WikiDer > Биосовместимость нитинола

Nitinol biocompatibility

Биосовместимость нитинола является важным фактором в биомедицинских приложениях. Нитинол (NiTi), который образуется легированием никель и титан (~ 50% Ni), является сплав с памятью формы с сверхэластичный свойства больше похожи на кости,[требуется разъяснение] по сравнению с нержавеющая сталь, еще один широко используемый биоматериал. Биомедицинские применения, в которых используется нитинол, включают: стентыинструменты для клапанов сердца, костные анкеры, скобы, дефект перегородки устройства и имплантаты. Это широко используемый биоматериал, особенно при разработке стент-технологий.

Металлические имплантаты, содержащие комбинацию биосовместимый металлы или используемые вместе с другими биоматериалами часто считаются стандартом для многих типов имплантатов. Пассивация - это процесс, который удаляет коррозионные элементы имплантата с поверхности раздела имплантат-тело и создает оксидный слой на поверхности имплантата. Этот процесс важен для повышения биосовместимости биоматериалов.

Обзор распространенных методов пассивации

Когда материалы вводятся в тело, важно не только, чтобы материал не повредил тело, но и чтобы окружающая среда тела не повредила имплант.[1] Один метод, предотвращающий негативные эффекты, возникающие в результате этого взаимодействия, называется пассивация.

В общем, пассивация считается процессом, который создает нереакционный слой на поверхности материалов, так что материал может быть защищен от повреждений, вызванных окружающей средой. Пассивацию можно осуществить с помощью многих механизмов. Пассивные слои могут быть созданы путем сборки монослоев с помощью прививки полимера. Часто для защиты от коррозии пассивные слои создаются за счет образования оксидных или нитридных слоев на поверхности.

TiO2 Структура элементарной ячейки

Оксидные пленки

Пассивация часто происходит естественным образом в некоторых металлах, таких как титан, металл, который часто образует окись слой в основном состоит из TiO2. Этот процесс происходит спонтанно, поскольку энтальпия образования TiO2 отрицательный. В сплавах, таких как нитинол, образование оксидного слоя не только защищает от коррозии, но также удаляет атомы Ni с поверхности материала. Удаление определенных элементов с поверхности материалов - еще одна форма пассивации. В нитиноле важно удаление Ni, потому что Ni токсичен при попадании в организм.[2] Нержавеющая сталь обычно пассивируется 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, которая защищает от коррозии.[3]]]

Электрополировка

Другой способ пассивации - полировка. Механический полировка удаляет многие поверхностные загрязнения и разрывы кристаллической структуры, которые могут способствовать коррозии. Электрополировка еще более эффективен, так как не оставляет царапин, которые оставляет механическая полировка. Электрополировка осуществляется путем создания электрохимические ячейки где интересующий материал используется в качестве анод. Поверхность будет иметь неровные поверхности, где одни точки 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. Точечные примеси кристаллической решетки также будут удалены, так как ток заставит эти высокоэнергетические примеси растворяться с поверхности.[4]

Покрытия

Другой широко используемый метод пассивации заключается в нанесении на материал полимерных слоев. Слои, состоящие из полиуретан были использованы для улучшения биосовместимости, но имели ограниченный успех. Покрытие материалов с биологически похожими молекулами пользуется гораздо большим успехом. Например, фосфорилхолин стенты с модифицированной поверхностью показали пониженную тромбогенную активность. Пассивация - чрезвычайно важная область исследований для биомедицинских приложений, поскольку тело представляет собой суровую среду для материалов, и материалы могут повредить тело в результате выщелачивания и коррозии. Все вышеперечисленные методы пассивации использовались при разработке биоматериалов нитинола для производства наиболее биосовместимых имплантатов.[5]

Влияние пассивации поверхности на биосовместимость

Методы пассивации поверхности могут значительно повысить коррозионную стойкость нитинола. Для того чтобы нитинол имел желаемые свойства сверхупругости и памяти формы, требуется термообработка. После термической обработки поверхностный оксидный слой содержит большую концентрацию никеля в виде NiO.2 и NiO. Это увеличение содержания никеля было приписано диффузии никеля из основного материала в поверхностный слой во время обработки при повышенной температуре. Методы определения характеристик поверхности показали, что некоторые виды пассивации поверхности снижают концентрацию NiO2 и NiO в поверхностном слое, оставляя более высокую концентрацию более стабильного TiO2 чем в сыром, термообработанном нитиноле.[6]

Уменьшение концентрации никеля в поверхностном слое нитинола коррелирует с большей коррозионной стойкостью. А потенциодинамический тест обычно используется для измерения устойчивости материала к коррозии. Этот тест определяет электрический потенциал, при котором материал начинает корродировать. Измерение называется питтингом или потенциал пробоя. После пассивации в растворе азотной кислоты компоненты стента из нитинола показали значительно более высокие потенциалы разрушения, чем те, которые не были пассивированы.[6] Фактически, существует множество способов обработки поверхности, которые могут значительно повысить потенциал разложения нитинола. Эти виды обработки включают механическую полировку, электрополировку и химические обработки, такие как погружение в оксид азота, травление необработанного поверхностного оксидного слоя и травление для разрушения сыпучего материала у поверхности.

Тромбогенность, склонность материала вызывать образование сгустков, является важным фактором, определяющим биосовместимость любого биоматериала, который вступает в контакт с кровотоком. Есть два белка, фибриноген и альбумин, которые сначала адсорбируются на поверхности постороннего предмета при контакте с кровью. Было высказано предположение, что фибриноген может вызывать активацию тромбоцитов из-за разрушения структуры белка, поскольку он взаимодействует с высокой энергией. границы зерен на определенных поверхностях. С другой стороны, альбумин подавляет активацию тромбоцитов. Это означает, что есть 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 фибриноген.


Подобно тому, как тромбогенность важна для определения пригодности других биоматериалов, она не менее важна для нитинола в качестве материала стента. В настоящее время при имплантации стентов пациент получает антиагрегант терапия в течение года и более с целью предотвращения образования сгустка возле стента. К тому времени, когда лекарственная терапия закончится, в идеале, слой эндотелиальные клетки, которые выстилают внутреннюю часть кровеносных сосудов, покрывают стент снаружи. Стент эффективно интегрируется в окружающую ткань и больше не контактирует напрямую с кровью. Было предпринято множество попыток с использованием поверхностной обработки для создания стентов, которые были бы более биосовместимыми и менее тромбогенными, в попытке снизить потребность в обширной антитромбоцитарной терапии. Поверхностные слои с более высокой концентрацией никеля вызывают меньшее свертывание из-за сродства альбумина к никелю. Это противоположно характеристикам поверхностного слоя, которые увеличивают коррозионную стойкость. В тестах in vitro используются индикаторы тромбоза, такие как тромбоциты, Тирозин аминотрансфераза, и уровни β-ТГ. Поверхностные обработки, которые в некоторой степени снижают тромбогенность in vitro:

  • Электрополировка
  • Пескоструйная обработка
  • Покрытия полиуретановые
  • 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 снижения коррозионной стойкости.

Сварка

Новые достижения в области микролазерной сварки значительно улучшили качество медицинских устройств, изготовленных из нитинола.

Замечания

Нитинол - важный сплав для использования в медицинских устройствах из-за его исключительной биосовместимости, особенно в областях коррозионной стойкости и тромбогенности. Коррозионная стойкость повышается за счет методов, которые создают однородный слой диоксида титана на поверхности с очень небольшим количеством дефектов и примесей. Тромбогенность снижается на нитинольных поверхностях, содержащих никель, поэтому процессы, которые удерживают оксиды никеля в поверхностном слое, являются полезными. Также было показано, что использование покрытий значительно улучшает биосовместимость.

Поскольку имплантированные устройства контактируют с поверхностью материала, наука о поверхности играет неотъемлемую роль в исследованиях, направленных на повышение биосовместимости, а также в разработке новых биоматериалов. Разработка и усовершенствование нитинола в качестве материала имплантата, от определения характеристик и улучшения оксидного слоя до проявления покрытий, в значительной степени основывались на науке о поверхности.

В настоящее время ведутся исследования по созданию более качественных и биосовместимых покрытий. Это исследование включает создание покрытия, которое очень похоже на биологический материал, чтобы еще больше уменьшить реакцию на инородное тело. Биокомпозит Покрытия, содержащие клетки или белковые покрытия, исследуются для использования с нитинолом, а также со многими другими биоматериалами.[8]

Текущее исследование / дальнейшее чтение

Рекомендации

  1. ^ Биосовместимость имплантатов http://www.corrosion-doctors.org/Implants/biocompatib.htm
  2. ^ Шабаловская С.А. Аспекты поверхности, коррозии и биосовместимости нитинола как материала имплантата. Bio-Med Mater Engin. 2002; 12: 69-109.
  3. ^ «Пассивация нержавеющей стали», http://www.iftworldwide.com/white_paper/passivation.pdf
  4. ^ «Основы электрополировки», http://www.harrisonep.com/services/electropolishing/default.html
  5. ^ Тьерри Б., Винник Ф.М., Мери Й., Сильвер Дж., Тебризиан М. Биоактивные покрытия эндоваскулярных стентов на основе многослойных полиэлектролитов. Биомакромолекулы. 2003; 4: 1564-1571.
  6. ^ а б О’Брайен Б., Кэрролл В.М., Келли М.Дж. Пассивация нитиноловой проволоки для сосудистых имплантатов - демонстрация преимуществ. Биоматериалы. 2002; 23: 1739-1748.
  7. ^ Тепе Г, Шмель Дж, Вендел Х.П., Шаффнер С, Хеллер С, Джанотти М, Клауссен С.Д., Дуда Ш. Снижение тромбогенности нитиноловых стентов - оценка различных модификаций поверхности и покрытий in vitro. Биоматериалы. 2006; 27: 643-650.
  8. ^ Брассак, И. Ботчер, Х. Хемпель, У. "Биосовместимость модифицированных слоев композита кремнезем-белок". Журнал золь-гель науки и технологий. Декабрь 2000 г. Т. 19, Вып.1-3.