I biomateriali in titanio vengono ripassivati ​​immediatamente e completamente? Una prospettiva

npj Materiali Degradazione volume 6, Numero articolo: 57 (2022) Citare questo articolo

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Il titanio e le sue leghe sono stati ampiamente utilizzati per applicazioni cliniche grazie alla loro biocompatibilità e all'eccezionale inerzia chimica, oltre alle loro eccezionali caratteristiche di osteointegrazione. È noto che formano una robusta pellicola protettiva sulla superficie che fornisce un'elevata resistenza alla corrosione con l'ambiente circostante. Sebbene questo stato passivo dei materiali a base di titanio sia spesso considerato raggiunto molto rapidamente, anche se danneggiato, e chimicamente stabile in ambienti fisiologici, sono state raccolte prove di rottura della passività e reazioni di trasferimento di elettroni utilizzando tecniche microelettrochimiche ad alta risoluzione. Pertanto, sono necessarie ulteriori ottimizzazioni per le loro prossime applicazioni.

I biomateriali sono generalmente definiti come sostanze progettate per interagire con i sistemi biologici per trattare, valutare e sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo1,2,3. Negli ultimi decenni sono stati sviluppati un gran numero di biomateriali per applicazioni in campo sanitario. Vengono utilizzati principalmente per la somministrazione di farmaci, l'ortopedia, le cure odontoiatriche e l'ingegneria tissutale di dispositivi cardiovascolari e pelle4. Prima che qualsiasi nuovo biomateriale possa essere approvato per l’uso nel corpo umano, devono essere soddisfatti diversi prerequisiti riconosciuti dall’International Standards Organization (ISO) e dall’American Society for Testing and Materials (ASTM)4. La biocompatibilità è considerata un requisito vitale per la corretta applicazione dei biomateriali. Secondo la definizione di biocompatibilità5 di Williams, i biomateriali impiantati non dovrebbero generare reazioni avverse e dannose con l'ambiente fisiologico locale. Tuttavia, i biomateriali impiantati sono molto suscettibili alla corrosione in quanto esposti ad ambienti corrosivi, come sangue e altri tipi di fluidi extracellulari che contengono ioni cloruro, proteine ​​e aminoacidi6,7,8. Ciò sottolinea che i materiali impiantati devono presentare un'elevata resistenza alla corrosione come richiesto dalle norme ISO e ASTM. L'oggetto impiantato, infatti, può anche subire usura a causa dei micromovimenti che si generano tra esso e il metallo o l'osso adiacente9. Ciò porta alla formazione di detriti da usura che possono sviluppare interazioni indesiderate con i tessuti viventi10,11. Pertanto, le caratteristiche di resistenza all'usura e di osteointegrazione sono considerate fattori importanti per la longevità dei materiali impiantati12.

Al giorno d'oggi, i biomateriali sono costituiti da metalli e leghe, polimeri, ceramiche e compositi. Tra questi, i materiali impiantati costituiti da titanio sono considerati i più utili come dispositivi medici. Infatti, i materiali a base di titanio vengono utilizzati nella produzione di impianti biomedici sin dagli anni '50. È stato riferito che più di 1.000 tonnellate di titanio vengono utilizzate ogni anno nei dispositivi biomedici13. Ciò è dovuto alla loro biocompatibilità e alle proprietà meccaniche favorevoli come il basso modulo di elasticità, l'elevata resistenza alla trazione e la bassa densità. Inoltre, sono noti per le loro eccezionali caratteristiche di osteointegrazione che operano nei tessuti viventi dopo l'impianto. Questa prospettiva si concentrerà sulla presunta stabilità e inerzia dei materiali a base di titanio per applicazioni implantari fornendo alcune informazioni sul ruolo e sulla dinamica degli strati superficiali di ossido passivo e sull'impatto del rilascio di metallo come risultato dei meccanismi di degradazione che operano su tali materiali.

In generale, è noto che in condizioni atmosferiche, sulla superficie degli oggetti in titanio può svilupparsi spontaneamente una robusta pellicola protettiva. Il suo spessore è dell'ordine di pochi nanometri14. La pellicola protettiva di ossido è composta principalmente da TiO2 miscelato con una certa quantità di Ti2O3 e TiO14. Il TiO2 ha una caratteristica di semiconduttore con un'ampia banda proibita di 3,2 eV15, che fornisce un'elevata resistenza alla corrosione attenuando il rilascio di ioni metallici pericolosi dalla superficie e inibisce le reazioni di trasferimento di elettroni con l'ambiente locale in cui è impiantato. Quando la superficie ricoperta di ossido di titanio viene danneggiata, il titanio metallico si rigenera attraverso la formazione spontanea del film passivo di biossido di titanio16, come illustrato dagli schizzi a–c in Fig. 1. In questo caso, il film rotto sul biomateriale di titanio è guarisce rapidamente e previene la corrosione sulla superficie del biomateriale, mantenendo in definitiva sana la cellula biologica. Tuttavia, una situazione diversa si verifica nei metalli non guariti che provocano la corrosione, come illustrato dagli schizzi d-f in Fig. 1. Cioè, la corrosione inizia con la rottura del film passivo sul biomateriale di titanio, seguita dall'ossidazione del biomateriale di titanio. promossa dalle specie corrosive presenti nell'elettrolita circostante come i cloruri. Mentre gli elettroni ceduti dalla reazione di ossidazione verranno consumati dall'ossidante presente nell'elettrolita, che solitamente è ossigeno poiché la sua reazione è termodinamicamente possibile con il titanio, ciò comporterà la formazione di specie reattive dell'ossigeno nei siti del microcatodo che alla fine porterà a il danno delle cellule biologiche.