Титан не является типичным и основным химическим элементом тканей и биомолекул организма, как, например, железо или кобальт. Титан может накапливаться в лёгких. Вместе с тем этот металл считается абсолютно биоинертным. Увеличение его концентрации даже в несколько тысяч раз не оказывает токсического, аллергенного и канцерогенного воздействия, не вызывает воспалительной реакции в окружающих тканях и не ингибирует процесс образования костного гидроксиапатита. Кроме того, ионы титана обладают умеренно выраженным бактериостатическим эффектом.

Приведенные выше данные о воздействии некоторых ионов металлов, входящих в состав имплантационных материалов, основаны на экспериментальных исследованиях и не всегда находят подтверждение в клинической практике. Это связано в первую очередь с низкой степенью диссоциации и высокой коррозийной устойчивостью материалов, например, алюмооксидной керамики. Применение изготовленных из неё имплантатов не приводит к повышению концентрации алюминия в тканях и органах, либо степень диффузии его ионов в окружающие ткани настолько ничтожна, что не оказывает токсического воздействия на окружающие ткани [Smith D.C. et al., 1997].

Сплавы на основе титана также обладают очень высокой коррозийной устойчивостью, и каких-либо статистически достоверных данных, основанных на экспериментальных и клинических исследованиях, о негативном воздействии этого сплава на окружающие ткани и организм в целом в настоящее время пока не представлено. Вместе с тем, ряд авторов считает, что сплавы по своим биологическим свойствам значительно уступают технически чистому титану.

На сегодняшний день доказано негативное воздействие на окружающие ткани и организм только сплавов на основе кобальта, хрома и никеля. Экспериментальные и клинические исследования показали, что эти сплавы могут вызывать:

– воспалительную реакцию в окружающих тканях, сопровождающуюся формированием грануляционной ткани и инкапсуляцией этих материалов;

– гибель клеток соединительной ткани за счёт цитотоксического эффекта;

– иммунные реакции, сенсибилизацию организма и аллергию;

– образование злокачественных опухолей в окружающих тканях.

Возможное негативное воздействие сплавов с высоким содержанием кобальта, хрома и никеля существенно ограничивает их использование для изготовления внутрикостных имплантатов.

Биохимические и термодинамические свойства имплантационных материалов

С биохимической и термодинамической точек зрения поверхность материала имплантата должна обеспечивать самопроизвольную адсорбцию биомолекул и клеток, а также физическую или химическую связь с матриксом кости.

Гетерогенный катализ

Адсорбция биомолекул на поверхности биосовместимых материалов происходит на поверхности фазового раздела; при этом молекулы вещества, находящегося в жидкой фазе, реагируют с поверхностью твёрдого тела. Такой физико-химический процесс называется гетерогенным катализом и включает пять обратимых стадий [Фримантл М., 1991]:

1. Диффузия. Реагирующие молекулы диффундируют к поверхности твёрдого вещества.

2. Адсорбция. Реагирующие молекулы сначала подвергаются физической адсорбции на активных центрах поверхности твёрдого вещества, затем происходит их хемосорбция.

3. Химическая реакция. Реагирующие молекулы жидкости, а точнее их ионы, вступают в реакцию с ионами поверхностного слоя твёрдого вещества с образованием продуктов.

4. Десорбция. Обратная адсорбции стадия. Хемосорбированные молекулы жидкости становятся физически адсорбированными на поверхности твёрдого вещества и в конце концов высвобождаются с его поверхности.

5. Диффузия. Молекулы продуктов диффундируют от поверхности твёрдого вещества.

Физическая адсорбция происходит, когда молекулы связываются с активными центрами на поверхности твёрдого вещества силами Ван-дер-Ваальса (слабые силы межмолекулярного притяжения).

Адсорбция белков и физико-химическая связь биологических тканей с небиологическим материалом может происходить в том случае, если поверхность материала является «интересной» для биомолекул, которые стремятся к ней, а также, если эта поверхность имеет активные центры, способные образовать физико-химическую связь.

С физико-химической точки зрения биосовместимый материал может обеспечивать адсорбцию биомолекул, если он обладает достаточной для этого процесса энергией и способностью к рекомбинации с дисоциированными молекулами аминокислот и белков [Helsen J.A., Breme HJ. (ed), 1998].

Термодинамические свойства биосовместимых материалов

Для того, чтобы судить о возможности самопроизвольного протекания реакции адсорбции, следует учитывать три основных фактора: энергию, энтальпию и энтропию.