Wetenschappers van de Tokyo Medical and Dental University (TMDU) gebruikten foto-elektrochemische metingen en röntgenfoto-elektronspectroscopie om de bron van de biocompatibiliteit van titanium op te helderen wanneer het in het lichaam wordt geïmplanteerd, zoals bij heupprothesen en tandheelkundige implantaten. Ze ontdekken dat de reactiviteit met de juiste ionen in de extracellulaire vloeistof het lichaam in staat stelt het te herkennen. Dit werk kan leiden tot nieuwe generatie medische implantaten die langer meegaan.

Vanwege de uitstekende sterkte en weerstand tegen corrosie wordt titanium veel gebruikt in medische en tandheelkundige implantaten. In de loop van de tijd hebben artsen ook gemerkt dat patiënten met titaniumimplantaten minder immuunrespons genereren dan normaal wanneer een vreemd materiaal in het lichaam wordt geplaatst. Dit is verklaard op basis van de biocompatibiliteit van titanium. Deze biocompatibiliteit kan een probleem veroorzaken, zoals wanneer schroeven gemaakt van titaniumlegeringen te veel in botweefsel assimileren na langdurige implantatie, waardoor ze later moeilijk te verwijderen zijn. Ondanks talrijke onderzoeken naar biologische reacties met geïmplanteerde materialen, blijft de reden voor de biocompatibiliteit van titanium slecht begrepen. Er is behoefte aan een meer volledige uitleg van de oppervlakte-eigenschappen die titanium deze eigenschappen geven.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van TMDU dunne schijven van titanium getest in een oplossing die ionen bevat die bedoeld zijn om de extracellulaire vloeistof van het lichaam na te bootsen, evenals in zoutoplossing. Ze maten hoeveel foto-elektrische stroom werd gegenereerd wanneer licht van verschillende golflengten op de schijven werd verlicht. Ze voerden ook röntgenfoto-elektronenspectroscopie uit om de passieve films te karakteriseren die van nature aanwezig waren op het oppervlak van het titanium.

"Passieve films bestonden uit een zeer dunne TiO₂ laag met kleine hoeveelheden Ti₂ O₃ en TiO, hydroxylgroepen en water. Tijdens de polarisatie in Hanks werden calcium- en fosfaationen opgenomen of gevormd, maar niet in zoutoplossing", zegt eerste auteur Seong-Cheol Kim. Calciumfosfaat vormde zich ook veel gemakkelijker, wat zou kunnen helpen de reactie van een vreemd lichaam te verminderen.

"De reactiviteit van titanium met een hoge corrosieweerstand, zoals blijkt uit dit experiment door zijn elektronische bandstructuur, is een van de belangrijkste redenen voor zijn uitstekende biocompatibiliteit tussen metalen", zegt de corresponderende auteur Takao Hanawa. Dit onderzoek kan leiden tot veiligere en goedkopere implantaten voor heupprothesen of tandheelkundige implantaten, omdat titanium relatief zeldzaam en duur is.

Het werk is gepubliceerd in Science and Technology of Advanced Materials . + Verder verkennen

Simulaties onthullen de rol van calcium bij de acceptatie van titaniumimplantaten