تم اعتبار سبائك التيتانيوم منذ فترة طويلة بعض من أكثر المواد الواعدة للزرع الطبي والأطراف الاصطناعية بسبب مزيجها الفريد من الخصائص، مثل القوة العالية، والوزن الخفيف,ومع ذلك ، فإن أحد أهم الجوانب التي تحدد مدى ملاءمتها للتطبيقات الطبية هو:التوافق البيولوجي-قدرة المادة على العمل في البيئة البيولوجية دون التسبب في رد فعل سلبي.مع التركيز على أدائها في جسم الإنسان والتحديات المرتبطة بتحسين هذه المواد للاستخدام الطبي.

1.لمحة عامة عن سبائك التيتانيوم في التطبيقات الطبية

يستخدم التيتانيوم وسبائكاته عادة في مجموعة من التطبيقات الطبية ، بما في ذلك:

زرع العظام(على سبيل المثال ، استبدال الورك والركبة ، مسامير العظام)

زرع الأسنان

أجهزة القلب والأوعية الدموية(على سبيل المثال صمامات القلب، الصمامات)

زراعة الجنف والوجوه

السبب في استخدام التيتانيوم على نطاق واسع في المجال الطبيالخمول البيولوجي-لا يتفاعل سلبا مع أنسجة الجسم والسوائل، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من الرفض أو الالتهاب عند الزرع.نسبة قوة عالية إلى الوزنويمكن تشكيلها بسهولة إلى هندسيات معقدة، وهو أمر ضروري للزرع الطبي.

2.عوامل التوافق الحيوي الرئيسية لسبائك التيتانيوم

العديد من العوامل تؤثر على التوافق البيولوجي لسبائك التيتانيوم:

(أ)مقاومة التآكل

واحدة من الميزات الأكثر جاذبية للتيتانيوم هي مقاومة التآكل الاستثنائية ، والتي هي ضرورية في البيئة القاسية المليئة بالسوائل في جسم الإنسان.طبقة أكسيد مساوية (TiO2)على سطحها عند تعرضها للأكسجين ، والذي يحمي المعدن من التآكل بواسطة سوائل الجسم. هذه الطبقة مستقرة في معظم البيئات الفسيولوجية ، ولكن يمكن أن تتأثر التوافق الحيوي بما يلي:

تدهور طبقة الأكسيد:في بعض الحالات، قد تتدهور طبقة الأكسيد مع مرور الوقت، وخاصة في البيئات العدوانية مثل الحمضية أو الحالات الالتهابية.

تعديل السطحالمعالجات السطحية (على سبيل المثال، anodization، الطلاء مع هيدروكسياباتيت) يمكن أن تحسن مقاومة التآكل وتعزيزالتكامل العظمي، العملية التي تنمو العظام فيها إلى سطح الزرع.

ب.السمية الحمضية

تشير السمية المضادة للخلايا إلى إمكانية وجود مادة لتسبب آثار ضارة على الخلايا. في حين يعتبر التيتانيوم بشكل عام غير سام ، فإن عناصر السبائك ، مثلالفاناديوم والألومنيوم والموليبدينوم، قد يثير بعض المخاوف فيما يتعلق بالسموم المكتسبة للخلايا الحيوية، وخاصة إذا تم إطلاق هذه العناصر في الجسم بسبب التآكل أو التآكل.البحوث مستمرة لفهم تأثيرات هذه العناصر على الخلايا البشريةخاصة فيما يتعلق بالردود المناعية.

(ج)استجابة المناعة

تعزى ملاءمة التيتانيوم البيولوجية إلى حد كبير إلى تفاعلها الضئيل مع الجهاز المناعي.ردود فعل الجسم الغريب(على سبيل المثال، الالتهاب، التليف) استجابة لزرع التيتانيوم، وخاصة في الأفراد الذين يعانون من الحساسية أو حساسية لبعض سبائك المعادن.أظهرت الدراسات أن التيتانيوم نفسه نادراً ما يؤدي إلى استجابة مناعية، ولكن وجود عناصر سبيكة أخرى أو ملوثات السطح قد يؤثر على اندماج الأنسجة.

د.التكامل العظمي

واحدة من الخصائص الرئيسية التي تجعل سبائك التيتانيوم مثالية لزرع العظام والأسنان هي قدرتها على تحقيقالتكامل العظميالعملية التي تلتصق بها خلايا العظام وتتنمو على سطح الزرعأظهرت الأبحاث أن معالجات السطح، مثل التشنج المجهري، والرذاذ، ورش البلازما، تعزز الاستجابة البيولوجية من خلال تعزيز تماسك خلايا العظام (الخلايا التي تشكل العظام).

(إي)التآكل وتوليد الجسيمات

الارتداء والجيل التالي منجزيئات الحطامهو عامل مهم آخر يؤثر على التوافق البيولوجي. مع مرور الوقت، قد تؤدي الضغوط الميكانيكية على زراعة التيتانيوم إلى إطلاق جزيئات دقيقة في الأنسجة المحيطة بها.هذه الجسيمات يمكن أن تؤدي إلى استجابة التهابية وتساهم في تخفيف الزرع أو فشلهيهدف البحث في الطلاء المقاوم للاستعمال وتطوير سبائك التيتانيوم الجديدة إلى تقليل معدل الارتداء وإطلاق الجسيمات ، مما يحسن النتائج طويلة الأجل للمرضى.

3.البحوث والابتكارات الأخيرة في مجال التوافق الحيوي

(أ)تعديلات السطح المتوافقة بيولوجيا

ركزت التطورات الأخيرة في تقنيات تعديل السطح على تحسين التفاعل بين سبائك التيتانيوم والأنسجة البيولوجية. تشمل هذه التعديلات:

غطاء هيدروكسياباتيت (HA):يمكن تطبيق هـ، وهو معدن موجود في العظام، على سبائك التيتانيوم لتعزيز ربط العظام بشكل أفضل. وهذا مفيد بشكل خاص في تطبيقات مثل زراعة الأسنان واستبدال المفاصل.

أنابيب نانوية من أكسيد التيتانيوم (TiO2)إن إنشاء الخصائص على نطاق نانوي على سطح زرع التيتانيوم يعزز التماسك الخلوي والتكاثر والتمييز ، وخاصة بالنسبة للخلايا العظمية.هذا يؤدي إلى اندماج عظمي أسرع وأقوى.

رش البلازما:يمكن تطبيق طبقات البلازما على التيتانيوم لتحسين مقاومة الارتداء، وتعزيز خشونة السطح، وتشجيع نمو العظام.

ب.سبائك التيتانيوم ذات السمية المنخفضة

لمعالجة المخاوف حول السمية الحمضية للعناصر السبائك مثلالألومنيوموالفاناديوم، ركزت الأبحاث على تطويرسبائك التيتانيوم مع عناصر متوافقة بيولوجيا أكثر، مثلالنيوبيوم، التنتالوم،والزركونيومهذه العناصر ليست فقط أقل سمية ولكنها تعزز أيضًا التكامل العظمي بشكل أفضل ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للزرع الطبي طويل الأمد.

(ج)سبائك التيتانيوم القابلة للتحلل الحيوي

مجال بحث جديد آخر ينطوي على تطويرسبائك التيتانيوم القابلة للتحلل البيولوجيوالتي يمكن أن تتحلل تدريجياً داخل الجسم مع مرور الوقت، مما يلغي الحاجة إلى جراحة إزالة الزرع.تم تصميم هذه السبائك لتقدم قوة ميكانيكية مماثلة لسبائك التيتانيوم التقليدية ولكن تتحلل بطريقة خاضعة للرقابة، لا تترك أي مخلفات ضارة وراءها.