Биосовместимость нитинола

Биосовместимость нитинола является важным фактором в биомедицинских применениях. Нитинол (NiTi), который образуется путем сплавления никеля и титана (~ 50% Ni), представляет собой сплав с памятью формы со сверхэластичными свойствами, более близкими к свойствам кости. ^{[ нужны разъяснения ]} по сравнению с нержавеющей сталью , еще одним широко используемым биоматериалом . Биомедицинские применения, в которых используется нитинол, включают стенты , инструменты для сердечного клапана, костные фиксаторы, скобы, для дефектов перегородки устройства и имплантаты. Это широко используемый биоматериал, особенно при разработке технологии стентирования.

Металлические имплантаты, содержащие комбинацию биосовместимых металлов или используемые в сочетании с другими биоматериалами, часто считаются стандартом для многих типов имплантатов. Пассивация — это процесс, при котором коррозийные элементы имплантата удаляются из границы раздела имплантат-корпус и создается оксидный слой на поверхности имплантата. Этот процесс важен для повышения биосовместимости биоматериалов.

Обзор распространенных методов пассивации

При введении материалов в организм важно не только то, чтобы материал не повредил организм, но и чтобы окружающая среда тела не повредила имплантат. ^[1] Один из методов, который предотвращает негативные последствия, возникающие в результате этого взаимодействия, называется пассивацией . ^{[ нужна ссылка ]}

В общем, пассивация считается процессом, который создает инертный слой на поверхности материалов, таким образом, материал может быть защищен от повреждений, вызванных окружающей средой. Пассивация может быть достигнута с помощью многих механизмов. Пассивные слои можно создавать путем сборки монослоев путем прививки полимера. Часто для защиты от коррозии создают пассивные слои путем образования на поверхности слоев оксидов или нитридов. ^{[ нужна ссылка ]}

Оксидные пленки

Пассивация часто происходит естественным образом в некоторых металлах, таких как титан, металл, который часто образует оксидный слой, состоящий в основном из TiO ₂ . Этот процесс происходит самопроизвольно, так как энтальпия образования TiO ₂ отрицательна. В сплавах, например нитиноле, образование оксидного слоя не только защищает от коррозии, но и удаляет атомы Ni с поверхности материала. Удаление определенных элементов с поверхности материалов — еще одна форма пассивации. В нитиноле удаление Ni важно, поскольку Ni токсичен при попадании в организм. ^[2] Нержавеющую сталь обычно пассивируют путем удаления железа с поверхности с помощью кислот и тепла. Азотная кислота обычно используется в качестве мягкого окислителя для создания тонкой оксидной пленки на поверхности материалов, защищающей от коррозии. ^[3]

Электрополировка

Другой способ пассивации включает полировку. Механическая полировка удаляет многие поверхностные загрязнения и нарушения кристаллической структуры, которые могут способствовать коррозии. Электрополировка еще более эффективна, поскольку не оставляет царапин, которые оставляет механическая полировка. Электрополировка осуществляется путем создания электрохимических ячеек , в которых интересующий материал используется в качестве анода . Поверхность будет иметь неровности, где одни точки будут выше других. В этой ячейке плотность тока будет выше в более высоких точках и приведет к тому, что эти точки растворятся с большей скоростью, чем нижние точки, тем самым сглаживая поверхность. Примеси в точках кристаллической решетки также будут удалены, поскольку ток заставит эти высокоэнергетические примеси раствориться с поверхности. ^[4]

Покрытия

Другой широко используемый метод пассивации осуществляется путем покрытия материала слоями полимера. Слои, состоящие из полиуретана , использовались для улучшения биосовместимости, но добились ограниченного успеха. Покрытие материалов биологически сходными молекулами добилось гораздо большего успеха. Например, стенты с модифицированной поверхностью фосфорилхолина проявляют пониженную тромбогенную активность. Пассивация является чрезвычайно важной областью исследований для биомедицинских применений, поскольку тело представляет собой суровую среду для материалов, а материалы могут повредить тело в результате выщелачивания и коррозии. Все вышеперечисленные методы пассивации были использованы при разработке нитиноловых биоматериалов для изготовления наиболее биосовместимых имплантатов. ^[5]

Влияние пассивации поверхности на биосовместимость

Методы пассивации поверхности могут значительно повысить коррозионную стойкость нитинола. Чтобы нитинол имел желаемые свойства сверхэластичности и памяти формы, необходима термическая обработка. После термообработки поверхностный оксидный слой содержит большую концентрацию никеля в виде NiO ₂ и NiO. Это увеличение содержания никеля объясняется диффузией никеля из основного материала в поверхностный слой во время обработки при повышенных температурах. Методы определения характеристик поверхности показали, что некоторые обработки пассивации поверхности снижают концентрацию NiO ₂ и NiO в поверхностном слое, оставляя более высокую концентрацию более стабильного TiO _2, чем в необработанном термообработанном нитиноле. ^[6]

Уменьшение концентрации никеля в поверхностном слое нитинола коррелирует с большей коррозионной стойкостью. Потенциодинамический тест обычно используется для измерения устойчивости материала к коррозии. Этот тест определяет электрический потенциал, при котором материал начинает корродировать. Это измерение называется питтингом или потенциалом пробоя. После пассивации в растворе азотной кислоты нитиноловые компоненты стента показали значительно более высокий потенциал разрушения, чем непассивированные. ^[6] Фактически, существует множество способов обработки поверхности, которые могут значительно повысить вероятность разрушения нитинола. Эти обработки включают механическую полировку, электрополировку и химическую обработку, такую как погружение в оксид азота, травление необработанного поверхностного оксидного слоя и травление для разрушения сыпучего материала вблизи поверхности. ^{[ нужна ссылка ]}

Тромбогенность , склонность материала вызывать образование тромбов, является важным фактором, определяющим биосовместимость любого биоматериала, вступающего в контакт с кровотоком. Есть два белка, фибриноген и альбумин , которые первыми адсорбируются на поверхности инородного объекта, контактирующего с кровью. Было высказано предположение, что фибриноген может вызывать активацию тромбоцитов из-за разрушения структуры белка, поскольку он взаимодействует с высокоэнергетическими границами зерен на определенных поверхностях. С другой стороны, альбумин ингибирует активацию тромбоцитов. Это означает, что существуют два механизма, которые могут помочь снизить тромбогенность: аморфный поверхностный слой, где не будет взаимодействия границ зерен с фибриногеном, и поверхность с более высоким сродством к альбумину, чем к фибриногену. ^{[ нужна ссылка ]}

Так же, как тромбогенность важна при определении пригодности других биоматериалов, она не менее важна и для нитинола в качестве материала стента. В настоящее время при имплантации стентов пациент получает антиагрегантную терапию в течение года и более с целью предотвращения образования тромба возле стента. К моменту прекращения лекарственной терапии в идеале слой эндотелиальных клеток , выстилающий внутреннюю часть кровеносных сосудов, покрывает стент снаружи. Стент эффективно интегрируется в окружающую ткань и больше не находится в прямом контакте с кровью. Было предпринято множество попыток с использованием поверхностной обработки для создания стентов, которые были бы более биосовместимыми и менее тромбогенными, в попытке уменьшить потребность в обширной антиагрегантной терапии. Поверхностные слои с более высокой концентрацией никеля вызывают меньшее свертывание крови из-за сродства альбумина к никелю. Это противоположно характеристикам поверхностного слоя, которые повышают коррозионную стойкость. В тестах in vitro используются индикаторы тромбоза, такие как тромбоциты, Уровни тирозинаминотрансферазы и β-ТГ. Поверхностные обработки, которые в некоторой степени снижают тромбогенность in vitro, включают:

Электрополировка
Пескоструйная обработка
Полиуретановые покрытия
Алюминиевые покрытия ^[7]

Другая область исследований включает связывание различных фармацевтических агентов, таких как гепарин, с поверхностью стента. Эти стенты с лекарственным покрытием обещают дальнейшее снижение тромбогенности без ущерба для коррозионной стойкости.

Сварка

Новые достижения в области микролазерной сварки значительно улучшили качество медицинских изделий, изготовленных из нитинола. ^{[ нужна ссылка ]}

Примечания

Нитинол является важным сплавом для использования в медицинских устройствах благодаря своей исключительной биосовместимости, особенно в области коррозионной стойкости и тромбогенности. Коррозионная стойкость повышается за счет методов, которые создают на поверхности однородный слой диоксида титана с очень небольшим количеством дефектов и примесей. Тромбогенность снижается на поверхностях нитинола, содержащих никель, поэтому выгодны процессы, сохраняющие оксиды никеля в поверхностном слое. Также было показано, что использование покрытий значительно улучшает биосовместимость.

Поскольку имплантированные устройства контактируют с поверхностью материала, наука о поверхности играет важную роль в исследованиях, направленных на повышение биосовместимости, а также в разработке новых биоматериалов. Разработка и улучшение нитинола в качестве материала для имплантатов, от определения характеристик и улучшения оксидного слоя до разработки покрытий, в основном основывались на науке о поверхности.

В настоящее время ведутся исследования по созданию более качественных, более биосовместимых покрытий. Это исследование предполагает создание покрытия, очень похожего на биологический материал, чтобы еще больше уменьшить реакцию на инородное тело. Биокомпозитные покрытия, содержащие клетки или белковые покрытия, изучаются для использования с нитинолом, а также со многими другими биоматериалами. ^[8]

Текущие исследования/дополнительная литература

перечисляет Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США недавно одобренную технологию стентов на своем Heart Health Online . сайте
Angioplasty.org содержит информацию о текущих исследованиях стентов, а также других вопросах, касающихся системы кровообращения . Включая:
- Стенты с лекарственным покрытием
- Современные разработки в технологии стентирования.
- Достижения в области технологий визуализации кровообращения.
Использование биокомпозитов в медицинских целях:
- Ортопедический
- Стоматологический
ISO и FDA устанавливают стандарты для оценки и определения биосовместимости. Стандарты ISO 10993 - «Биологическая оценка медицинских изделий»

Ссылки

^ Биосовместимость имплантатов http://www.corrosion-doctors.org/Implants/biocompatib.htm
^ Шабаловская С.А. Аспекты поверхности, коррозии и биосовместимости нитинола как материала для имплантатов. Био-Мед Матер Энгин. 2002 г.; 12:69-109.
^ «Пассивация нержавеющей стали», http://www.iftworldwide.com/white_paper/passivation.pdf. Архивировано 17 февраля 2018 г. на Wayback Machine.
^ «Основы процесса электрополировки», http://www.harrisonep.com/services/electropolishing/default.html.
^ Тьерри Б., Винник Ф.М., Мери Ю., Сильвер Дж., Табризиан М. Биоактивные покрытия эндоваскулярных стентов на основе многослойных полиэлектролитов. Биомакромолекулы. 2003 г.; 4: 1564–1571.
^ Перейти обратно: ^а ^б О'Брайен Б., Кэрролл В.М., Келли М.Дж. Пассивация нитиноловой проволоки для сосудистых имплантатов – демонстрация преимуществ. Биоматериалы. 2002 г.; 23: 1739-1748.
^ Тепе Г., Шмель Дж., Вендел Х.П., Шаффнер С., Хеллер С., Джанотти М., Клауссен К.Д., Дуда Ш.Х. Снижение тромбогенности нитиноловых стентов – оценка различных модификаций поверхности и покрытий in vitro. Биоматериалы. 2006 г.; 27: 643-650.
^ Брассак, И. Ботчер, Х. Хемпель, У. «Биосовместимость модифицированных слоев кремнеземно-белкового композита». Журнал золь-гель науки и технологий . Декабрь 2000 г. Том. 19, выпуски 1-3.

[1] Биосовместимость имплантатов http://www.corrosion-doctors.org/Implants/biocompatib.htm

[sha-2] Шабаловская С.А. Аспекты поверхности, коррозии и биосовместимости нитинола как материала для имплантатов. Био-Мед Матер Энгин. 2002 г.; 12:69-109.

[3] «Пассивация нержавеющей стали», http://www.iftworldwide.com/white_paper/passivation.pdf. Архивировано 17 февраля 2018 г. на Wayback Machine.

[4] «Основы процесса электрополировки», http://www.harrisonep.com/services/electropolishing/default.html.

[5] Тьерри Б., Винник Ф.М., Мери Ю., Сильвер Дж., Табризиан М. Биоактивные покрытия эндоваскулярных стентов на основе многослойных полиэлектролитов. Биомакромолекулы. 2003 г.; 4: 1564–1571.

[obr-6] Перейти обратно: ^а ^б О'Брайен Б., Кэрролл В.М., Келли М.Дж. Пассивация нитиноловой проволоки для сосудистых имплантатов – демонстрация преимуществ. Биоматериалы. 2002 г.; 23: 1739-1748.

[tep-7] Тепе Г., Шмель Дж., Вендел Х.П., Шаффнер С., Хеллер С., Джанотти М., Клауссен К.Д., Дуда Ш.Х. Снижение тромбогенности нитиноловых стентов – оценка различных модификаций поверхности и покрытий in vitro. Биоматериалы. 2006 г.; 27: 643-650.

[8] Брассак, И. Ботчер, Х. Хемпель, У. «Биосовместимость модифицированных слоев кремнеземно-белкового композита». Журнал золь-гель науки и технологий . Декабрь 2000 г. Том. 19, выпуски 1-3.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]