Biokompatibilita s nitinolem - Nitinol biocompatibility

Biokompatibilita s nitinolem je důležitým faktorem v biomedicínských aplikacích. Nitinol (NiTi), který je tvořen legováním nikl a titan (~ 50% Ni), je a slitina tvarové paměti s superelastický vlastnosti podobné vlastnostem kostí,[je zapotřebí objasnění ] ve srovnání s nerezová ocel, další běžně používaný biomateriál. Mezi biomedicínské aplikace, které využívají nitinol, patří stenty, nástroje srdeční chlopně, kostní kotvy, svorky, defekt septa zařízení a implantáty. Jedná se o běžně používaný biomateriál, zejména při vývoji technologie stentu.

Kovové implantáty obsahující kombinaci biologicky kompatibilní kovy nebo používané ve spojení s jinými biomateriály jsou často považovány za standard pro mnoho typů implantátů. Pasivace je proces, který odstraňuje korozivní prvky implantátu z rozhraní implantát-tělo a vytváří vrstvu oxidu na povrchu implantátu. Tento proces je důležitý pro zvýšení biokompatibility biomateriálů.

Přehled běžných pasivačních metod

Při zavádění materiálů do těla je důležité nejen to, aby materiál nepoškodil tělo, ale také aby prostředí těla nepoškodilo implantát.[1] Jedna metoda, která zabrání negativním účinkům vyplývajícím z této interakce pasivace.

Obecně se pasivace považuje za proces, který vytváří nereaktivní vrstvu na povrchu materiálů, takže materiál může být chráněn před poškozením způsobeným prostředím. Pasivace může být provedena mnoha mechanismy. Pasivní vrstvy lze vytvořit sestavením jednovrstev pomocí roubování polymerů. Pro ochranu proti korozi se pasivní vrstvy často vytvářejí vytvářením oxidových nebo nitridových vrstev na povrchu.

TiO2 Struktura jednotkové buňky

Oxidové filmy

Pasivace se často přirozeně vyskytuje v některých kovech, jako je titan, kov, který často tvoří kysličník vrstva většinou složená z TiO2. Tento proces probíhá spontánně jako entalpie formace TiO2 je negativní. Ve slitinách, jako je nitinol, tvorba vrstvy oxidu nejen chrání před korozí, ale také odstraňuje atomy Ni z povrchu materiálu. Odstranění určitých prvků z povrchu materiálů je další formou pasivace. U nitinolu je odstranění Ni důležité, protože Ni je toxický, pokud se vyluhuje do těla.[2] Nerezová ocel se běžně pasivuje odstraňováním železa z povrchu pomocí kyselin a tepla. Kyselina dusičná se běžně používá jako slabé oxidační činidlo k vytváření tenkého oxidového filmu na povrchu materiálů, který chrání před korozí.[3]]]

Elektrolytické leštění

Další způsob pasivace zahrnuje leštění. Mechanické leštění odstraňuje mnoho povrchových nečistot a poškození krystalové struktury, které mohou podporovat korozi. Elektrolytické leštění je ještě efektivnější, protože nezanechává škrábance, které mechanické leštění zanechá. Elektrolytické leštění se provádí vytvořením elektrochemické články kde se materiál zájmu používá jako anoda. Povrch bude mít zubaté vlastnosti, kde jsou určité body vyšší než ostatní. V této buňce bude proudová hustota vyšší ve vyšších bodech a způsobí, že se tyto body rozpustí vyšší rychlostí než spodní body, čímž se vyhladí povrch. Nečistoty bodu krystalové mřížky bude také odstraněn, protože proud donutí tyto vysoce energetické nečistoty k rozpuštění z povrchu.[4]

Povlaky

Další běžně používaný způsob pasivace se provádí potahováním materiálu polymerními vrstvami. Vrstvy složené z polyuretan byly použity ke zlepšení biokompatibility, ale zaznamenaly omezený úspěch. Potahování materiálů biologicky podobnými molekulami zaznamenalo mnohem lepší úspěch. Například, fosforylcholin povrchově upravené stenty vykazovaly sníženou trombogenní aktivitu. Pasivace je nesmírně důležitou oblastí výzkumu pro biomedicínské aplikace, protože tělo je drsným prostředím pro materiály a materiály mohou tělo poškodit vyluhováním a korozí. Všechny výše uvedené pasivační metody byly použity při vývoji nitrinolových biomateriálů k výrobě biokompatibilních implantátů.[5]

Vliv povrchové pasivace na biokompatibilitu

Techniky pasivace povrchu mohou výrazně zvýšit odolnost nitinolu proti korozi. Aby měl nitinol požadované vlastnosti superelastické a tvarové paměti, je nutné tepelné zpracování. Po tepelném zpracování obsahuje povrchová oxidová vrstva větší koncentraci niklu ve formě NiO2 a NiO. Toto zvýšení niklu bylo přičítáno difúzi niklu z objemového materiálu a do povrchové vrstvy během zpracování za zvýšené teploty. Metody povrchové charakterizace ukázaly, že některá povrchová pasivace snižují koncentraci NiO2 a NiO v povrchové vrstvě, zanechávající vyšší koncentraci stabilnějšího TiO2 než v surovém, tepelně zpracovaném nitinolu.[6]

Pokles koncentrace niklu v povrchové vrstvě nitinolu souvisí s vyšší odolností proti korozi. A potenciodynamický test se běžně používá k měření odolnosti materiálu proti korozi. Tato zkouška určuje elektrický potenciál, při kterém materiál začne korodovat. Měření se nazývá pitting nebo potenciál poruchy. Po pasivaci v roztoku kyseliny dusičné vykazovaly komponenty stentu Nitinol významně vyšší potenciály rozpadu než ty, které nebyly pasivovány.[6] Ve skutečnosti existuje mnoho povrchových úprav, které mohou výrazně zvýšit potenciál rozpadu nitinolu. Mezi tato ošetření patří mechanické leštění, elektrolytické leštění a chemická ošetření, jako je ponoření do oxidu dusnatého, leptání surové povrchové oxidové vrstvy a moření za účelem rozložení sypkého materiálu poblíž povrchu.

Trombogenicita, tendence materiálu indukovat tvorbu sraženin, je důležitým faktorem, který určuje biokompatibilitu jakéhokoli biomateriálu, který přichází do styku s krevním řečištěm. Existují dva proteiny, fibrinogen a albumin, které se nejprve adsorbují na povrch cizího předmětu v kontaktu s krví. Bylo navrženo, že fibrinogen může způsobit aktivaci krevních destiček v důsledku rozpadu proteinové struktury, protože interaguje s vysokou energií hranice zrn na určitých površích. Na druhé straně albumin inhibuje aktivaci krevních destiček. To znamená, že existují dva mechanismy, které mohou pomoci snížit trombogenicitu, an amorfní povrchová vrstva, kde nedojde k žádným interakcím na hranici zrn s fibrinogenem, a povrch s vyšší afinitou k albuminu než k fibrinogenu.


Stejně jako je trombogenicita důležitá při určování vhodnosti dalších biomateriálů, je stejně důležitá i pro nitinol jako materiál stentu. V současné době, když jsou implantovány stenty, pacient dostává antiagregant terapii po dobu jednoho roku nebo déle, aby se zabránilo tvorbě sraženiny v blízkosti stentu. V době, kdy léková terapie přestala, v ideálním případě vrstva endoteliální buňky, které lemují vnitřek krevních cév, by pokryly vnějšek stentu. Stent je účinně integrován do okolní tkáně a již není v přímém kontaktu s krví. Bylo provedeno mnoho pokusů s použitím povrchových úprav k vytvoření stentů, které jsou více biokompatibilní a méně trombogenní, ve snaze snížit potřebu rozsáhlé antiagregační léčby. Povrchové vrstvy, které mají vyšší koncentraci niklu, způsobují menší srážlivost kvůli afinitě albuminu k niklu. To je opak vlastností povrchové vrstvy, které zvyšují odolnost proti korozi. In vitro testy používají indikátory trombózy, jako jsou destičky, Tyrosinaminotransferáza a hladiny β-TG. Povrchové úpravy, které do určité míry snížily trombogenicitu in vitro, jsou:

  • Elektrolytické leštění
  • Pískování
  • Polyuretanové povlaky
  • Hliníkové povlaky[7]

Další oblast výzkumu zahrnuje vazbu různých farmaceutických látek, jako je heparin, na povrch stentu. Tyto stenty vylučující drogy ukázat slib v dalším snižování trombogenicity, aniž by byla ohrožena odolnost proti korozi.

Svařování

Nové pokroky v oblasti mikro laserového svařování výrazně zlepšily kvalitu zdravotnických prostředků vyrobených z nitinolu.

Poznámky

Nitinol je důležitá slitina pro použití ve zdravotnických prostředcích díky své výjimečné biokompatibilitě, zejména v oblastech korozní odolnosti a trombogenity. Odolnost proti korozi je zvýšena metodami, které vytvářejí rovnoměrnou vrstvu oxidu titaničitého na povrchu s velmi malým počtem defektů a nečistot. Trombogenicita je snížena na nitinolových površích, které obsahují nikl, takže procesy, které zadržují oxidy niklu v povrchové vrstvě, jsou prospěšné. Ukázalo se také, že použití povlaků výrazně zlepšuje biokompatibilitu.

Protože implantovaná zařízení se dotýkají povrchu materiálu, hraje věda o povrchu nedílnou roli ve výzkumu zaměřeném na zvýšení biokompatibility a ve vývoji nových biomateriálů. Vývoj a zdokonalování nitinolu jako materiálu implantátu, od charakterizace a zdokonalování oxidové vrstvy po vývoj povlaků, byl do značné míry založen na povrchové vědě.

Probíhá výzkum výroby lepších a biokompatibilnějších povlaků. Tento výzkum zahrnuje výrobu povlaku, který je velmi podobný biologickému materiálu, aby se dále snížila reakce cizího tělesa. Biokompozit povlaky obsahující buňky nebo proteinové povlaky jsou zkoumány pro použití s ​​nitinolem a mnoha dalšími biomateriály.[8]

Aktuální výzkum / další čtení

Reference

  1. ^ Biokompatibilita implantátů http://www.corrosion-doctors.org/Implants/biocompatib.htm
  2. ^ Shabalovskaya SA. Povrchové, korozní a biokompatibilní aspekty nitinolu jako materiálu implantátu. Bio-Med Mater Engin. 2002; 12: 69-109.
  3. ^ "Pasivace nerezové oceli", http://www.iftworldwide.com/white_paper/passivation.pdf
  4. ^ "Základy procesu elektrolytického leštění", http://www.harrisonep.com/services/electropolishing/default.html
  5. ^ Thierry B, Winnik FM, Merhi Y, Silver J, Tabrizian M. Bioaktivní povlaky endovaskulárních stentů na bázi polyelektrolytových vícevrstev. Biomakromolekuly. 2003; 4: 1564-1571.
  6. ^ A b O’Brien B, Carroll WM, Kelly MJ. Pasivace nitinolového drátu pro vaskulární implantáty je ukázkou výhod. Biomateriály. 2002; 23: 1739-1748.
  7. ^ Tepe G, Schmehl J, Wendel HP, Schaffner S, Heller S, Gianotti M, Claussen CD, Duda SH. Snížená trombogenita nitinolových stentů - hodnocení různých povrchových úprav a povlaků in vitro. Biomateriály. 2006; 27: 643-650.
  8. ^ Brassack, I. Bottcher, H. Hempel, U. "Biokompatibilita modifikovaných vrstev křemičitého proteinu." Journal of Sol-Gel Science and Technology. Prosince 2000. sv. 19, čísla 1-3.