обладает способностью накапливаться в костях.

Титановые имплантаты способны образовывать оксидный слой и относятся к имплантатам второго поколения. Они стали активно использоваться в медицине около 25-30 лет назад.

При помещении титанового имплантата в биологическую среду на его поверхности проходят сложные процессы, среди которых можно выделить два основных - оксидирование и гидратирование.

Теоретически гидратирование титана может идти путем проникновения в его атомную решетку атомарного водорода с образованием одно- или двухвалентных гидридов. Однако такой путь маловероятен из-за конкуренции с атомами кислорода, которые достаточно быстро образуют оксидные слои. Возможно, что этот процесс протекает более сложным способом с образованием пленки из окиси титана, двуокиси титана (рутила и анатаза) и TiH2. Такая многофазная структура, с учетом постоянно идущего процесса биодеградации, образует сложную динамичную систему, что согласуется во многом с взглядами К.В. Шишокиной (1963) и Н.Д. Томашева (1985).

С одной стороны, ионы водорода разрушают титан, с другой - кислород образует оксид титана, который защищает его от этого процесса. При разработке Ti имплантатов следует учесть тот факт, что толщина оксидной пленки будет во многом лимитировать устойчивость данного металла к коррозии. С позиции электрохимии и биомеханики толщина оксида титана около 50 нм является оптимальной для его защиты.

Эмпирически это подтверждается данными ASTM, при получении которых, однако, был использован в большей мере механический, чем биологический подход. Тем не менее, данные принципы в целом справедливы и могут быть использованы в практической медицине.

При использовании более толстого оксидного слоя он становиться хрупким, легко повреждается при механическом воздействии и не пригоден для медицинских имплантатов.


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