Proprietati de biocompatibilitate cu mediul biologic

Proprietati de biocompatibilitate cu mediul biologic

1 Consideratii generale

Unele metale ca titanul, zirconiul, niobiul si tantalul, precum si aliajele lor au capacitatea de autopasivare spontana la contactul cu mediul biologic, prin formarea unui film de oxid metalic inert si puternic aderent pe suprafata metalului. In aceste conditii implantul nu reactioneaza cu tesutul biologic, prin reactii tisulare, dar se dezvolta in jurul implantului prin intermediul celulelor mediatice, un tesut celular inchis.

Interactiunea dintre suprafata implantului si mediul biologic, care constituie un electrolit, se manifesta prin adsorbtia moleculelor polarizate de apa si a macromoleculelor biologice prin forte de atractie - respingere si de difuzie cand se produce adsorbtia de substante pe suprafata implantata. Starea de echilibru a suprafetei implantului aflat in mediul biologic se caracterizeaza prin viteze egale de adsorbtie - de-sorbtie a ionilor si constituentilor din matricea extracelulara.

Adeziunea celulara la implant presupune contactul si raspandirea celulelor peste suprafata acestuia, adsorbtia diferentiala si cresterea celulelor. Celulele se leaga de proteinele adsorbite prin transmembrane de adeziune moleculara.

Interactiunea implant - mediu biologic parcurge urmatoarele etape cronologice:

- suprafata implantului produce o interfata specifica starii solide, care este inconjurata de faza lichida (mediu biologic);

- strat de proteine este adsorbit si structurat in stare de echilibru pe suprafata in concordanta cu proprietatile fizico-chimice ale suprafetei implant;

- celulele recunosc filmul de proteine si reactioneaza cu acesta;

- tesutul format este structurat in concordanta cu proprietatile stratului de proteine si celule de pe interfata aflata in constructie. Stratul pasivat de titan de pe suprafata implantelor prezinta proprietati ridicate de osteointegrare.

Criteriul de baza pentru caracterizarea biomaterialelor in zona de contact cu tesuturile biologice, consta in reactivitatea fizico-chimica a suprafetei.

Pentru a caracteriza complet interactiunea implant - mediu biologic, este necesar sa fie definite unele proprietati speciale ale interfetei existente intre implant si mediul inconjurator.

2 Biocompatibilitatea definita prin proprietatile de suprafata

Cand un biomaterial solid vine in contact cu un fluid extracelular se formeaza o interfata intre cele doua medii. Proprietatile interfetei sunt diferite de ale celor doua suprafete vecine.

Energia de legatura a moleculelor din stratul superficial, este mai mare decat cea din masa corpurilor. Aceasta energie este definita ca tensiune superficiala si se exprima in J/m².

Literatura de specialitate indica o valoare a tensiunii superficiale cuprinsa intre 60 - 120 mJ/m² pentru o adeziune corespunzatoare a tesutului la suprafata unui corp implantat. Energia de adeziune este notata cu w_a si se exprima prin relatia:

w_a = g_SL(1+cosq

unde:

g_SL - tensiune superficiala a fluidelor pe o suprafata solida

q - unghiul de umectare dintre lichid si solid

In baza celor prezentate mai sus rezulta ca vor putea fi utilizate ca materiale implantabile numai acelea care prezinta proprietati de tensiune superficiala corespunzatoare; adica daca vor fi umectate de catre fluidele biologice din mediul inconjurator implantului.

3 Stratul electric superficial al biomaterialelor

Daca un material metalic solid este inserat intr-un electrolit apos, la interfata se formeaza straturi electrice spatiale, ce favorizeaza aparitia in acea zona a unui strat dublu electric, ce cuprinde straturi incarcate pozitiv si straturi incarcate negativ, iar intre acestea se formeaza un camp electric. Stratul dublu - electric are un rol dominant in controlul proprietatilor electrice si chimice ale suprafetei implantului prin reactii de schimb intre ionii solutiei si cei ai stratului solid.

Interfata pH-ului mediului respectiv este semnificativa, aspect ce poate schimba ponderea sarcinilor electrice in zona interfazica. In cazul incarcarii cu sarcini pozitive a suprafetei se va forma un exces de anioni care reduc proprietatile de umectare. Suprafata incarcata negativ va acumula un exces de cationi care va imbunatati procesele de hidratare.

Gradul de incarcare cu sarcini spatiale a stratului dublu-electric interfazic este o caracteristica determinata de capacitatea electrica (exprimata in coulombi) specifica corpurilor solide si care influenteaza proprietatile de biocompatibilitate mai ales in domeniul electrozilor implantabili (vezi cap. 6.5.5).

4 Mecanismul de pasivare al biomaterialelor metalice

Cand un metal este introdus intr-un mediu fiziologic (solutie de saruri) in care se gasesc ioni disociati, acestia vor fi adsorbiti pe suprafata metalului, formand un strat pasivat de oxizi. In fig. 4.46 se prezinta schematic formarea TiO₂ pe suprafata titanului introdus intr-o solutie salina.

Fig. 4.46 Formarea stratului pasiv de TiO₂ pe suprafata titanului utilizat ca implant

Ionii de OH^- sunt atrasi de atomii de titan ai stratului superficial, in timp ce cationii de H⁺ sunt atrasi de cationii de oxigen. Prima reactie conduce la incarcarea negativa a suprafetei, pe cand a doua conduce la incarcarea pozitiva. Incarcarea rezultanta a interfetei depinde de pH-ul solutiei, care la randul sau este determinat de viteza de adsorbtie a ionilor si de prezenta altor ioni, etc.

Caracteristicile fizico-chimice ale peliculei superficiale de oxid metalic, aflata in contact permanent cu mediul fiziologic, au influenta determinanta asupra biocompatibilitatii implantului utilizat. Aceste caracteristici sunt prezentate detaliat in capitolele urmatoare.

5 Biocompatibilitatea definita prin structura electronica a metalelor

Aproape toate metalele utilizate in implantologie sunt elemente pure sau aliaje ale metalelor de tranzitie, caracterizate prin capacitatea de a forma in mod spontan invelisuri oxidice pasive la contactul cu mediile biologice.

Reactiile electrochimice care au loc la interfata metal-film interfazic pot fi de oxidare (coroziune) si de reducere. In functie de posibilitatile de transfer de sarcina in zona interfazica biomaterialele metalice se impart in:

Metale care produc filme superficiale pasive conductoare si care pot da reactii redox cu macromoleculele adiacente, ca de exemplu Cr, Co, Ni. Aceste metale produc reactii imunologice la zona interfazica caracterizate prin.

reducerea biomacromoleculelor;

coroziunea proteinelor si legarea produselor de coroziune la ionii metalici prin stratul de coroziune;

Mecanismele descrise mai sus sunt prezente sunt prezentate schematic in fig 4.47 si sunt caracteristice pentru toate metalele care formeaza invelisuri de oxizi conductoare, pasivate si repasivate, oxizi care au compozitie chimica nestoichiometrica.

Fig 4.47 Modul de interac-tiune electrochimica dintre suprafata implantului si macromoleculele adsorbite la interfata

Metale care formeaza filme oxidice superficiale neconductoare sau semiconductoare puternic aderente la metalul de baza numite si metale refractare ca: Ti, Zr, Ta, Nb. Deoarece conductia de sarcini electrice este foarte slaba prin aceste filme (stratul de oxizi este foarte stabil chimic si dens), coeficientii de difuzie ai atomilor de metal la suprafata oxidica si prin film au valori scazute, viteza de coroziune a metalului este redusa. Reactiile de reducere prin interfata film - electrolit sunt inhibate datorita barierelor de potential determinate de transportul slab de sarcini electrice (fig. 4.48.b).

Oxizii metalici pentru aceste elemente sunt foarte stabili si se formeaza pe baza legilor valentei.

Fig. 4.48 Schema desfasurarii reactiilor de transfer la pasivarea metalelor

a) in cazul formarii filmelor oxidice neconductoare sau semiconductoare; b) in cazul filmelor oxidice conductoare ale metalelor de tranzitie

In schema din fig 4.49 se prezinta interactiunea os-implant in cazul formarii oxizilor cu proprietati conductive, caz in care sunt antrenate in reactii chimice si proteinele, alaturi de macromoleculele biologice.

Fig 4.49 Modul de interactiune electrochimica dintre suprafata implantului si macromoleculele adsorbite la suprafata

Relatia dintre structura electronica a implantului si biocompatibilitate este esentiala pentru utilizarea biomaterialelor metalice ca implante ortopedice sau dentare, la fel ca si la interactiunea cu sangele. In cazul oxizilor titanului    - monoxidul TiO are proprietati conductive si va facilita transferul de sarcini prin interfata cu substantele din fluidele biologice. Bioxidul de titan - TiO₂ este un produs de oxidare cu proprietati puternic semiconductoare si in consecinta va inhiba transferul interfazic metal - mediu biologic, oferind caracteristici superioare de bio si hemocompatibilitate.

In concluzie se poate preciza ca proprietatile de conductibilitate ale filmelor oxidice superficiale, determinate de structura electronica, controleaeaza reactiile interfazice implant - mediu biologic.

Sunt considerate materiale biocompatibile acelea care nu reactioneaza cu macromoleculele biologice, deci nu produc reactii imunologice.