ทำไมไทเทเนียมถึงผูกพันกับร่างกายมนุษย์: อธิบายความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

ความสัมพันธ์ระหว่างไทเทเนียมกับร่างกายมนุษย์หมายถึงอะไรจริงๆ

ไทเทเนียมจะไม่ถูกดูดซึมโดยเนื้อเยื่อที่มีชีวิต และไม่มีพันธะทางเคมีเหมือนกับการปลูกถ่ายกระดูก เมื่อแพทย์อธิบายว่าไทเทเนียมมีความสัมพันธ์กับร่างกายมนุษย์สูง พวกเขาหมายถึงสองสิ่งที่วัดได้: โลหะมีความเฉื่อยอย่างมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยา และเนื้อเยื่อกระดูกจะเติบโตโดยตรงบนพื้นผิวและล็อคเข้าไปด้วยกลไกและทางชีวภาพ ไทเทเนียมจึงถูกเลือกสำหรับการปลูกถ่ายและส่วนประกอบของอุปกรณ์ ไม่ใช่เพราะว่ามันแปลกใหม่ แต่เพราะมันตอบสนองความต้านทานการกัดกร่อน ความเฉื่อยทางชีวภาพ ความสามารถในการรวมตัวของกระดูก และความแข็งแรงของความเมื่อยล้าในเวลาเดียวกัน ซึ่งเป็นส่วนผสมที่โลหะอื่นๆ ดิ้นรนเพื่อให้เข้ากัน

ฟิล์ม Passive Oxide: แหล่งที่มาของความต้านทานการกัดกร่อน

พฤติกรรมของไทเทเนียมในร่างกายถูกควบคุมโดยชั้นออกไซด์บาง ๆ ที่เหนียวแน่นซึ่งก่อตัวขึ้นเองเมื่อใดก็ตามที่โลหะสัมผัสกับออกซิเจน แม้จะอยู่ในอุณหภูมิห้องในอากาศก็ตาม ฟิล์มพาสซีฟนี้มีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตร แต่เกาะติดแน่น ไม่ละลายในของเหลวในร่างกาย และไม่สามารถซึมผ่านทางเคมีได้ ดังนั้นจึงแยกโลหะที่อยู่ด้านล่างออกจากเนื้อเยื่อโดยรอบ และป้องกันการปล่อยไอออน หากฟิล์มมีรอยขีดข่วนระหว่างการจัดการหรือระหว่างการผ่าตัด ฟิล์มจะคืนตัวเกือบจะในทันทีเมื่อมีออกซิเจน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงสามารถทำความสะอาดส่วนประกอบไทเทเนียมและ-เปลี่ยนสภาพใหม่ได้โดยไม่สูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน

ผลที่ตามมาของภาพยนตร์เรื่องนั้นใช้ได้จริง การปลูกถ่ายจะไม่ถูกโจมตีโดยสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยคลอไรด์-ของของเหลวในร่างกาย การกัดกร่อนของกัลวานิกระหว่างไทเทเนียมและส่วนประกอบโลหะที่อยู่ติดกันนั้นมีจำกัด และการปล่อยไอออนของโลหะเข้าไปในเนื้อเยื่อโดยรอบจะอยู่ในระดับที่ต่ำมากตลอดอายุการออกแบบของอุปกรณ์

ลักษณะพื้นผิวที่ควบคุมการตอบสนองของเซลล์

เมื่ออุปกรณ์อยู่ภายในร่างกาย พื้นผิวเป็นเพียงส่วนเดียวที่เนื้อเยื่อสามารถโต้ตอบได้ ดังนั้นความเข้ากันได้ทางชีวภาพจึงเป็นปัญหาทางวิศวกรรมพื้นผิวพอๆ กับปัญหาด้านวัสดุ คุณสมบัติที่กำหนดว่าเซลล์ตอบสนองอย่างไร ได้แก่ พลังงานพื้นผิว ความสามารถในการเปียกน้ำ ความต้านทานของตำแหน่งเชิงพื้นที่ ความพร้อมใช้งานของตำแหน่งที่มีผลผูกพัน และภูมิประเทศของพื้นผิว

ความสามารถในการเปียกน้ำและพลังงานพื้นผิวพื้นผิวที่สะอาดและมีพลังงานสูง-ส่งเสริมการดูดซับโปรตีนในรูปแบบที่เหมาะสม และสนับสนุนการยึดเกาะและการแพร่กระจายของเซลล์ พื้นผิวที่ปนเปื้อนหรือพลังงานต่ำ-จะสร้างแคปซูลเส้นใยแทนการสะสมโดยตรง

ภูมิประเทศ.พื้นผิวหยาบระดับไมโคร-ที่เกิดจากการระเบิด การกัดด้วยกรด หรืออโนไดซ์ช่วยยึดเหนี่ยวของเซลล์สร้างกระดูก และใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับอุปกรณ์ทางทันตกรรมและศัลยกรรมกระดูก ในขณะที่พื้นผิวขัดเงามักนิยมใช้ในบริเวณที่อุปกรณ์ต้องประกบกัน

เคมี.การเคลือบไททาเนียมไนไตรด์ถูกนำไปใช้กับการปลูกถ่ายบางชนิดและส่วนประกอบของเครื่องมือผ่าตัดเพื่อเพิ่มความแข็งของพื้นผิวและความต้านทานการสึกหรอ ในขณะเดียวกันก็รักษาความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ซ่อนอยู่

การทำหมันการทำหมันจะต้องรักษาสภาพพื้นผิวไว้ สารตกค้างจากการตัดเฉือน สารขัดเงา หรือการจัดการสามารถเอาชนะได้แม้กระทั่งการปรับสภาพพื้นผิวที่ระบุอย่างถูกต้อง

Osseointegration และการรักษากระดูก

Osseointegration คือการเชื่อมต่อทางโครงสร้างและการทำงานโดยตรงระหว่างกระดูกที่มีชีวิตกับพื้นผิวที่รับน้ำหนักของรากฟันเทียม โดยไม่มีชั้นเนื้อเยื่ออ่อนมาขวาง Titanium รองรับด้วยเหตุผลหลายประการ พื้นผิวออกไซด์มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงและไม่ทำให้โปรตีนที่สัมผัสกับมันเสียสภาพ ดังนั้นร่างกายจึงไม่ถือว่าสิ่งแปลกปลอมเป็นสิ่งแปลกปลอมที่ต้องปิดผนัง ไทเทเนียมยังมีความสามารถในการสร้างพันธะทางกายภาพกับกระดูก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงไม่ต้องใช้กาวหรือซีเมนต์ในการยึดติด และเหตุใดการฝังไทเทเนียมจึงต้องใช้แรงในการหลุดออกมากกว่าอุปกรณ์ประสานที่ทำจากวัสดุอื่น โครงสร้างจุลภาคและพลังงานพื้นผิวที่สูงของไทเทเนียมยังได้รับการรายงานเพื่อสนับสนุนการสร้างเส้นเลือดใหม่ การก่อตัวของหลอดเลือดใหม่รอบๆ รากฟันเทียม ซึ่งเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงกระดูกและการตรึงในระยะยาว-

พฤติกรรมไฟฟ้าเคมีและเครื่องกลในการให้บริการ

ไทเทเนียมสามารถแสดงค่าศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดมาตรฐานได้หลายค่า ขึ้นอยู่กับสถานะออกซิเดชัน และไทเทเนียมที่เป็นของแข็งมีแนวโน้มที่จะถูกออกซิไดซ์มากกว่าจะลดลง ซึ่งเป็นการแสดงออกทางเคมีไฟฟ้าของพฤติกรรมของฟิล์มเฉื่อยแบบเดียวกันที่อธิบายไว้ข้างต้น ภายใต้สภาวะที่ฟิล์มเฉื่อยไม่สามารถเปลี่ยนรูป - ได้ เช่น ในรอยแยกที่ไม่มีออกซิเจนและมีฟลูออไรด์ - อาจเกิดการกัดกร่อนได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการออกแบบอุปกรณ์จึงหลีกเลี่ยงรอยแยกลึกที่ส่วนต่อประสานของเนื้อเยื่อ

เกรดและมาตรฐานที่ใช้สำหรับอุปกรณ์การแพทย์

สองตระกูลครองอำนาจ ไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ที่ครอบคลุมโดย ASTM F67 และตามส่วนที่เกี่ยวข้องของ ISO 5832-2 ให้ความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีที่สุด และใช้สำหรับการปลูกถ่ายฟันเทียม แผ่นกะโหลกศีรษะ และการเคลือบที่มีรูพรุน โลหะผสมอัลฟ่า-เบต้า Ti-6Al-4V ในรูปแบบโฆษณาคั่นระหว่างหน้าต่ำเป็นพิเศษ อยู่ภายใต้ ASTM F136 และ ISO 5832-3 และใช้เมื่อต้องการความแข็งแรงสูงกว่า เช่น ก้านสะโพกและสกรูยึดกระดูก ข้อมูลจำเพาะทางการแพทย์ของจีนสอดคล้องกับระบบเกรด GB/T 13810 และมาตรฐานผลิตภัณฑ์ที่เทียบเท่าสำหรับสต็อกอุตสาหกรรมและการแพทย์ ได้แก่ ASTM B265 สำหรับแผ่นและแผ่นชีท และ ASTM B348 สำหรับแท่งและบิลเล็ต การเลือกเกรดจะต้องตรงกับทั้งความแข็งแรงเชิงกลที่ต้องการและเส้นทางการรักษาพื้นผิว เนื่องจากพื้นผิวอะโนไดซ์และพื้นผิวที่ผ่านการขัดผิวจะมีพฤติกรรมแตกต่างกันในเกรดบริสุทธิ์และเกรดอัลลอยด์

สำหรับชุดเครื่องมือที่ไม่ได้ฝังไว้แต่ผ่านการฆ่าเชื้อซ้ำแล้วซ้ำอีก ความต้านทานการกัดกร่อนและการปล่อยไอออนต่ำเท่าเดิมทำให้ไททาเนียมเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม แม้ว่าเกรดสเตนเลส-ต้นทุนที่ต่ำกว่ามักถูกใช้ในกรณีที่มีความต้องการการกัดกร่อนน้อยกว่าก็ตาม

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: เหตุใดไทเทเนียมจึงถือเป็นโลหะที่เข้ากันได้ทางชีวภาพมากที่สุด
เนื่องจากประกอบด้วยฟิล์มพาสซีฟออกไซด์ที่เสถียร ความต้านทานต่อการโจมตีของของเหลวในร่างกาย ความเฉื่อยทางชีวภาพ ความสามารถในการรวมเข้ากับกระดูกโดยตรง และขีดจำกัดความเมื่อยล้าสูง ซึ่งทำให้อุปกรณ์ยังคงทำงานได้หลายปีโดยไม่กระตุ้นปฏิกิริยาภูมิคุ้มกัน

ถาม: osseointegration คืออะไรกันแน่?
เป็นการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างกระดูกที่มีชีวิตกับพื้นผิวที่รับภาระของรากฟันเทียมโดยไม่มีชั้นเนื้อเยื่ออ่อนอยู่ระหว่างกัน ไทเทเนียมรองรับเนื่องจากพื้นผิวออกไซด์ของมันไม่ทำลายธรรมชาติของโปรตีน และไม่กระตุ้นการตอบสนองของการห่อหุ้มที่วัสดุอื่นกระตุ้น

ถาม: เหตุใดฟิล์มออกไซด์จึงมีความสำคัญมาก?
นี่คือสาเหตุที่โลหะเฉื่อย ฟิล์มมีความหนาเพียงนาโนเมตร แต่ไม่ละลายน้ำ ซึมผ่านไม่ได้ และซ่อมแซมตัวเองได้- ดังนั้น ฟิล์มจึงแยกโลหะออกจากของเหลวในร่างกายและคงการปล่อยไอออนต่ำมาก

ถาม: เกรดไทเทเนียมที่ใช้สำหรับรากฟันเทียม?
เกรดบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ตามมาตรฐาน ASTM F67 สำหรับรากฟันเทียมและอุปกรณ์กะโหลกศีรษะและ Ti-6Al-4V คั่นระหว่างหน้าต่ำเป็นพิเศษถึง ASTM F136 ซึ่งต้องการความแข็งแรงสูงกว่า พร้อมเกรด ISO 5832 และ GB/T 13810 ที่สอดคล้องกัน

ถาม: เหตุใดการรักษาพื้นผิวจึงจำเป็นหากวัสดุสามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพอยู่แล้ว
เพราะเนื้อเยื่อสัมผัสกับพื้นผิวเท่านั้น ความหยาบ ความสามารถในการเปียกน้ำ ความสะอาด และการเคลือบเป็นตัวกำหนดว่าเซลล์จะเกาะติดและเพิ่มจำนวนหรือไม่ ดังนั้นพื้นผิวจึงต้องได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมให้ตรงกับการตอบสนองทางชีวภาพที่ต้องการ

ถาม: ไทเทเนียมสามารถกัดกร่อนภายในร่างกายได้แม้จะมีฟิล์มออกไซด์หรือไม่?
ภายใต้สภาวะปกติจะไม่เป็นเช่นนั้น แต่รอยแยกที่ไม่มีออกซิเจนจ่ายรวมกับการสัมผัสฟลูออไรด์สามารถป้องกันไม่ให้ฟิล์มเปลี่ยนรูปได้ การออกแบบอุปกรณ์จึงหลีกเลี่ยงรอยแยกลึกและพื้นที่นิ่งที่ส่วนต่อประสานของเนื้อเยื่อ