CC BY
28
УДК 611.018.4:612.6.03-098
И.В. Усольцев Е.А. Животова 2, А.Ю. Сафронов 2, А.В. Кашевский 2, Б.Г. Пушкарев Д.В. Иншаков 2, С.Н. Леонова С.Б. Никифоров Н.П. Судаков 1
ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИМПЛАНТАТА В БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ КОСТНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ
1 Научный центр реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (Иркутск)
2 Иркутский государственный университет (Иркутск)
В статье представлен результат исследований по изучению электрохимических характеристик биметаллического имплантата в биологических средах.
Ключевые слова: пара металлов, потенциометрия, вольтамперометрия, биологические среды, остеогенез
AN ASSESSMENT OF BIMETALLIC IMPLANTE ELECTROCHEMICAL CHARACTERISTICS IN BIOLOGICAL FLUIDS AS THE METHOD OF BONE REGENERATION RESEARCH
I.V. Usoltsev ■, E.A. Zhivotova 2, A.Y. Safronov 2, A.V. Kashevski 2, B.Q. Pushkarev D.V. Inshakov 2, S.N. Leonova S.B. Nikiforov N.P. Sudakov 1
1Scientific Center of Reconstructive and Restorative Surgery SB RAMS (Irkutsk)
2 Irkutsk State University (Irkutsk)
In the article the results of the experimental researching of bimetallic implante electrochemical characteristics in biological fluids have been given.
Key words: pair of metals, potentiometry, voltammetry, biological fluids, osteogenesis
В середине XX века было открыто явление пьезоэлектрического эффекта костной ткани [11,19], а так же описаны электрофизиологические процессы при заживлении переломов [10], что стало основой для проведения научных исследований, различных по дизайну, сфере применения, значимости полученных результатов, но объединенных одной идеологией — возможностью использования электрофизических процессов для стимуляции процессов
Несмотря на достаточный объем проведенных исследований в этой области, их тщательный анализ показал, что гетерогенность поисковых работ не позволяет достоверно сделать вывод о значимости данных методов в лечении пациентов [13, 15].
В современной травматологии использование новых сплавов и металлоконструкций, которые являются в своей основе гальваническими парами, не могут остаться без детальных исследований электрофизических процессов, протекающих как в самой металлоконструкции так и в костной ткани. Известно, что в ряде случаев это является причиной неудач при различных оперативных вмешательствах [2, 7, 8].
Известно, что уровень коррозионной стойкости и биосовместимости с человеческим телом обусловлен прежде всего наличием чрезвычайно инертной металлооксидной пленки, спонтанно образующейся на поверхности титана. При изучении биосовместимых свойств «интегрированной» поверхности титана, покрытой остеоцитами, установлено, что характерным для нее является взаимодействие оксидного слоя с гидроксильными группами и водородом. Первая реакция приводит
к появлению на поверхности имплантата эффективного отрицательного заряда, последняя — положительного. Величина суммарного заряда, равная изоэлектрической точке, говорит о том, какие биоактивные молекулы и клетки будут взаимодействовать с биоматериалом. Иными словами, суммарная величина катионов и анионов определяет, несет ли поверхность имплантата при заданной величине pH, близкой к таковой внеклеточной матрицы, положительный заряд или отрицательный.
Значение стационарного потенциала титана (Екорр) в реальных средах может указывать, в пассивном или активном состоянии находится металл. Величина — 0,3 В (по водородной шкале) указывает на начало пассивации, а потенциал > 0,01 В свидетельствует о пассивном (коррозионностойком) состоянии [3].
Цель исследования — исследовать электрохимическое поведение титана, платины и биметалла в биологических средах.
ЗАДАЧИ
1. Измерить электрокинетические и электростатические характеристики титана, платины и биметаллического имплантата в биологических средах.
2. Изучить влияние сложных биологических объектов (кровь и плазма) на электрохимическое поведение электродных материалов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В эксперименте были использованы полнотелые титановые и платиновые имплантаты и имплантаты из пары металлов с гальваническим эффектом (титан — платина). Диаметр имплантатов = 1,5 мм (рис. 1).
Pt+
Полнотелый
имплантат
(титан)
Полнотелый
имплантат
(платина)
Гальванический имплантат (титан - платина)
Рис. 1. Схема имплантатов.
висит, а полученные значения для разных сред варьируются незначительно. При соприкосновении исследуемых электродов измеряемый потенциал быстро падает практически до нуля.
Потенциометрические измерения проводились на универсальном вольтметре марки В7-16. В качестве электрода сравнения использовали хлорсеребряный электрод ЭВА 1.
Для вольтамперометрических измерений в работе использовалась электрохимическая установка на базе потенциостата IPC — Pro М и трехэлектродной ячейки с рабочим объемом 50 мл, платиновым вспомогательным электродом и водородным электродом сравнения. Рабочими электродами служили титановый электрод-имплантат с видимой поверхностью 1.33 мм2 и платиновый электрод с видимой поверхностью 4,52 мм2.
В работе использовались: фосфатно-щелочной буферный раствор (ФЩБ) с pH 7.1 на основе КН2Р04 (х.ч., перекристаллизованый), а также кровь и плазма от экспериментальных животных (крысы линии Вистар, возраст 6 — 8 месяцев). При выполнении исследования выполнялись все био-этические нормы работы с экспериментальными животными согласно приказа Министерства здра-
Статистический анализ полученных данных проводили с использованием критерия Манна — Уитни.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для оценки коррозионных характеристик исследуемой пары металлов, составляющих имплантат и разделенных электролитом, проведены потенциометрические измерения в системах, моделирующих (фосфатно-щелочной буферный раствор с pH 7.1) и имитирующих (плазма и кровь) реальные условия использования имплантатов.
На рис. 2 приведены данные измерения разности потенциалов металлов-имплантатов в условиях, когда один из исследуемых металлов служил «условным» электродом сравнения.
дами составляет около 600 мВ.
Для оценки влияния расстояния между электродами на значения разности потенциалов между ними были проведены исследования имплантатов в ФЩБ и в крови. При этом дистанция между платиной и титаном менялась в интервале от 10 до 150 мм. Результаты (рис. 3) свидетельствуют о том, что разность потенциалов, измеряемая для металлов-имплантатов, от расстояния практически не за-
600
400
200
0
-200
-400
-600
2 ш 1
t(ce к)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 2
Рис. 2. Зависимость потенциала платинового электрода, измеренного относительно титана (1), и титанового электрода, измеренного относительно платины (2), от времени. ФЩБ, pH 7.1.
Для прецизионной оценки величины потенциалов на металлах-имплантатах потенциометрические измерения были проведены относительно хлорсе-ребряного электрода сравнения, причем измерялись потенциалы как индивидуальных электродов, так и комбинированного имплантата из титана, находящегося в контакте с платиной. Результаты этих измерений представлены на рисунке 4.
Результаты, полученные для платины (1) и титана (2), хорошо согласуются с данными рисунка 2, а биметалл (3) по потенциометрическим характеристикам близок к платиновому электроду.
Если, в соответствии с литературными данными [3], предположить, что на поверхности Р1 из раствора адсорбируются протоны Н+, а на Т1 происходит возникновение и рост оксидных пленок, то представляется возможным объяснить и значения стационарных потенциалов этих электродов, и полученные значения разности потенциалов между ними.
Некоторые особенности электрохимического поведения титана исследованы методом циклической вольтамперометрии (рис. 5).
Так, первый циклвольтамперограммы (рис. 5а) хорошо иллюстрирует процесс анодной пассивации титана, которому отвечает рост анодного тока при потенциале 750 мВ (на последующих циклах такой явный рост анодного тока отсутствует). С другой стороны, измерения, проведенные с высокой скоростью развертки потенциала (рис. 56) позволяют предполагать частичное восстановление пассивирующих слоев электродной поверхности, сопровождающееся выделением и возможной адсорбцией водорода. Аналогичные измерения были проведены на титановом электроде в плазме и в крови. Несмотря на сложность протестированных биологических электролитов, в электрохимическом смысле они являются адекватным рабочим материалом, позволяющим, в частности, исследовать процессы анодной пассивации титана вольтамперометрическим методом.
Очевидно, оксидные пленки блокируют активную поверхность Т1, и при соприкосновении с платиной эта пара электрохимически проявляет свой-
70 Ксек)80
-300
-350
а -500 -
Рис. 3. Зависимость от времени потенциала титанового электрода, измеренного относительно платинового в ФЩБ (а) и в крови (б). Электроды на расстоянии друг от друга: 1-2.5 см, 2-5см, 3-10 см, 4-13,8 см.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 2
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
1
1сек
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
2
Рис. 4. Зависимость от времени потенциалов на платиновом (1), титановом (2) имплантатах и имплантате из «биметалла» ("П/И) (3), измеренная в крови (а) и плазме (б) относительно хлорсеребряного электрода сравнения.
I, мА
Е, мВ
Рис. 5. Циклические вольтамперограммы, измеренные на титановом электроде в фоновом растворе, pH 7.1; V = 50 мВ/с (а) и 1000 мВ/с (б).
ства скорее частично разряженного платинового электрода, чем «биметалла». Поэтому потенциал биметаллических имплантатов имеет положительные значения относительно Ад|АдС1.
При погружении платины и титана в электролит образуется гальваническая пара, а при контакте этих металлов в растворе создаются условия для разряда этого гальванического элемента, сопровождающегося протеканием собственного коррозионного тока. В первом приближении оценить величину этого тока можно, замыкая указанный элемент через низкоомный амперметр. Рисунок 6 демонстрирует результаты такого эксперимента. Видно, что сила тока быстро уменьшается со временем, тем не менее, даже по истечении 15 мин., ток не падает до нуля.
Рис. 6. Зависимость коррозионного тока между составными частями имплантата от времени.
ВЫВОДЫ
1. Методом потенциометрических измерений изучено электрохимическое поведение титана, платины и биметалла в модельных и биологических
электролитах. Показано, что в исследованных условиях платина заряжается положительно, а титан — отрицательно. Разность потенциалов между ними составляет около 600 мВ.
2. На основании полученных в работе и известных литературных данных есть основания считать, что электрохимически биметалл представляет собой коррозионную пару, на поверхности платиновой части которой из раствора могут адсорбироваться протоны, а на титановой части должен происходить более интенсивный рост оксидных пленок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бояринцев В.В. и др. Стимуляция остеогенеза при операциях на фоне постинфекционных дефектов кости в травматологии и ортопедии // Ин-
става в модельной биологической жидкости // Медицинские новости. — 2006. — № 1. — С. 116—120.
3. Томашев Н.Д. Титан и коррозионностойкие сплавы на его основе. — М.: Металлургия, 1985,
4. Aaron R.K., Ciombor D.M., Keeping H.S. Power freguency fields promote cell differentiation coincident with an increase in transforming TGFp expression // Bio-
5. Brighton C.T. et al. Signal transduction in electrically stimulated bone cells // J. Bone Joint Surg.
6. Ciombor D.М., Aaron R.K. The role of electrical stimulation in bone repair // Foot and ankle clinics. —
7. Collier J.P. et al. Corrosion beween the components of modular femoral hip prostheses // J. Bone
8. Denaro V. et al. Cittadini Periprosthetic electrochemical corrosion of titanium and titanium-based alloys as a cause of spinal fusion failure // Spine. —
9. Ercan B., Webster T.J. Greater osteoblast proliferation on anodized nanotubular titanium upon electrical stimulation // International journal of nano-
11. Fukada E., Yasuda I. On the piezoelectric effect P. 1158-1162.
tiM.B. Electrical field effect on peri-implant osteogene-
13. Goldhahn J. et al. Critical issues in translational and clinical research for the study of new tech-
14. Hammerick K.E. et al. Pulsed direct current electric fields enhance osteogenesis in adipose-derived stromal cells// Tissue engineering. Part A. — 2010. —
15. MollonB. etal. Electrical stimulation for long-bone fracture-healing: A meta-analysis of randomized
16. OzgtiQlu E. et al. Additional effect of pulsed electromagnetic field therapy on knee osteoarthri-
P. 927-931.
17. Sollazzo V. et al. Effects of pulsed electromagnetic fields on human osteoblastlike cells (MG-63)
P. 2260 — 2277.P
18. Woo D.G. et al. The effect of electrical stimulation on the differentiation of hESCs adhered onto fibronectin-coated gold nanoparticles // Biomateri-
19. Yasuda I. Peizoelectricity of living bone // J.
Сведения об авторах
Усольцев Иван Владимирович - аспирант Научного центра реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1; тел: 8 (3952) 29-03-44)
Животова Елена Анатольевна - магистрант 1 -го года обучения химического факультета Иркутского государственного университета(664003, г. Иркутск,ул. К. Маркса, 1;тел.: 8(3952)52-10-81)
Сафронов Александр Юрьевич -доктор химических наук, профессор, привилегированный член Королевского химического общества, заведующий кафедрой общей и неорганической химии Иркутского государственного университета (664003, ул. К. Маркса, 1; тел.: 8 (3952) 52-10-81)
Кашевский Алексей Валерьевич - кандидат химических наук, PhD (chemistry), доцент кафедры общей и неорганической химии Иркутского государственного университета (664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1; тел.: 8 (3952) 52-10-81) Пушкарев Борис Георгиевич - доктор медицинских наук, профессор, старший научный сотрудник научного отдела экспериментальной хирургии с виварием Научного центра реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (664079, г. Иркутск, мкр. Юбилейный, 100; тел.: 8 (3952) 40-76-67)
Иншаков Дмитрий Викторович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экспериментальной физики Иркутского государственного университета (664003, г. Иркутск, б. Гагарина, 20; тел.: 8 (3952) 24-21 -94)
Леонова Светлана Николаевна - кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник научно-клинического отдела травматологии Научного центра реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1; тел.: 8 (3952) 29-03-64)
Никифоров Сергей Борисович - доктор медицинских наук, старший научный сотрудник научного отдела экспериментальной хирургии с виварием Научного центра реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (664079, г. Иркутск, мкр. Юбилейный, 100; тел.: 8 (3952) 40-76-67)
Судаков Николай Петрович - кандидат биологических наук, научный сотрудник научного отдела экспериментальной хирургии с виварием Научного центра реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (664079, г. Иркутск, мкр. Юбилейный, 100; тел.: (3952) 40-76-67)
