Из книги Andre Schroeder et al., Oral Implantology, 2nd revised edition, Thieme, 1996, p. 55, ISBN 3-13-744302-4 (Thieme), ISBN- 0-86577-545-1 (TMP)

Свойства титана

 

Модель соединения

Весьма удивительный факт, что связь формируется между костью и титаном считает решенным вопрос о существовании стимула для прикрепления кости или существования биологической активности. Согласно Hench биоактивный материал стимулирует специфическую биологическую реакцию на своей поверхности, в результате чего формируется связь между имплантатом и костью или мягкой тканью. Титан не подходит под эту классификацию из-за того, что, как обсуждалось ранее в данной главе, этот металл со своим защитным оксидом инертен в тканях и не изменяется и не подвергается воздействию. Связующее звено прикрепления кости лежит где-то в другом месте, вероятно, в специфических химических процессах на поверхности материала.

Слой органического вещества толщиной 5 нм находят на пластинах используемых для фиксации переломов, когда их в плановом порядке удаляют через 2 года. Этот слой может быть разрушен только сильнейшим окислительным реактивом (хлорноватой кислотой) или сложным сильнейшим реактивом (ЭТДА). Это интенсивное взаимодействие между металлом и живой тканью ясно указывает на присутствие истинной физико-химической связи.

Albrektsson использовал электронную микроскопию высокого разрешения для изучения поверхности раздела имплантат/кость. Он обнаружил слой основного вещества кости прилежащий к имплантату толщиной около 20 нм и, за тем на расстоянии около 100 нм, массивно минерализованные коллагеновые волокна. Между этими слоями фибриллы и минеральные отложения не были организованы. Главными компонентами основного вещества кости были протеогликаны гигантские молекулы приблизительно такого размера как контактный регион. Биохимики определили эти вещества, как «клей» между клетками и другими поверхностями, включая инородные тела. Эти открытия привели к модели соединения на атомном и молекулярном уровне (рис. 3.16).

Рис. 3.16 Модель субмикроскопических структур и веществ вовлечённых в остеоинтеграцию. Структурные органические элементы кости, пучки коллагеновых волокон, приклеены к поверхности оксида химически активного титана. Молекулы «клеевого материала» приблизительно равны по размеру толщине «слоя клея».

«Приклеивание» тканей или биомолекул к титану, или более правильно, к его поверхности является необычным. В других случаях это отмечается только по отношению к так называемым биоактивным веществам (биостёкла, гидроксиапатит), но не в сочетании с пластмассами, оксидом алюминия или другими металлами, используемыми в костной хирургии.

Поверхность оксида металла обычно является гидроксилированной, т.е. свободные металлические лиганды на поверхности кристалла делят молекулы воды и насыщают или экранируют свой сильный положительный заряд, используя отрицательно заряженные гидроксил ионы (Boehm). В случае оксида титана (рис. 3.17), для каждой расщеплённой молекулы воды, продуцируются две гидроксильные группы, которые различно располагаются на поверхности и продуцируют кислоту или щёлочь в своём окружении. Эти биполярные или амфотерические формы могут функционировать как щипцы или клещи, отсюда термин «захват клешнёй».

Рис. 3.17 Поверхностная реакция оксида титана. Диаграмма показывает кристаллическую (послойную) структуру маленьких ионов титана (Ti) и больших ионов кислорода (О). На границе раздела, гидроксил ионы, сформированные из расщепленных молекул воды; генерированные положительные и отрицательные заряды, которые местно обусловливают свойства кислоты или щелочи – благоприятное состояние для сильной постоянной связи

Важной характеристикой амфотерических материалов является их нулевой заряд. Это измеряется как значение pH, при котором положительный и отрицательный заряды на поверхности являются точно уравновешенными. Значение для оксида титана является pH 6.2. Аминокислоты, первичные строительные блоки всех биологических молекул, являются также биполярными. Они являются амфолитами, которые могут реагировать как кислота (благодаря карбоксильным группам) или как щёлочь (благодаря аминогруппам). Эти гибридные ионы являются естественно идеальными партнёрами для хемосорбции, формирующими сильную двойную связь с амфотерическим гидроксилированным титановым оксидом. Эта реакция подтверждена фотоэлектронной спектроскопией.

Также интересно отметить, что гидроксиапатит имеет нулевой заряд pH 7.0 подобно тому, который имеет гидроксилированный титановый оксид. Эта зависимость между электрическими особенностями и абсорбцией является очень важной относительно наблюдаемого прикрепления кости и мягкой ткани к титану. По-видимому, упрощенно говоря, «живая ткань принимает по ошибке реактивный титан за костный минерал».