Proprietati de interactiune implant - mediu biologic - toxicitatea metalelor

Proprietati de interactiune implant - mediu biologic

Metalele, in contact cu organismul biologic, dau efecte complexe, producand o serie de reactii biologice, in functie de concentratie, de timpul de expunere, etc. Dupa modul de interactiune biologica, metalele se impart in:

Elemente metalice necesare in concentratii foarte mici, pentru organismul viu - numite elemente esentiale - printre care se amintesc: cobalt, fier, mangan, zinc, magneziu, sodiu, potasiu, etc.;

Elemente care produc reactii toxice pentru organism, daca sunt prezente in concentratii mai mari, ca arseniu, cobalt, nichel, etc; efectul citotoxic a fost demonstrat prin sistemul de culturi celulare.

Metale cu potential alergic ca nichel, cobalt si crom sunt considerate ca elemente puternic alergice;

Metalele si unii compusi metalici prezinta efect carcinogenic prin formarea de radicali liberi in contact cu mediul biologic.

1 Toxicitatea metalelor

In medii biologice, in concentratii reduse metalele nu produc efecte toxice sau alergice. Numai in concentratii mari, si mai ales sub forma de compusi metalici (oxizi, saruri, etc.) se produc reactii biologice daunatoare pentru organism. Comportarea celor mai uzuale elemente metalice in medii biologice este prezentata in continuare:

Aluminiul. Intoxicatii cu aluminiu metalic sunt prezente in medicina muncii si la pacientii supusi dializelor renale. Compusii de aluminiu sunt rar absorbiti si prezenti in organism. Principalul organ predispus la intoxicare cu aluminiu este creierul, iar la concentratii semnificative se produce frecvent encefalopatia Altzheimer. Imbolnavirea se pare ca este stimulata si de un defect genetic al pacientilor, deoarece s-a demonstrat ca aluminiul joaca un rol minor in declansarea bolii.

O anumita cantitate de aluminiu prezenta in oase altereaza mineralizarea tesutului osos, aspect ce conduce la fracturi patologice. O solubilitate scazuta de Al₂O₃ nu este toxica si favorizeaza proliferarea celulelor.

Beriliul. Principalele cai de patrundere a beriliului in organism sunt prin piele, plamani si tubul digestiv. Compusii beriliului sunt rapid transformati in ortofosfati insolubili, care se acumuleaza pe plamani, fiind retinuti pana in proportie de 80%.

Beriliul si compusii sai sunt carcinogenici, conform experimentelor facute pe animale si in domeniul medicinii muncii. In mediile de lucru cu compusi de beriliu se admite o concentratie maxima de 0,5mg/m³. Beriliul este un agent foarte sensibil si utilizarea sa in teste alergice este interzisa.

Cadmiul. Patrunde in organism pe caile respiratorii prin fumat si mediu industrial. Se gaseste de asemenea in unele aliaje dentare si in compozitia unor electrozi de sudura.

Plamanii sunt cei mai expusi la intoxicatia cu cadmiu si compusii sai (oxizi si sulfuri) care in cazul unor concentratii mai mari pot conduce la imbolnaviri de bronsita, bronhopneumonie si edem pulmonar. Nu exista probe privind efectul cancerigen al cadmiului.

Cobaltul. Absorbtia de cobalt in organism se produce pe cai digestive, cutanate si pulmonare. Este considerat a fi un element esential pentru organism, in concentratii reduse. El se gaseste in vitamina B₁₂ sub forma de CoO (0,5%) si CoCl₂ (18%). Cobaltul se depoziteaza in rinichi, ficat si pancreas, de unde se elimina in cateva zile prin urina. Totusi cobaltul determina producerea unei fibroze pulmonare si ocupa al treilea loc (dupa nichel si crom) printre metalele alergice.

Cromul. Ca si cobaltul este un element esential pentru organism. Toxicitatea sa depinde de valenta din combinatiile oxidice: oxizii superiori de crom sunt mult mai toxici decat oxizii inferiori (valenta III).

Cromul este absorbit pe cai gastrointestinale, respiratorii si prin piele, se acumuleaza in ficat, uter, rinichi si oase. Nivelul de retinere al cromului de valenta superioara (VI) este mult mai ridicat in comparatie cu cromul de valenta III. Se elimina din organism prin rinichi si are actiune alergica puternica.

Cuprul. Este de asemenea un element esential pentru organismul viu fiind un component al sistemelor de enzime pe baza de tirosinaza si citocrom. Deficitul de cupru in organism induce boala Menke - cu eliminarea rapida a cuprului asimilat. O acumulare peste limita admisa a cuprului, mai ales in ficat, determina boala Wilson, care este ereditara, se produce prin transmisie autosomala.

Cuprul se absoarbe pe cale digestiva si pulmonara, fiind total legat de celulele proteice, de serul albuminelor si de anumite celule din sange, unde faciliteaza sinteza unor celule.

Acumulat in organism peste un nivel normal cuprul produce intoxicatii care pot afecta plamanii (granulomatoza fibroasa), ficatul (ciroza micronodulara), necroza celulara a tubului proximal al rinichilor si distrugerea celulelor mucoasei epiteliare. Cuprul nelegat se acumuleaza in bila de unde se elimina rapid prin urina.

Fierul. Si fierul este un element biologic esential pentru organism in concentratii de pana la 50 ppm. El joaca un rol central in moleculele de hematina, si in transportul oxigenului si electronilor in organism. Este legat de hemoglobina, mioglobulina si de sistemul de enzime citocromatice.

Fierul este toxic numai la continuturi ridicate, ionii eliberati prin procesul de oxidare nu se acumuleaza in tesut si este imediat metabolizat. Deficitul de fier in organism, produs prin degradarea hemoglobinei sau dupa o interventie chirurgicala, poate fi recuperat in timp, pe cale naturala.

Manganul. Si manganul este un element esential in organism avand un rol important in activarea unor sisteme de enzime si respiratia mitocondriala. Manganul are un efect antagonist fata de fier, in sensul ca daca se gaseste peste limitele normale in organism, reduce absorbtia fierului, aspect ce afecteaza hemoglobina din sange. De asemenea, excesul de mangan substituie magneziul in procesul de proliferare a celulelor ADN.

Molibdenul. Si acest element este considerat a fi esential, omul consuma zilnic 0,1 mg molibden pentru mentinerea echilibrului enzimelor active. Ingestia unor cantitati mari de molibden distruge metabolismul cuprului, aspecte ce se manifesta prin simptome de greata, scaderea activitatii plamanilor, lucru constatat mai ales prin inlaturarea particulelor de molibden in cazul muncitorilor expusi la medii toxice de lucru.

Nichelul. Ca si cromul, nichelul este elementul cel mai studiat in privinta comportarii fata de mediile biologice. Este un element toxic, alergic, mutagenic si carcinogenic, atat in stare pura cat si sub forma de compusi chimici.

Nichelul este asimilat in organism din mediul obisnuit prin digestie, prin plamani si prin piele. Intoxicatia cu nichel se constata prin prezenta acestuia in urina si sange, si intra in organism prin inhalare, prin infectii intramusculare si intravenoase si din implantele metalice care contin nichel . Are o inalta afinitate fata de celulele mitocondriale si microsomale ale plamanului, care constituie rezerva de energie celulara.

Compusii de nichel ca hidrocarbonatii si sulfatii activeaza sinteza leucinei (aminoacid) si peroxizilor in lipide: astfel se genereaza radicali liberi care sunt factori esentiali in geneza cancerului. Nichelul este cel mai alergic metal care produce dermatite reactiile sale alergice sunt mai pronuntate decat cele produse de toate metalele la un loc.

Argintul. Este un metal seminobil si totusi produce reactii toxice; patrunde in organism pe cai digestive si cutanale, si se leaga de preferinta de colagen si alte structuri fibrilare ca muschi, tendoane si nervi. Cel mai evident simptom clinic al intoxicarii cu argint este argiroza, semnalata de aparitia unei coloratii gri-bleu pe piele si mucoasa. Argiroza poate fi insotita de probleme gastrointestinale, anorexie, anemie, deficiente hepatice si insuficienta respiratorie. Intoxicatia se datoreaza utilizarii in lucrari dentare, in cantitati mari a amalgamelor si a altor compusi cu argint. Argintul metalic si aliajele sale, mai ales cu aur, n-au pus in evidenta efecte toxice.

Titanul. Acest metal nu este considerat a fi un element esential pentru organism, concentratia normala in corpul uman este de cca 0,2 ppm. Chiar la concentratii mari (2000 ppm) n-au fost observate intoxicatii clinice, de aceea titanul este considerat un element inert biologic.

Vanadiul. Este considerat un element controversat pentru organism, este bine tolerat la concentratii reduse - pana la 0,1 ppm. Dupa unii cercetatori, vanadiul are efecte pozitive in procesele de crestere prin metabolismul lipidelor, mineralizarea osoasa si a dintilor, etc. Dupa alti cercetatori, vanadiul este considerat un element foarte toxic prin efectul sau de interferenta cu mai multe sisteme de enzime (A, Q), actiune ce poate determina perturbari psihologice.

Prezent in mici concentratii in aliajele chirurgicale (1 - 4%) ca Ti₆Al₄V, nu s-au observat efecte toxice si reactii biologice; este utilizat pentru imbunatatirea proprietatilor mecanice ale aliajelor in titan.

Elementele platinice: platina, iridiu, paladiu, rodiu si ruteniu. Aceste metale, ca si sarurile lor, prezinta slabe efecte de intoxicare pentru organismul uman, inclusiv daca sunt prezente in cavitatea bucala, motiv pentru care sunt pe larg utilizate in aliajele dentare.

Alte elemente

Aurul. Este un metal nobil, foarte stabil din punct de vedere chimic, la temperatura corpului nu da nici un fel de reactii biologice, fiind complet biocompatibil. Este utilizat curent ca un marcator imunologic prin inhibarea enzimelor reversibile, precum si in lucrari dentare restaurative.

Zincul. Este considerat a fi un element esential, important; deficienta sa in organism perturba aproape toate functiile psihologice. Totusi, prezent in concentratii mari in organism produce reactii biologice nedorite, lucru semnalat mai ales in cazul personalului care lucreaza in industria zincului (temperatura sa de evaporare este relativ joasa - 900^oC). Oxidul de zinc - ZnO are un efect favorabil de cicatrizare a ranilor, motiv pentru care este utilizat in fabricarea alifiilor farmaceutice.

Galiu, iridiu, niobiu, seleniu si tantal. Sunt metale utilizate in producerea unor aliaje speciale. Experimentarile clinice si urmarirea personalului care lucreaza in medii specifice nu au aratat prezenta efectelor toxice de la aceste elemente sau compusii lor.

2 Eliberarea de ioni si particule metalice in organism

Utilizarea aliajelor metalice in medicina prezinta, pe langa multitudinea de avantaje oferite de proprietatile fizico-mecanice, si aspecte negative, mai ales in privinta reactiilor toxice cu organismul, ca urmare a eliberarii de ioni metalici si a produselor de abraziune (de uzura).

Ionii eliberati de protezele si implantele metalice, ca urmare a procesului de coroziune electrochimica: Me Me⁺ + e ^-, constituie principala sursa de reactii cu mediul biologic. Acest proces de coroziune se manifesta si in cavitatea orala datorita prezentei diverselor aliaje dentare in contact cu saliva, care constituie un electrolit favorabil producerii coroziunii galvanice.

In domeniul metalelor utilizate pentru implante chirurgicale, procesul de eliberare de ioni se manifesta mai intens la nichel, crom si cobalt. Au fost studiate si gasite concentratii mari de ioni metalici, in prezenta implantelor, in fluidele si tesuturile din jurul acestor implante.

Cercetarile efectuate in acest domeniu au condus la concluzia ca nu ionii metalici produc in mod direct efecte daunatoare in organism, ci efectele secundare care se manifesta prin metabolismul produs de ioni. Gradul de oxidare si de formare a compusilor metaloorganici poate avea un rol esential in acest proces. Astfel s-a stabilit ca in cazul cromului, ionii primari eliberati sunt trivalenti, in timp ce efecte toxice, alergice si carcinogene produc ionii hexavalenti prezenti in mediul biologic.

S-a stabilit de asemenea ca influenta compozitiei chimice a aliajului are mai putina importanta decat structura si caracteristicile fizico-chimice in procesul de eliberare de ioni. Astfel, cantitatea de ioni eliberata de aliajele CoCr este similara cu cea produsa de otelul inoxidabil.

Unele metale utilizate in prepararea aliajelor dentare au fost studiate si clasificate ca toxice, prin reactiile care le genereaza in cavitatea orala. Astfel, cadmiul si beriliul se evidentiaza a fi elemente cu pronuntat caracter toxic.

Particulele metalice, rezultate din uzarea protezelor articulare, provoaca multiple reactii tisulare, inclusiv osteoliza (degradarea structurii normale a oaselor), reactii macrofage, granuloma, reactii inflamatorii etc., toate aceste fenomene nedorite determina destabilizarea si chiar pierderea protezei sau implantului.

O proteza complexa, alcatuita din materiale diferite, va produce de asemenea particule diferite (metalice, ceramice, polimerice) care se vor comporta diferentiat in zona protezei astfel:

polimerii si ceramicele dau probleme mai complexe decat metalele;

marginea si forma particulelor joaca un rol important in sensul ca cele mici si neregulate ca forma sunt mai active decat cele mari si de forma regulata;

aliajele cu continut de CoCrNi dau reactii mai complexe decat aliajele de titan, deoarece primele se dizolva continuu in contact cu tesuturile si sunt supuse la modificari chimice cu formare de precipitate sau compusi metaloorganici. Particulele din aliajele de titan provin din stratul pasivat al implantului deci vor fi oxizi care sunt considerati a fi inerti chimic.

3 Reactii tisulare

In vecinatatea implantelor sau protezelor cu tesutul biologic se pot produce reactii tisulare. Aceste reactii dintre biomateriale si mediul biologic, se pot clasifica in:

interactiuni ale biomaterialului asupra mediului biologic manifestate prin: emisie de ioni metalici ca urmare a procesului de coroziune chimica (oxidarea metalelor), precum si emisia de particule metalice cauzata de uzura mecanica;

interactiuni ale mediului biologic asupra biomaterialului prin variatia pH-ului, determinata de inflamatii locale si distrugerea tesutului.

Din punct de vedere al interactiunii biomaterial - mediu biologic, biomaterialele se impart in patru grupe, conform tabelului 4.17:

Tabelul 4.17 Interactiuni tisulare care au loc la interfata cu biomaterialele

Cea mai frecventa forma de lezare a tesuturilor in vecinatatea implantelor din aliaje Co - Cr - Ni se produce sub forma de granulom, fenomen caracterizat printr-o densitate ridicata a fibrelor de colagen si de prezenta celulelor gigant multinucleate - MCG. Evolutia granuloamelor poate conduce uneori la blocare protezelor articulare, ceea ce necesita reinterventie chirurgicala pe implant.

Un alt tip de reactie tisulara se manifesta in modificarea structurala a osului, in zona implantata sau protezata. Astfel, in cazul osteosintezei cu placute s-a observat formarea de noi tesuturi osoase, dupa patru ani de expunere. De asemenea s-au constatat fenomene de osteoliza (distructia osului) produsa de obicei in cazul implantelor necimentate, care nu se pot fixa riguros in cavitatea osoasa si capata o anumita mobilitate in timp.

La interfata os - implant s-au putut constata si fenomene de osteonecroza (distrugerea tesutului osos), produsa mai ales prin scleroza osoasa.

In scopul de a imbunatati performantele implantelor metalice si a protezelor ortopedice trebuie respectate unele criterii esentiale ca:

implantele nelegate trebuie sa fie imobile;

protezele articulare trebuie sa fie cimentate;

prezenta reactiilor tisulare sa fie slaba( sub 5%);

performanta unui implant se caracterizeaza prin absenta simptomelor persistente si reversibile ca dureri, infectii si neuropatii precum si in lipsa reactiilor tisulare.

In privinta utilizarii aliajelor dentare din metale nepretioase s-au constatat, in activitatea chimica, fenomene de lezare a mucoasei orale sub forma de stomatite, hipertrofii tisulare, etc.

4 Reactii inflamatorii

Implantele si protezele metalice pot provoca reactii inflamatorii cu tesutul biologic adiacent, care se manifesta sub diferite forme de inflamatii ale celulelor: histocite, plasmocite, MGC, limfocite, etc.

5 Reactii imunologice. Sensibilitate si alergie

Simptomele inflamatorii si imunologice sunt adesea foarte strans legate intre ele. Sunt cunoscute unele metale ca fierul, nichelul si cobaltul care au capacitatea de proliferare a limfocitelor.

Alergia este definita ca o reactie pronuntata a unei substante cand este introdusa in organism. O substanta sensibila numita antigena este o molecula sau o celula care, odata introdusa in organism, determina formarea de anticorpi sau celule de aparare.

Reactiile alergice determinate de otelul inoxidabil si aliajele Ni - Co - Cr dau reactii numite dermatite de contact, cu slaba putere alergica, apartinand grupei a IV-a de contact.

In privinta susceptibilitatii la alergie, produsa de aliajele utilizate ca implante chirurgicale si ortopedice, parerile cercetatorilor sunt impartite, insa este recunoscut pe deplin faptul ca exista o relatie intre producerea alergiilor si implantele metalice.

6 Efecte carcinogene

Nu s-a demonstrat stiintific existenta unei relatii directe intre formarea celulelor canceroase si prezenta implantelor in cazul uman. Au fost semnalate cazuri de aparitie a histocitozei fibroase maligne in zona implantelor metalice a placilor si suruburilor si altor corpuri straine (fragmente de obuz).

Exista totusi informatii clare ca expunerea indelungata a corpului uman si animal in medii care contin compusi metalici, in concentratii mari, creste riscul de aparitie a cancerului.

Este demonstrat experimental si recunoscut faptul ca pulberile metalice eliberate sub forma de ioni modifica metabolismul biologic si procesele de oxidare, compusii nichelului, cobaltului si cromului pot avea efecte genotoxice si mutagenice. Sunt semnalate tot mai frecvente cazuri de aparitie a tumorilor maligne la persoane in zona implantelor metalice de lunga utilizare.

7 Concluzii

Aliajele chirurgicale si dentare elibereaza in corpul uman ioni si particule metalice, care se concentreaza in urina, sange, unghii, par si in tesuturile din jurul implantelor; acestea pot produce nu numai reactii alergice, dar si reactii imunologice si inflamatorii.

Aliajele dentare pretioase si semipretioase sunt in general recunoscute ca inerte si perfect biocompatibile. Titanul si aliajele sale sunt materiale care raspund cerintelor mecanice chimice si biologice.

Nu sunt evidentiate cazuri    de producere a cancerului de catre aliajele dentare, in schimb, in cazul implantelor ortopedice, care elibereaza ioni in concentratii ridicate, este favorizata aparitia unor tipuri de tumori, lucru constatat clinic in mii de cazuri.

Unele metale deja sunt considerate prohibite pentru organisme ca beriliul, nichelul si mercurul. Nichelul este considerat a fi unul dintre cele mai daunatoare metale utilizat ca biomaterial.

Este de precizat faptul ca nu trebuie confundat metalul ca element chimic cu compusii sai, oxizi sau compusi organici; acestia din urma constituie elemente potential toxice, ridicand riscul producerii reactiilor patologice in organism.

Din considerentele prezentate    la acest subcapitol se justifica pe deplin utilizarea de implante si proteze acoperite superficial cu diverse filme protectoare, care sunt inerte fata de organism si uneori chiar pot facilita dezvoltarea celulelor osoase.