Modyfikacje powierzchni implantów metalicznych

• Autorzy: Przybyszewska-Doroś I. , Okrój W. , Walkowiak B.

Warianty tytułu

EN

Surface modifications of metallic implants

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Implanty medyczne powinny spełniać wiele istotnych warunków, aby mogły być bezpiecznie stosowane u osób chorych. Od wszczepów wymaga się braku toksyczności i cech alergennych oraz braku działań mutagennych i kancerogennych. W zależności od zastosowań wymagania poszerzają się o hemo-i trombozgodność oraz biofunkcjonalność. Wszystkie implanty z czasem ulegają degradacji. W przypadku implantów metalicznych znaczącym zjawiskiem jest korozja, która może prowadzić do metalozy oraz do utraty ich właściwości mechanicznych. Metalami najszerzej stosowanymi w medycynie jest tytan i jego stopy, stopy Co-Cr-Mo oraz stal medyczna 316L. Materiały te cechują dobre właściwości mechaniczne i fizyko-chemiczne. Tolerancja przez organizm biorcy jest zróżnicowana. Poprawa biozgodności i tolerancji materiału może być osiągnięta drogą modyfikacji jego powierzchni. Rodzaje zmian powierzchni wszczepów metalicznych można najogólniej podzielić na dwie grupy: fizyko-chemiczną i biochemiczną. Metody fizyko-chemiczne powodują zmiany składu chemicznego istniejącej powierzchni. Metody biochemiczne oparte są na przyłączaniu związków organicznych, które ułatwiają wiązanie białek do powierzchni "uatrakcyjniając" warstwę wierzchnią wszczepu.

EN

Medical implants should meet several relevant conditions for safely use. Grafts have to be free from toxicity and allergenic features, and also free from mutagenic and carcinogenic effects. In dependence on the use requirements can be extended on hemo- and thrombo-compatibility, and also on bio-functionality. Every implant undergo to gradual degradation due to contact with body fluids. Corrosion is a significant phenomenon in the case of metallic implants, and it can results in metalosis and also in lose of mechanical property of an implant. The most often used metallic materials are: titanium and its alloys, Co-Cr-Mo alloys and medical steel 316L These materials possess proper mechanical and physico-chemical properties, but their tolerance by the recipient body is diverse. An improvement in biocompatibility and tolerance of metallic materials can be reached by a surface modification. Types of surface modification methods can be divided onto two groups: physico-chemical and biochemical methods. Physico-chemical methods of modification cause changes in chemical composition of the existing surface, whereas biochemical methods rely on attachment of small organic molecules, which allow to bind to the surface of specific proteins, making the implant surface more attractive.

Słowa kluczowe

PL

biomateriały metaliczne; modyfikacje powierzchni; biozgodność

EN

metallic implants; surface modifications; biocompatibility

• Wydawca: Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów
• Czasopismo: Inżynieria Biomateriałów
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 8, nr 43-44
• Strony: 52--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 56 poz.

Twórcy

autor

Przybyszewska-Doroś I.

• Centrum Doskonałości NANODIAM, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej
• Zakład Biofizyki, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej w Łodzi

autor

Okrój W.

• Centrum Doskonałości NANODIAM, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej
• Zakład Biofizyki, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej w Łodzi

autor

Walkowiak B.

• Centrum Doskonałości NANODIAM, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej
• Zakład Biofizyki, Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej w Łodzi
• Zakład Biofizyki Molekularnej i Medycznej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi

Bibliografia

• [1] Brzeziński J.: Historia Medycyny. PZWL Poznań 1990.
• [2] Marciniak J.: Biomateriały. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
• [3] Chu P.K., Chen I.Y., Wang L.P., Huang N.: Plasma surface modification of biomaterials. Mater. Sci. Eng R, 36, 2002, 143-206.
• [4] Polska Norma PN-EN ISO 10993-1: Biologiczna ocena wyrobów medycznych.
• [5] Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E.: An Introduction to Materials in Medicine. Academic Press 1996.
• [6] Łaskawiec J., Michalik R.: Zagadnienia teoretyczne i aplikacyjne w implantach. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
• [7] Aselme K.: Osteoblast adhesion on biomaterials. Biomaterials 21, 2000, 667-681.
• [8] Enderle J., Blanchard S., J. Bronzino: Introduction to Biomedical Engineering. Academic Press 1999.
• [9] Jaruga Z., Nowakowska M.B: Chemia ogólna; Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 1990.
• [10] Blumenthal N.C, Cosma V.: Inhibition of apatite formation by titanium and vanadium ions. J Biomed Mater Res 23 (A1suppl.), 1989, 13-22.
• [11] Thull R.: Physicochemical principles of tissue material interactions. Biomol Eng 19, 2002, 43-50.
• [12] Ronold H.J., Ellingsen J.E.: Effect of micro-roughness produced by TiO2 blasting-tensile testing of bone attachment by using coin-shaped implants. Biomaterials 23, 2002, 4211-4219.
• [13] Martini D., Fini M., Franchi M., Pasquale V.D., Bacchelli B., Gamberini M., Tinti A., Taddei P., Giavaresi G., Ottani V., Raspanti M., Guizzardi S., Ruggeri A.: Detachment of titanium and fluorohydroxyapatite particles in unloaded endosseous implants. Biomaterials 24, 2003, 1309-1316.
• [14] Gbureck U., Masten A., Probst J., Thull R.: Tribochemical structuring and coating of implant metal surface with titanium oxide and hydroxyapatite layers. Mater. Sci. Eng C 23, 2003, 461-465.
• [15] Hamada K., Kon M., Hanawa T., Yokoyama K., Miyamoto Y., Asaoka K.: Hydrotermal modification of titanium surface in calcium solutions. Biomaterials 23, 2002, 2265-2272.
• [16] Kim H.M., Miyaji F., Kokubo T., Nakamura T.: Preparation of bioactive Ti and its alloys via simple chemical surface treatment. J Biomed Mater Res 32, 1996, 409-417.
• [17] Kokubo T., Kim H.M., Miyaji F., Takadama H., Miyazaki T.: Ceramic-metal and ceramic-polymer composites prepared by a biomimetic process. Composities 30 Part A 1999, 405-409.
• [18] Krasiczka-Cydzik E.: Badania impedancyjne tytanu i jego stopów implantowych. Inż. Biomat. IV, 2001, 27-31.
• [19] Viornery C., Guenter H.L., Aronsson B.O., Pechy P., Descouts P.: Osteoblast culture on polished titanium disks modified with phosphonic acids. J Biomed Mater Res 62, 2002, 149-55.
• [20] Hwang K.E., Kim C.S.: Interface characteristics changed by heat treatment of Ti materials with hydroxyapatite. Mater. Sci. Eng C 23, 2003, 401-405.
• [21] Campbell A.A., Fryxel G.E., Linehan J.C., Graff G.L.: Surfaceinduced mineralization: A new method for producing calcium phosphatase coating. J Biomed Mater Res 32, 1996, 111-118.
• [22] Burakowski T., Major B.: Osadzanie laserem impulsowym PLD. Inż. Mater. XX, 1999, 339-343.
• [23] Hallgren C., Reimers H., Chakarov D., Gold J., Wennerberg A.: An in vivo study of bone response to implants topographically modified by laser micromachining. Biomaterials 24, 2003, 701- 710.
• [24] Głuszek J.: Tlenkowe powłoki ochronne otrzymywane metodą sol-gel. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998.
• [25] Michalik R., Łaskawiec J., Klisch M.: Powłoki ochronne wytwarzane metodą zol-gel na implantach. Inż. Mater. XXIII, 2002, 372-375.
• [26] Kłyszejko-Stefanowicz L.: Elektroforeza w nośnikach, w: Ćwiczenia z biochemii; Kłyszejko-Stefanowicz L. (red.) Wydawnictwo PWN, Warszawa 1999.
• [27] Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2000.
• [28] Bąkowicz K., Mitura S.: Biokompatibility of NCD. J Wide Bandgap Mater. 9, 2002, 261-272.
• [29] Mitura S., Niedzielski P., Jachowicz D., Louda P., Langer M., Marciniak J., Stanishevsky A., Tochitsky E., Couvrat P., Denis M., Lourdin P.: Influence of carbon origin on the properties important for biomedical application. Diamond Relat. Mater. 5, 1996, 1185- 1188.
• [30] Chandra L., Clyne T.W., Allen M., Rushton N., Butter R., Lettington A.H.: The effect of biological fluids on the adhesion of diamond-like carbon films to metallic substrates. Diamond Relat. Mater. 4, 1995, 852-856.
• [31] Furman P., Głuszek J., Masalski J.: Struktura i własności elektrochemiczne warstwy TiO2 otrzymanej metodą MOCVD. Materiały III Ogólnopolskiej Konferencji, Obróbka powierzchniowa, Częstochowa-Kule 1996, 229-233.
• [32] Łaskawiec J., Michalik R., Klisch M.: Właściwości użytkowe powłok hydroksyapatytowych na implantach z tytanu i jego stopów oraz ze stopów kobaltu. Inżynieria Materiałowa XXIII, 2002, 376- 379.
• [33] Burakowski T., Roliński E., Wierzchoń T., Inżynieria powierzchni metali. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1992.
• [34] Czarnowska E., Wierzchoń T., Maranda-Niedbała A.: Properties of the surface layers on titanium alloy and their biocompatibility i in vitro tests. J Mater Process Technol 92-93, 1999, 190-194.
• [35] Aronson B.O., Lausmaa J., and Kasemo B.: Glow discharge plasma treatment for surface cleaning and modification of metallic biomaterials. J Biomed Mater Res 35, 1997, 49-73.
• [36] Maranda-Niedbała A., Wierzchoń T., Czarnowska E.: Structure and properties of the surface layers produced on Ti-Al-1Mn titanium alloy under glow discharge conditions. Inż. Biomater. V, 2001, 25-26.
• [37] Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa 2003.
• [38] Krupa D., Baszkiewicz J., Mizera J., Wierzchoń T., Barcz A., Fillit R.: Effect of nitrogen-ion implantation on the corrosion resistance of OT-4-0 titanium alloy in 0.9%NaCl environment. Surf Coat Technol 111, 1999,86-91.
• [39] Puleo D.A.: Biochemical surface modification of Co-Cr-Mo. Biomaterials 17,1996, 217-222.
• [40] Puleo D.A.: Activity of enzyme immobilized on silanized Co- Cr-Mo. J Biomed Mater Res 29,1995, 951-957.
• [41] Puleo D.A.:Retention of enzymatic activity immobilized on silanized Co-Cr-Mo and Ti-6Al-4V. J Biomed Mater Res 37, 1997, 222-228.
• [42] Lu G., Bernasek S.J., Schwartz J.: Oxidation of polycrystalline titanium surface by oxygen and water. Surface Science 458, 2000, 80-90.
• [43] Ferris D.M., Moodie G.D., Dimond P.M., Gioranni C.W.D., Ehrlich M.G., Valentini R.F.: RGD-coated titanium implants stimulate increased bone formation in vivo. Biomaterials 20, 1999, 2323- 2331.
• [44] Pierschbacher M.D., Ruoslahti E.: Cell attachment activity of fibronectin can be duplicated by small synthetic fragments of the molecule. Nature 309, 1984, 30-33.
• [45] Geissler V., Wolf C., Scharnweber D., Worck H., Wenzel P.: Colagen type I-coating of Ti6Al4V promotes adhesion of osteoblast. J Biomed Mater Res 51, 2000, 752-60.
• [46] Puleo D. A., Kissling R.A., Sheu M.S.: A technique to immobilize bioactive proteins, including bone morphogenetic protein-4 (BMP-4), on titanium alloy. Biomaterials 23, 2002, 2079-2087.
• [47] Schwartz J., Avaltroni M. J., Danahy M. P., Silverman B.M., Hanson E.L., Schwarzbauer J. E., Midwood K.S., Gawalt E. S.: Cell attachment and spreding on metal implant materials. Mater. Sci. Eng. C 23, 2003, 395-400.
• [48] Mora M., Cassinelli C.: Organic surface chemistry on titanium surface via thin film deposition. J Biomed Mater Res 37, 1997, 198-206.
• [49] Nanci A., Wuest J.D., Peru L., Brunet P., Sharma V., Zalzal S., McKee M.D.: Chemical modification of titanium surface for covalent attachment of biological molecules. J Biomed Mater Res 40, 1998, 324-335.
• [50] Satsangi A., Satsangi N., Glover R., Satsangi R. K., Ong J.L.: Osteoblast response to phospholipid modified titanium surface. Biomaterials 24, 2003, 4585-4589.
• [51] Morra M., Cassinelli C., Cascardo G., Cahalan P., Cahalan L., Fini M., Giardino R.: Surface engineering of titanium by collagen immobilization. Surface characterization and in vitro and in vivo studies. Biomaterials 24, 2003, 4639-4654.
• [52] Mikulec L.J., Puleo D.A.: Use of p-nitrophenyl chloroformate chemistry to immobilize protein on orthopedic biomaterials. J Biomed Mater Res 32, 1996, 203-208.
• [53] Ushizawa K., Sato Y., Mitsumori T., Machinami T., Ueda T., Ando T.: Covalent immobilization of DNA on diamond and its verification by diffuse reflactance infrared spectroscopy. Chem. Phys. Lett. 351, 2002, 105-108.
• [54] Ida S., Tsubota T., Hirabayashi O., Nagata M., Matsumoto Y., Fujishima A., Tsubota T., Hirabayashi O., Ida S., Nagaoka S., Nagata M., Matsumoto Y.: Chemical reaction of hydrogened diamond surface with peroxide radical initiator. Phys. Chem. Chem. Phys. 4, 2002, 806-811.
• [55] Pirek M., Okrój W., Przybyszewska I., Jakubowski W., Walkowiak B., Chemiczna modyfikacja proszków diamentowych. Inż . Biomat. VII, 2004, 36-39.
• [56] Castaneda S.I., Espinoza V.A.A., Fiere F.L., Franceschini D.F.,. Jacobsohn L.G.: Surface modifications in diamond-like carbon films submitted to low-energy nitrogen ion bombardment, Nucl Instr and Meth B 175-177, 2001, 699-70.