SEMMELWEIS EGYETEM DOKTORI ISKOLA. Dr. Suba Csongor. Fogorvostudományi kutatások

Átírás

1 SEMMELWEIS EGYETEM DOKTORI ISKOLA Dr. Suba Csongor Fogorvostudományi kutatások A szervezet saját szöveteinek és idegen (bio) anyagok felhasználása az arc-állcsontok és szájképletek helyreállítása céljából című program Programvezető: Dr. Fazekas Árpád egyetemi tanár Témavezető: Dr. Szabó György egyetemi tanár Konzulens: Lakatosné Dr. Varsányi Magda egyetemi tanár Intézetvezető: Dr. Barabás József egyetemi tanár

2 Anódosan és termikusan felületkezelt Ti/TiO 2 felületű osteosynthesis lemezek kristályszerkezeti és korróziós vizsgálata Doktori értekezés Dr. Suba Csongor Semmelweis Egyetem Klinikai Orvostudományok Doktori Iskola Szigorlati bizottság: Dr. Bánóczy Jolán egyetemi tanár Dr. Orosz Mihály egyetemi tanár Dr. Barabás József egyetemi tanár Dr. Giber János egyetemi tanár Hivatalos bírálók: Dr. Giber János egyetemi tanár Dr. Újpál Márta egyetemi docens Budapest

3 1. TARTALOMJEGYZÉK 1. TARTALOMJEGYZÉK RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE BEVEZETÉS IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ A TITÁN FELÜLETÉNEK MORFOLÓGIÁJÁVAL KAPCSOLATOS VIZSGÁLATOK A TITÁN KORRÓZIÓS VIZSGÁLATAI A TITÁN FELÜLETÉN VÉGBEMENŐ KÉMIAI FOLYAMATOK VIZSGÁLATA A TITÁNFELÜLET RÉTEGVASTAGSÁGÁNAK VIZSGÁLATA A FELÜLETI REAKCIÓK MÉRÉSE A FELÜLETI ERŐK VIZSGÁLATA A FELÜLETI RENDEZŐDÉST, ORIENTÁCIÓT VIZSGÁLÓ MÓDSZEREK CÉLKITŰZÉSEK ALKALMAZOTT ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK AZ OSTEOSYNTHESIS TI LEMEZEK ANÓDOS ÉS TERMIKUS OXIDÁCIÓJA A TI/TIO 2 OSTEOSYNTHESIS LEMEZEK MŰTÉTI BEHELYEZÉSE ÉS ELTÁVOLÍTÁSA FELÜLETANALITIKAI VIZSGÁLATOK Röntgendiffrakció (XRD) Optikai mikroszkóp Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) ELEKTROKÉMIAI, KORRÓZIÓS VIZSGÁLATOK Ciklikus voltammetria (CV) és elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS) STATISZTIKAI SZÁMÍTÁSOK EREDMÉNYEK FELÜLETANALITIKAI VIZSGÁLATOK Röntgendiffrakciós vizsgálatok (XRD) Optikai mikroszkópos vizsgálatok Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatok (SEM) ELEKTROKÉMIAI, KORRÓZIÓS VIZSGÁLATOK Ciklikus voltammetria (CV) Nyitottköri potenciálmérések (Ocp) Elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS) STATISZTIKAI SZÁMÍTÁSOK MEGBESZÉLÉS FELÜLETANALITIKAI VIZSGÁLATOK

4 8.2. ELEKTROKÉMIAI, KORRÓZIÓS VIZSGÁLATOK Ciklikus voltammetria (CV) és elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS) Nyitottköri potenciálmérések (Ocp) STATISZTIKAI SZÁMÍTÁSOK KÖVETKEZTETÉSEK ÉS ÚJ MEGÁLLAPÍTÁSOK ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY IRODALOMJEGYZÉK SAJÁT KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE KONGRESSZUSI RÉSZVÉTELEK KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

5 2. RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE AES: AFM: CLSM: CT: CV: EIS: ELM: FTIR: HA: HREELS: IM: ISS: LFM: LPM: MFM: MRI: MSP: Ocp: OWLS: QCM: RM: R p : SBS: SCE: SEM: SFA: Auger electron spectroscopy - Auger elektron spektroszkópia atomic force microscopy - atomerő mikroszkóp confocal laser scanning microscopy - konfokális lézerpásztázó mikroszkóp computer tomography - computer tomográf cyclic voltammetry - ciklikus voltammetria electrochemical impedance spectroscopy - elektrokémiai impedancia spektroszkópia ellipsometry - ellipszometria Fourier transform infrared spectroscopy - Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia hidroxiapatit high resolution electron energy loss spectroscopy - nagy felbontású elektron energiaveszteség spektroszkópia interference microscopy - interferencia mikroszkóp ion scattering spectroscopy - ionszóródás spektroszkópia lateral force microscopy - laterális-erő mikroszkóp non-contact laser profilometry - lézer profilometria magnetic force microscopy - mágneses erő mikroszkóp magnetic resonance imaging - mágneses rezonancia vizsgálat mechanical stylus profilometry - profilometria open circuit potential - nyitottköri potenciál optical waveguide light-mode spectroscopy - integrált optikai hullámvezető spektroszkópia quartz crystal microbalance - kvarc kristály mikromérleg resonant mirror - rezonáns tükör polarizációs ellenállás simulated body fluid - mesterséges testnedv saturated calomel electrode - referencia kalomel elektród scanning electron microscopy - pásztázó elektronmikroszkóp surface force apparatus - felületi erőmérő készülék 5

6 SIMS: secondary ion mass spectroscopy - szekunderion tömegspektrometria SNOM: scanning near-field optical microscopy - pásztázó optikai mikroszkóp SPR: surface plasmon resonance - felületi plazmon rezonancia SEM: scanning electron microscopy - pásztázó elektronmikroszkóp Stereo-SEM: stereo-scanning electron microscopy - sztereopásztázó elektronmikroszkóp STM: scanning tunneling microscopy - pásztázó alagút mikroszkóp TEM: transmission electron microscopy - transzmissziós elektronmikroszkóp ToF-SIMS: time-of-flight secondary ion mass spectroscopy - repülési idő tömegspektrometria XPS: X-ray photoelectron spectroscopy - röntgen fotoelektron spektroszkópia XRD: X-ray diffraction - röntgendiffrakció. 6

7 3. BEVEZETÉS A titán (Ti) fém alkalmazása a felületkezelési eljárások bevezetésével új fejezetet nyitott a maxillofaciális traumatológiában. A titán felület gyakran használt kifejezés, de valódi értelmezése azt a külső felületet jelenti, melynek fizikai tulajdonságai, elektromos állapota és atomjainak rendeződése (néhány atomi réteg) különbözik az alapfém tulajdonságaitól. Ennek ismeretében elektrokémiai vizsgálatokkal követni lehet a szervezettel érintkező felület változásait, magyarázatot lehet adni a felületkezelt titán kiváló biokompatibilitására. A titán felületkezelése során számos oxid képződik: TiO, TiO 2, Ti 2 O 3, Ti 3 O 4, de ezek az oxidok közül termodinamikailag a TiO 2 a legstabilabb. Az elektrokémiai úton, anódos és termikus oxidációval kialakított oxidréteg minősége (vastagság, szín, szerkezet, anatáz, rutil, brookit eloszlás) változtatható az oxidációs feszültséggel, a hőkezelés időtartamával és a kezelések ismétlésének számával [5, 12, 71, 75, 77-80, 85, 87-90, 93, 94]. Ennek alapján magyar szerzők egy olyan eljárást dolgoztak ki, amelynek segítségével az implantátum felületén, annak anyagából mechanikai és kémiai tisztítás után anódos oxidációval egy ún. növesztett oxidréteget hoznak létre, melyet hőkezeléssel kristályos szerkezetű (TiO 2 ) szigetelő oxidréteggé alakítanak át. Ezt az eljárást szabadalmaztatták és több nemzetközi díjat is nyertek vele. Szabadalom száma: 1993 Németország ( A 1) 1994 Egyesült Államok ( ) 1995 Franciaország ( ) 1996 Magyarország ( ) Nemzetközi díjak: 1992 BNV Budapest, Invenció Díj 1994 Találmányi Szalon Genf, Bronz érem 1994 Találmányi Szalon Iassy, Arany érem 1996 Találmányok és Újdonságok Nemzetközi Kiállítása és Vására, Genius Díj, Budapest. 7

8 A titán felületén anódos és termikus oxidációval kialakított TiO 2 barrier réteget képez, izolálja az alapfémet a szervezettől, megakadályozza a korróziót ill. a fémion részecskék szervezetbe jutását. A Semmelweis Egyetem Szájsebészeti és Fogászati Klinikáján több mint másfél évtizede speciálisan felületkezelt - ISO 5832/2; G2 orvosi gyakorlatban használt, nagy tisztaságú titán implantátumokat használnak, melyeket a Protetim Kft. és Promed 2000 Kft. (Hódmezővásárhely) állít elő [75-79, 87-89, 93, 94, 102]. Ezek osteosynthesishez alkalmazott lemezek, csavarok és csavarimplantátumok. A felületkezelés lényege egy anódos oxidációval létrehozott, termikus úton módosított kristályos szerkezetű oxidréteg (TiO 2 ), mely a titán elemeket nagymértékben ellenállóvá teszi a korrózióval szemben [16, 45, 87]. A lemezek - saját és más szerzők vizsgálatai alapján - a szervezetet hosszú távon nem károsítják. A fogorvosi implantátumok felületkezelésére ezt a módszert egyre többen alkalmazzák (pl. a Nobel Biocare által kialakított TiUnite implantátum felszín is nagyon hasonló technikával készül) [23, 28, 44, 80]. A módszer lényege nem a titán felszínen jelenlevő spontán oxidréteg vastagítása, hiszen ez egy amorf átjárható felszín lenne, hanem a titán fémen, a fém anyagából egy új, kemény, stabil, kristályos barrier felület (TiO 2 ) kialakítása, anódos növesztése. A SE Szájsebészeti Klinika közreműködésével több vizsgálatsorozat történt a TiO 2 réteg pozitív tulajdonságainak fejlesztése ill. javítása érdekében (1. táblázat). 1. Táblázat: a SE Szájsebészeti Klinika közreműködésével történt korábbi vizsgálatok az anódosan és termikusan felületkezelt osteosynthesis implantátumokról. Intézet Miskolci Műszaki Egyetem Budapesti Műszaki Egyetem Lausanne Műszaki Egyetem Bay Intézet (BAYATI) Év 1993/ / Korrózió: Felületanalitikai mérések: Felületanalitikai mérések: Elektrokémiai Vizsgálati módszer Korróziós vizsgálatok Mechanikai stabilitás SIMS XPS AES SEM XRD (Korróziós) mérések: OCP CV EIS Keresett Információ Alakváltozó képessége Szilárdság Rétegvastagság Atom% összetétel, eloszlás Kristályszerkezet Korróziós aktivitás 8

9 4. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ A maxillofaciális sebészet területén évtizedek óta használatosak a fém rögzítő elemek a mobilis csontvégek rögzítésére [40, 94]. A kezdetben elterjedt króm-kobalt, króm-nikkel-vanádium ötvözetből készült, rozsdamentes acéllemezeket és csavarokat, a szervezetet károsító hatásuk miatt a gyógyulást követően el kellett távolítani [4, 11, 17, 30, 53, 56]. A második műtéti beavatkozást sokszor a lemez közelében kialakult gyulladás, hőérzékenység, vagy metallosisra utaló tünetek kialakulása indokolta. Ma már a titánlemezek felületkezelésének köszönhetően a második műtéttől legtöbbször eltekinthetünk. A titán rögzítő elemek eltávolításával kapcsolatos vélemények nem egységesek. Vannak, akik csak akkor távolítják el a lemezeket, ha a betegnek panaszt okoznak [4, 18, 40, 77]. Ez az álláspont megfelel a Strassbourg Osteosynthesis Research Group 1991-es ajánlásának, mely szerint a funkcióját vesztett rögzítő elemek eltávolítása akkor indokolt, ha az nem okoz felesleges kockázatot a beteg számára. Az osteosynthesis lemezek eltávolításának fő okai között az irodalomban a következők szerepelnek [4, 18, 51, 52, 69, 94]: implantátum szabaddá válása seb fertőzése pszichés ok, a beteg kérésére lemez törése protetikai megfontolásból a fogpótlás felhelyezése előtt, vagy a funkcionális zavar miatt hővezetés, hőérzékenység tapintásra érzékeny terület paraesthesia a lemez elmozdulása allergia, metallosis, toxicitás elszíneződés osteopaenia röntgensugárzás (osteoradionecrosis) okozta komplikációk. 9

10 Napjainkban a szájsebészet területén alkalmazott fém implantátumok anyagaként leggyakrabban titánt alkalmaznak kedvező tulajdonságainak, biokompatibilitásának köszönhetően. Az arc-állcsont szájsebészet területén csaknem kizárólag ilyen implantátumokkal találkozunk. Ezek célját tekintve két nagy csoportba oszthatók: a csontegyesítéshez (osteosynthesis) alkalmazott lemezekre, csavarokra és a foggyökérimplantátumokra. Tapasztalati tény, hogy a titán - szemben más fémekkel - nem allergizál, nagymértékben biokompatibilis, a fém és a környező szövetek között élettani kapcsolat alakul ki. Albrektsson és mtsai hívták fel a figyelmet arra, hogy az implantátum és a csontszövet közötti kapcsolat kialakulásában kiemelt fontosságúak az implantátumok felületi tulajdonságai [2, 3]. Ahhoz, hogy a sejtek egy implantátum felületén megtapadjanak, osztódni tudjanak a beültetés utáni időszakban, a bioanyagnak meg kell felelni a csontintegráció követelményének is. A titán pozitív tulajdonságainak köszönheti, hogy az egyik legelterjedtebb bioanyagként tartják számon a modern, klinikai orvostudományban [3, 44]. A beültetésre kerülő fémek a csontban és lágyszövetekben komplex biológiai, biokémiai és élettani reakciókat indítanak el a fém-szervezet határán, ezért nem mindegy, hogy milyen az implantátum anyaga, felületi szerkezete. A titán a szervezetbe való beültetése során, magas biokompatibilitásának köszönhetően, nem toxikus és nem okoz allergiás reakciót. A titán-csont határfelületén megfigyelték, hogy vékony oxidrétegű titán implantátumok körül gyengébb minőségű mineralizáció jött létre, mint a vastag TiO 2 réteg esetében [44]. A klinikai vizsgálatok szempontjából fontos biomechanikai állatkísérletekkel bizonyították, hogy a felületkezelt titán implantátumok stabilitása jobb, az implantátum körüli csont-implantátum kapcsolat szorosabb, mint a bevonat nélkülieknél. A kísérletek során bebizonyosodott, hogy a csontsejtek kiváló adhéziós erővel tapadnak a titánhoz, és a vastag anódos oxidációs rétegű titán csavarok eltávolítása nehezebb, a csontimplantátum kapcsolat szorosabb [21-24, 33, 36, 46, 68, 69, 90]. A titán jó mechanikai szilárdsággal rendelkezik, alacsony a sűrűsége és könnyű a megmunkálhatósága [9, 14, 15]. Az implantátum és a csontszövet kapcsolatának vizsgálata, a csontintegráció fogalmának bevezetése Branemark nevéhez fűződik [7]. Csontintegráció alatt az élő csontszövet és az implantátum közötti szoros kapcsolatot értjük. Branemark csontintegráció elmélete szerint nincs kötőszövet a csont és az implantátum között. A 10

11 titán felületén lévő oxidréteg tulajdonságai képezik a csontintegráció kialakulásában a legfontosabb elemet, kisfokú elektromos vezetésüknek, magas korróziós ellenállásuknak és ph-val szembeni stabilitásuknak köszönhetően [84, 85]. A TiO 2 felületi réteg fizikai és kémiai tulajdonságai központi szerepet játszanak a titán orvosbiológiai felhasználásában. A titán fém aktivitására jellemzően már kis mennyiségű oxigén vagy nitrogén jelenlétében is a felületén oxid illetve nitrid réteg alakul ki. A legstabilabb fém-oxid a TiO 2, mely három lehetséges formában fordul elő: az anatáz és a rutile tetragonális, míg a brookit ortoromboéderes kristályszerkezettel (1. ábra). anatáz rutil brookit 1. Ábra: az anatáz, a rutile és a brookit kristályszerkezete (University of Colorado. Mineral Structure and Property Data. TiO 2 Group, 11

12 A felületi rétegtől elvárjuk, hogy kialakítása ne befolyásolja a tömbi anyag tulajdonságait, növelje a titán kémiai és fizikai ellenállását, valamint időben állandó tulajdonsággal rendelkezzen. Vizes oldatban a fémek többsége termodinamikai szempontból nem stabil, viszont néhány fém (titán, vas, króm, nikkel, alumínium) és ötvözet az oxigénnel, vízzel vagy savakkal is lassan reagál vagy nem lép reakcióba, mivel passzív állapotban van. Passzivitásnak azt a jelenséget nevezzük, amikor egy fém vagy ötvözet a környezet olyan komponensével érintkezik, amelyhez nagy az affinitása és mégsem vagy csak igen kismértékben lép reakcióba. Az adszorpciós elmélet szerint passzív állapotban a fémet kemiszorbeálódott ionok monorétege borítja, amely helyettesíti az adszorbeált vízmolekulákat és csökkenti a fémoldódás sebességét. Az oxidfilm elmélet azt feltételezi, hogy passziválódáskor háromdimenziós oxidfilm képződik. Ez a barrier réteg elválasztja a fémet a környezetétől és csökkenti a fémoldódást. Egy fém passzív állapotba kerülhet megfelelő oxidálószerek hatására vagy anódos polarizációval. Larsson és mtsai kimutatták, hogy a titán, a felületén lévő oxidrétegnek köszönhetően, jóval magasabb korróziós ellenállást fejt ki mint az arany, melynek felületén nem alakul ki oxidréteg [44]. A felületeket tanulmányozó és módosító technikai eljárások sokasága új lehetőségeket rejt még az implantátumok gyártására és klinikai felhasználására. Az implantátum felületének minősége függ a felület kémiai, fizikai, mechanikai és topográfiai tulajdonságaitól. Még nem teljesen tisztázott, hogy melyik felületi tulajdonság, milyen módon befolyásolja a beültetés után a szervezet és az implantátum kapcsolatát. A kutatók egyhangúan elismerik, hogy az implantátum anyaga és felülete felelős a sikeres csontintegráció létrejöttében. A különböző titánoxidok korróziója és a metallosis jelensége a lemezek és csavarok eltávolításakor szabad szemmel is sok esetben megfigyelhető, a fémrészecskék a környező lágyrészekben, a regionális nyirokcsomókban, vagy távoli szervekben kimutathatóak [1, 30, 34, 53-56, 61, 69, 73, 90]. Mosser és mtsai kimutatták, hogy a titánimplantátumok beültetésekor mért 5 nm spontán titánoxid felület, 5 év múlva 200 nm-re növekszik [58]. Ez azt jelenti, hogy a titán fém állandó korróziója folytán, a szervezetbe folyamatosan jutnak titán ionok. A titán felszínén levő, spontán képződő titánoxid réteg a fém és a szervezet közötti átjárást nem akadályozza meg és porózus. [87, 88]. A fentiekben felsorolt tényezők (metallosis, távoli szervekben kimutatható fémrészecskék, hővezetés) pozitívan befolyásolhatóak a rögzítő elemek (titán) felszíni tulajdonságainak módosításával. 12

13 4.1. A titán felületének morfológiájával kapcsolatos vizsgálatok A napjainkban használt implantátumok felülete - a felületkezelési lehetőségek sokszínűségének köszönhetően - komplex morfológiát mutat, melynek vizsgálatához elengedhetetlenül fontos, hogy széles méretskálát, átölelő módszereket használjunk: SEM: scanning electron microscopy - pásztázó elektronmikroszkóp Stereo-SEM: stereo-scanning electron microscopy - sztereo-pásztázó elektronmikroszkóp XRD: X-ray diffraction röntgendiffrakció AFM: atomic force microscopy - atomerő mikroszkóp IM: interference microscopy - interferencia mikroszkóp TEM: transmission electron microscopy - transzmissziós elektronmikroszkóp STM: scanning tunneling microscopy - pásztázó alagút mikroszkóp SNOM: scanning near-field optical microscopy - pásztázó optikai mikroszkóp MFM: magnetic force microscopy - mágneses erő mikroszkóp MSP: mechanical stylus profilometry - profilometria LPM: non-contact laser profilometry - lézer profilometria CLSM: confocal laser scanning microscopy - konfokális lézerpásztázó mikroszkóp. Jelen munkánkban kiemeltük a leggyakrabban használt felületvizsgálati módszereket és ismertetem a módszerek elvét, alkalmazásuk előnyeit és hátrányait. Pásztázó elektronmikroszkóp (Scanning electron microscopy - SEM). A minta felületén folyamatosan változtatható nagyítási tartományt nagy mélységélességgel és sztereo módon képes megjeleníteni, információt adva a részletek alakjáról, szerkezetéről, méretéről és elhelyezkedéséről. Fókuszált, vékony elektron nyalábot futtatnak végig az objektum felületén. A nyaláb szekunder elektronokat vált ki, amelyeket detektálnak. A kép úgy jön létre, hogy a képernyő pontjainak helyzete megegyezik a letapogató sugár tárgyon levő helyzetével, míg a fényerő a sugár által 13

14 kiváltott elektronok számával lesz arányos. A felbontás 10 nm szélességű 1 nm mélységű. A keletkezett kép 3 D hatású, valódi térbeli információt azonban nem lehet vele nyerni, a kvantitatív méréshez nem nyújt elég információt. További hátránya, hogy a gerjesztő elektronnyaláb a tárgyat roncsolja. A SEM-et legtöbbször az implantátumon végzett felületkezelések ellenőrzésére használják. Más vizsgálat is végezhető vele, például a szervezet és implantátum határán kimutatták, hogy a korróziónak köszönhetően, a csontban fémszemcsék rakódtak le. [9, 16, 19, 31, 32, 35, 38, 56, 59, 61, 65, 77, 85]. Sztereo-pásztázó elektronmikroszkóp (Stereo-SEM). Két képet rögzít a mintáról, néhány fokkal eltérő irányból, így már valóban térbeli információt nyerhetünk, számítógépes feldolgozással a felület érdessége számszerűen is leírható. Bár a 3 D kép felbontása kicsit rosszabb az egyszerű SEM képnél, összességében mégis ez a legalkalmasabb módszer az analízisre nm között, különösen az összetettebb, erősen hullámos felületek esetén [9, 35, 100]. Röntgendiffrakció (X-ray Diffraction - XRD). A diffrakciós módszer (elhajlás a rácson) a minták besugárzásából és ezeken a megtört átmenő sugárnak a detektálásából áll. A besugárzás röntgennyalábbal történik. A módszer az anyag atomjainak térbeli elrendeződésének vizsgálatára, szilárd fázisban kristályszerkezetük meghatározására szolgál [9, 66, 80, 86]. A röntgendiffrakciós eljárás előnye, hogy nem roncsolja a Ti felületet (a fotonok nem okoznak fizikai, kémiai átalakulást), Egyéb alkalmazások: fázisazonosítás, szilárd oldatok összetételének, polimerek kristályossági fokának meghatározása. Atomi erő mikroszkóp (Atomic Force Microscop - AFM). Egy igen finom hegyű szonda halad végig a felületen, a szonda hegye és a minta atomjai közti kis erőhatásokat érzékelve ad jeleket. Ez a szonda laprugóra (cantilever) van felfüggesztve, ezzel képes követni az atomi méretű egyenetlenségeket. A tű és a felület között a távolságtól függően vonzó- vagy taszítóerő lép fel, amelyet a laprugó mér. A rugó mozgását megfelelő elektronika detektálja, és a kapott információkat átalakítva akár 3 D képet is kaphatunk. Felbontása mind szélességében, mind mélységében a legjobb, segítségével a felület topográfiája az atomi méretekig tanulmányozható. Az AFM segítségével vizsgált leggyakoribb paraméter az érdesség (roughness), ami a sima és az érdes felületek elkülönítésére alkalmas. Használatának gyakorlati követelményei: a szonda biztonságosan közelítse meg a felületet, a minta felületével párhuzamosan pásztázzon, a berendezést óvni kell a mechanikus és elektromos zajoktól. Az AFM előnye, hogy a 14

15 vizsgálatokat nem kell feltétlenül vákuumban végezni, mint a hasonló felbontású berendezéseken, hanem ezzel a mikroszkóppal természetes környezetükben (pl. folyadék cellában) lévő biológiai minták is vizsgálhatók, ellentétben a többi mikroszkóppal. Az AFM segítségével jól vizsgálhatóak a korróziós jelenségek során fellépő, felületen történő szerkezeti változások, valamint lehetséges a mikrobiológiai korróziót kiváltó baktériumok, gombák stb. morfológiájának tanulmányozása. Hátrány, hogy csak sima felületeken használható [9, 28, 33, 35, 36, 37, 49, 63, 67, 72]. Fáziskontraszt mikroszkóp (Interference microscopy - IM). A hagyományos fénymikroszkóphoz hasonlít, de ki van egészítve az objektívbe helyezett kontrasztlemezzel. Ennek segítségével a tárgy részleteit nem színbeli, hanem vastagságés törésmutatóbeli különbségük alapján látjuk. Felbontóképessége vertikálisan 1 nm, horizontálisan 200 nm. Előnye, hogy gyorsan lehet 3 D képet kapni az objektumról és eközben nem roncsol, hátránya azonban, hogy csak kis terület nézhető egyszerre. Az IM a stereo-sem-hez hasonlóan jól alkalmazható, de csak kisebb felbontásban (300 nm-0,5 µ) [9, 65] A titán korróziós vizsgálatai A legtöbb implantátumként használt ötvözet korróziós sebességét az ötvözet felületén képződő passzív réteg védőképessége, stabilitása határozza meg. Kvalitatíve a passzív film védőhatása jellemezhető vagy a passzív állapotban mérhető áramsűrűséggel vagy a mechanikailag illetve kémiailag sérült felület újrapasszíválódási képességével. A fémek és fémötvözetek elektrokémiai, korróziós viselkedését leggyakrabban modell oldatokban, polarizációs mérésekkel tanulmányozzák [70, 76, 99]: CV: cyclic voltammetry - ciklikus voltammetria Ocp: open circuit potential - nyitottköri potenciálmérések EIS: electrochemical impedance spectroscopy - elektrokémiai impedancia spektroszkópia. Potenciodinamikus vizsgálatoknál az elektródpotenciált két választott érték között, adott v sebességgel lineárisan futtatják, miközben az áramválaszt regisztrálják. 15

16 A ciklikus voltammetriás (CV) mérések hasonlóak a potenciodinamikus vizsgálatokhoz azzal a különbséggel, hogy a ciklikus voltammogramok felvételekor a potenciált a 2 választott elektródpotenciál között növekvő (pozitív irány), majd csökkenő (negatív irány) potenciálok irányában többször futtatják, és közben folyamatosan rögzítik az áramértékeket. A regisztrált (áram-potenciál) görbén, az elektrokémiai spektrumon megjelenő áramcsúcsok és platók alapján a fém/elektrolit határfelületen végbemenő elektród folyamatokra következtethetünk. Az elektrokémiai vizsgálatok lényege, hogy in vitro körülmények között a titán felületét olyan hatásoknak vessék alá, amelyek a szervezetben lejátszódó folyamatokat modellezik. A titánt különböző oldatokban vizsgálják, ahol az oldat összetételének, hőmérsékletének, valamint az áramerősség változtatásával a felületi réteg stabilitása, vastagsága, ellenállása, kapacitása mérhető. A vizsgálatokat savakkal (HCl, FeCl 3, H 2 SO 4, HNO 3, H 3 PO 4, NaOH, Cr 2 O 3, CH 3 COOH), műnyállal, Ringer-, Hank oldattal, izotóniás kloridoldattal, testhőmérsékleten és 7,3 7,5 ph mellett végzik [9]. Az implantátumok korróziójának vizsgálata, a megfelelő vizsgálati módszer kidolgozása az esetleges korróziós károsodás jellemzésére igen fontos feladat, mivel a korrózió kedvezőtlenül befolyásolja az implantátumok biokompatibilitását és mechanikai tulajdonságait [64, 76, 77, 87, 94]. Irodalmi adatok szerint a titán és a különböző Ti bázisú implantátumok korróziójának vizsgálatakor, a legtöbb munka, az ötvöző elemek és az elektródpotenciál hatását tanulmányozza a korrózió sebességére. Lopez és mtsai Ringer oldatban végzett korróziós vizsgálataik alapján megállapították, hogy Ti-6Al-4V ötvözeten kisebb korróziós sebesség mérhető, mint a vanádiumot nem tartalmazó implantátumon. Vizsgálataik szerint a legjobb korróziós tulajdonságot a Zr tartalmú ötvözet mutatott [48]. González és mtsai Ti és Ti ötvözetek elektrokémiai viselkedését Ringer oldatban vizsgálták. Nyitottköri potenciálon (Ocp) az impedancia spektrumok azt mutatták, hogy a Ti, Ti-15Mo-5Al és Ti-7Al-4.5V ötvözetek magas korróziós ellenállással rendelkeznek, míg a Ti-10Mo-10Al, Ti-5Al-2,5Fe ötvözetek porózus elektródként viselkedtek. A Mo megnövelte a passzív film stabilitását a Mo-klorid képződésének köszönhetően. A V és Fe ötvöző elemek javítják a passziválódási hajlamot és gátolják a β fázisú Ti korrózióját. Az Al károsan befolyásolja a Ti passziválódását és a korróziós ellenállását [20]. 16

17 Wen és mtsai a Ti-6Al-4V elektrokémiai korróziós tulajdonságait határozták meg három különböző biológiai folyadékban: vizeletben, vér szérumban és izületi folyadékban. Kimutatták, hogy az izületi folyadékban a kivált fémion koncentrációja jelentősen nagyobb volt, mint a vérben és a vizeletben [98]. A F - ion csökkenti a Ti és Ti ötvözetek korróziós ellenállását. F - ion tartalmú műnyálban végzett vizsgálatokkal bizonyították, hogy az ötvöző elemek nem befolyásolják a töltéscserét, de javítják a Ti (III) ionok diffúzióját és az oxidréteg növekedéséhez vezetnek. A vizsgálatok szerint a műnyálba merített Ti-6Al-4V felületén lévő TiO 2 réteg védő hatása megszűnt 0,1 % NaF koncentráció felett. A TiO 2 passzív filmréteg károsodása egy oldódó Ti-F komplex képződésével valósult meg (Na 2 TiF 6 ). A NaF oldathoz adott -marhából nyert albuminnal megelőzhető a Ti ötvözet romlása. [25]. Krupa és mtsai mesterséges testnedvben (simulated body fluid - SBS), 37 C-on vizsgálták a Na-implantáció hatását a titán korróziós ellenállására és bioaktivitására. Kimutatták, hogy a Na ionimplantáció rövid bemerítési idő esetében növeli, a hosszú bemerítési idő csökkenti a korróziós ellenállást. A merítést követően a minta felületére kálcium foszfátot vittek fel, mely nem alkotott folyamatos réteget a felületen. Az ion implantáció elősegítette az apatit réteg kialakulását [41]. Több munka foglalkozik a legoptimálisabb Ti felület kialakításával (mely megfelelő ellenállást biztosít a szervezet agresszív hatásaival szemben), valamint a spontán képződő vagy növesztett Ti oxidréteg tulajdonságainak vizsgálatával [33, 80, 85]. A Ti felületén 1,5-10 nm vastag spontán felületi oxidréteg képződik természetes környezetben, sóoldatokban, oxidáló savakban, szerves anyagokban. Az oxidfilm vastagsága anódos és termikus oxidációval növelhető, ami a fém biokompatibilitásának javulását eredményezi. A Ti/TiO 2 implantátumok korróziós stabilitását ennek az oxidrétegnek a stabilitása és tulajdonságai határozzák meg és nem maga a fém. A legtöbb implantátumként használt fém, ötvözet korróziós sebességét az implantátum felületén képződő passzív réteg védőképessége, stabilitása nagymértékben befolyásolja. A korróziós hatások vizes oldatban két reakción alapulnak: anaerob körülmények között a víz oxidáló hatására fémoxidok, hidroxidok, hidrogén képződik aerob körülmények között az oxigén oxidáló hatására fémoxidok, hidroxidok, képződése mellett nem keletkezik hidrogén. 17

18 A fémek elektrokémiai, korróziós viselkedését leggyakrabban modell oldatban, polarizációs mérésekkel tanulmányozzák háromelektródos elektrokémiai cellában. A potenciodinamikus (áram-potenciál) görbéken a potenciál függvényében megjelenő áramcsúcsok és platók alapján következtethetünk arra, hogy milyen folyamatok játszódnak le a fém/elektrolit határfelületen. Fiziológiás körülmények között (semleges közeg, gyengén oxidáló, sós oldat, testhőmérséklet, 37C ) a titán és titán ötvözetek rendkívül alacsony korróziós hajlamot mutatnak, amit nehéz mérni, és különbséget kimutatni a különböző titán elemek között (állatkísérletekben a TiNi korróziós mértéke kisebb volt, mint mm/év). Agresszív vizsgálati körülmények között (magas hőmérséklet, oxidáló só oldatok, koncentrált savak) a titán és titánötvözetek magas korróziós ellenállást mutattak más fémekkel (rozsdamentes acél, nikkel-króm, kobaltkróm ötvözetek) összehasonlítva [9, 48, 87] A titán felületén végbemenő kémiai folyamatok vizsgálata Az implantátumok biokompatibilitása nagyban függ a külső réteg tulajdonságaitól, ezért fontos, hogy minél részletesebb kémiai információval rendelkezzünk erről. Az alábbiakban felsorolt mérési módszerek a felület Å vastagságú külső rétegének kémiai tulajdonságait vizsgálják: SIMS: secondary ion mass spectroscopy - szekunderion tömegspektrometria XPS: X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA - electron spectroscopy for chemical analysis) - röntgen fotoelektron spektroszkópia AES: Auger electron spectroscopy - Auger elektron spektroszkópia ToF-SIMS: time-of-flight secondary ion mass spectroscopy - repülési idő tömegspektrometria ISS: ion scattering spectroscopy - ionszóródás spektroszkópia HREELS: high resolution electron energy loss spectroscopy - nagy felbontású elektron energiaveszteség spektroszkópia FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy - Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia. 18

19 A SIMS (szekunderion tömegspektrometria) módszer alkalmas a felületi oxidréteg vastagságának és homogenitásának meghatározására, valamint a nyomelem mennyiségben [ppm] jelenlevő szennyezők és ötvözők kimutatására. A SIMS mérések során ultranagy vákuumban ( Pa-nál kisebb nyomás mellett) a minta felületét nagy energiájú argon (Ar + ) ionokkal bombázzák, majd az Ar + nyaláb által a felületből kiporlasztott ionok tömegszám szerinti analízisét végzik el. Az ionok szétválasztására használt kvadrupól tömegspektrométer felbontóképessége 150 atomi tömegegység (atomic mass unit). A SIMS vizsgálat során az eredmények a vizsgált minta legfelső néhány atomi rétegéből származnak, tehát az információs mélység 1-2 nm. A vizsgált minta felülete akár atomi rétegenként is lemarható, a különböző mélységben levő rétegek összetétele meghatározható. Hátránya, hogy roncsolja a felületet (az ionbombázás során a felület lekopik) [9, 75, 77-79]. Az XPS (röntgen fotoelektron spektroszkópia) módszer alkalmas a felületi réteg kémiai összetételének (0,1-1 atom %-os kimutatási határ mellett) és kötésállapotának meghatározására. A kötési energia különbségek alapján, pl. a Ti, TiO, Ti 2 O 3 és TiO 2 fázisok megkülönböztethetőek egymástól. Az XPS méréseket is ultranagy vákuumban végzik. A mintát leggyakrabban MgKα sugárzást emittáló röntgenforrással gerjesztik, és az ismert energiájú röntgenfotonok által a mintából kiváltott fotoelektronok energiáját mérik. A sugár kölcsönhatásba lép az atom egyik (legtöbbször a legbelső) elektronjával és teljes energiáját átadva, fotonként megszűnik létezni. A röntgenfoton származhat röntgencsőből, szinkrotronból, és radioaktív preparátumból. Az XPS mérések során az eredmények a minta legfelső néhány atomi rétegéből származnak, tehát a módszer információs mélysége 2-10 nm. E módszer nagy előnye az, hogy nem roncsolja a legtöbb minta felületét (a fotonok nem okoznak fizikai, kémiai átalakulást) [6, 8, 9, 50, 75, 77-79, 86, 96]. Az AES (Auger elektron spektroszkópia) módszer alkalmas felületek, ill. vékonyréteg szerkezetek kémiai összetételének meghatározására (a kimutatható minimális elemkoncentráció 1 atom % körüli). A rendkívül kicsi, 5-10 atomi réteges vizsgálati mélysége miatt az Auger módszer csak ultranagy vákuum körülmények között használható. Az AES alkalmas - az argon ionos felületi bombázás kombinálásával - a mélységi elemeloszlás meghatározására is. Az Auger-elektronok keletkezése a fotóeffektushoz kapcsolható. Az atomot elhagyó fotoelektron távozása után fennmaradó betöltetlen energianívót egy magasabb kötési energiájú elektron foglalja el. Az elektronátmenet során felszabaduló karakterisztikus energia vagy egy 19

20 röntgenfoton, vagy egy karakterisztikus kinetikus energiájú Auger elektron keltésére fordítódik. Az Auger elektronok gerjesztéséhez elektronágyú áll rendelkezésre, mellyel 1 na és 3 μa közti besugárzó elektron áram, valamint 0,5-10 kev gyorsító feszültség állítható be. A besugárzó elektronok fókuszálhatóságától függően változik a módszer laterális felbontóképessége, ennek értéke kb. 1 μm. Ez azt jelenti, hogy az elektronnyaláb pásztázásával felületi elemeloszlás térkép készíthető, azaz a kémiai összetétel laterális inhomogenitásai kimutathatóak. Mélyebb rétegeket csak úgy vizsgálhatunk vele, ha folyamatosan lecsiszolunk egy-egy réteget, vékonyítva a mintát. Legtöbbször az oxigén eloszlását illetve az oxidréteg vastagságát mérik, mivel az oxidréteg jelenti a fő ellenállást a további korrózióval szemben [9, 45, 48, 54, 63, 75, 77, 79, 87] A titánfelület rétegvastagságának vizsgálata Az oxidréteg vastagságának megállapításához általában optikai módszereket, főleg ellipszométert használnak, de egyes, a felület kémiai tulajdonságának vizsgálatára használatos módszerek is lehetőséget adnak a rétegvastagság indirekt meghatározására: SIMS ELM: ellipsometry - ellipszometria A felületi reakciók mérése Az implantátumok szervezetbe kerülésekor lejátszódó folyamatok (fehérje adszorpció, sejttapadás, stb.) megértéséhez szükség van olyan mérési módszerekre, amelyek lehetővé teszik ezek modellrendszereken történő dinamikus tanulmányozását. A leggyakrabban használt in-situ, jelölést nem igénylő bioszenzorok a következők: ELM SPR: surface plasmon resonance - felületi plazmon rezonancia QCM: quartz crystal microbalance - kvarc kristály mikromérleg OWLS: optical waveguide light-mode spectroscopy - integrált optikai hullámvezető spektroszkópia RM: resonant mirror -rezonáns tükör. 20

21 4.6. A felületi erők vizsgálata Azt, hogy egy implantátum milyen kölcsönhatásba lép a környezetével, a felületének energetikája szabja meg. Ezeknek a felület közeli erőknek a feltérképezésére szolgálnak a következő módszerek: AFM LFM: lateral force microscopy - laterális-erő mikroszkóp SFA: surface force apparatus - felületi erőmérő készülék A felületi rendeződést, orientációt vizsgáló módszerek A titán felülete és a sejtek közötti kölcsönhatás kialakulásakor nemcsak a felületen lévő molekulák mennyisége, hanem azok orientációja és konformációja is fontos részét képezi a vizsgálati lehetőségeknek. A molekulán belüli kémiai kötések irányítottságáról illetve a molekulák rendezettségéről nyújtanak információt a következő módszerek: AFM HREELS FTIR XPS. A titán felületén - anódos és termikus oxidációval - kialakított oxidrétegről (TiO 2 ) a szakirodalomban a következő pozitív tulajdonságokról számolnak be: a TiO 2 védőréteg stabil [9, 77, 87] ha a TiO 2 réteg megsérül, a szervezet oxidáló körülményei között, képes újraképződni, az oxidréteg idővel képes növekedni [44, 95] mérhető az oxidréteg vastagsága, minél vastagabb, annál jobb a biokompatibilitás [101] alacsony elektromos vezetőképesség [80, 85, 87] biológiai környezetben az oxidréteg izolál [75] az oxidréteg képes fehérjéket adszorbeálni és a csontsejtek differenciálódását indukálni [9, 14] 21

22 magas korróziós és termodinamikai ellenállást fejt ki a szervezetben lezajló kémiai folyamatokkal szemben élettani ph értékek mellett, meggátolja a metallosist, a titánrészecskék kiválását [48, 49, 75, 80, 87] a szervezetre nem toxikus és allergiás reakciókat sem figyeltek meg [17, 27, 40, 53, 55, 73, 85, 87, 94] a titán és a növesztett anódos oxidréteg között lényegesen nagyobb a tapadóerő, mint más felületkezelések során felhordott bevonatok esetében [29] a vastag oxidréteg és az érdesség hatására a csont-implantátum kapcsolat szorosabb, mint más felületkezelt implantátumok esetében [40, 54, 71, 79, 80, 84] a TiO réteg a titánhoz közel, a TiO 2 felületen van és stabil mikroszerkezetet mutat [44, 46, 85, 101] Rtg, CT, MRI felvételek készítését lehetővé teszi, illetve nem befolyásolja számottevően [87] többszöri sterilizálás után is képesek megtartani pozitív tulajdonságaikat [87] a gyártási eljárások megismételhetőek [87] az anatáz és rutil sűrűségétől függően különböző színűek az implantátumok és a színekből következtetni lehet az anódos oxidréteg vastagságára is [38, 45, 80, 87] a felület nem érintkezik gyártási eszközökkel, így a felületre kevesebb szennyeződés rakódhat le [87] a gyártás során keletkezett szennyeződések eltávolíthatóak. A legfrissebb felmérések igazolták, hogy a hagyományosan gyártott titán implantátumokat napjainkban a felületkezelt implantátumok generációja háttérbe szorította [23, 43, 47, 63, 71, 74, 85]. Az implantátum felületén az oszteoblaszt sejtek aktivitása felelős a csontképződésért, műtét után extracelluláris mátrix képződik és mineralizálódik, ami növeli az implantátum csonthoz való tapadási készségét a beültetés korai stádiumában. A felületkezelt implantátum közelében a csont magasabb mineralizációs hajlamot mutat (4-8 hét) [12, 39, 44, 46]. Ivanoff és mtsai megfigyelései is arra utalnak, hogy az anódosan felületkezelt implantátumok körüli csontképződés stabilabb és erősebb tapadást eredményezett, mint az öntött implantátumok esetében [29]. Sul YT és mtsai megfigyelték, hogy a nm oxidvastagságú implantátumok szorosabb csonttapadást és mineralizációt mutattak, mint a 200 nm rétegvastagságú implantátumok. A 200 és 600 nm rétegvastagságú implantátumokat 22

23 összehasonlítva kimutatták, hogy a megnövekedett csontképződés a felület porozitásának és a megváltozott kristályszerkezet hatásának köszönhető. Az oxidréteg vastagságában, összetételében, kristályosodási mértékében, pórusok kialakulásában, felület érdességében fontos szerepet játszik az elektrolit koncentrációja, a használt áramerőség, hőmérséklet és az anód/katód felületek aránya [81, 82, 101]. A felületi (redox) reakciók elősegítik a sejtek és szövetek növekedését a titán/szervezet határfelületen. Az oxidréteg növeli a felület hidrofóbitását, ezáltal a fibrinogén adszorpcióját [44]. Különböző vizsgálatok során megfigyelték, hogy a titán felületmódosításakor a Ti 2 O 3 a titánhoz közel, a TiO 2 viszont a felületen helyezkedik el. Ez azért fontos, mert a titán felülete (TiO 2 ) képes adszorbeálni a fehérjéket a szöveti nedvekből (albumin, laminin V, glükozaminoglikán, kollagenáz, fibronektin, fibrinogen) és ezek segítségével jön létre a sejttapadás a felületkezelt implantátumokon [9, 90]. Xiaolong Z és Larsson C kimutatta, hogy a komplement faktor (C3) emelkedése összefüggésben van a felület TiO 2 kristályszerkezet vastagságával, ha az oxidréteg nő, akkor nő a felület C3 koncentrációja is [44, 101]. A szennyeződések miatt a sejtek növekedése és implantátumokhoz való tapadása rendkívül csökken. Ha a felület morfológiáját kémiailag megváltoztatjuk, a szennyeződés által okozott citotoxicitást citokompatibilitás válthatja fel, a sejtek elhalása helyett pedig sejtkolonizáció következhet be [10, 57]. Vitathatatlan tény, hogy a felületkezelések által elért pozitív felületi tulajdonságokat rendkívül kedvezőtlenül befolyásolják a felületen megtalálható szennyeződések. A szennyeződések származásának lehetőségei közül megemlíteném: a gyártás folyamatát a felületkezelési technikák során lezajló folyamatokat a tárolás módját a műtéti előkészületeket, beavatkozásokat stb. Lausmaa és mtsai szerint a Ti, O, H származhat a TiO 2, Ti 2 O 3, TiO, OH, H 2 O ből; a C, N a tisztítás során maradhat a titán implantátum oxidált felületén, valamint származhat a levegőből való adszorpció során. Ezek inkább adszorbeált elemek és nem az oxidréteg részét képezik, mivel az oxidrétegből 50 Å eltávolítása után a szennyezők mennyisége drasztikusan lecsökkent. A C, N eltűnt, tehát adszorbeált rétegként volt jelen a felületen [45]. 23

24 Morra és mtsai szerint tisztításkor Mg, Na, Ca, Cl, P a műszerekkel való érintkezés során Zn kerülhetett a felületre, a megmunkálás, savazás során pedig N, F, homokszóráskor pedig Al kerülhetett a felszíni rétegbe. A N, Ca, Fe biológiai folyamatoknak köszönhetően szabadulhatnak fel a szervezetből és kerülhetnek a felületre. A felületkezelési eljárások során azt figyelték meg, hogy a savazással és plazmaszórással felületkezelt Ti/TiO 2 implantátumok kevésbé szennyezettek, mint a mechanikailag megmunkált felületek [57]. Joob-Fancsaly A és mtsai hasonló pozitív eredményekről számoltak be, nagy teljesítményű lézersugárral felületkezelt fogászati implantátumok összehasonlításakor [31-33, 36]. Az oxidált felületű Ti/TiO 2 implantátumok gyártása közben használt elektrolitból a titánlemezek felületére foszfát (PO 4 ) és hidrogén-foszfát (HPO 4 ) anionok épülnek be. A foszfor és foszfát ionok elősegítik a csontintegrációt, ezáltal növelik az implantátum biokompatibilitását. A beültetett implantátumokon megfigyelték a Ca, P nagyságrendi növekedését, ami arra enged következtetni, hogy ezek az ionok beépültek az oxidrétegbe [44, 101]. Larsson, Baier és mtsai a kémiai tisztítás után keletkezett N ionokat mutattak ki, ami pl. (HF-NO 3 ) savból, a megmunkálásnál használt felületaktív tisztítószerekből, detergensekből vagy anorganikus filmekből származhat. Az autoklávban sterilizált műszerek korróziós termékei, illetve a műtét során - más fémekkel - való érintkezés is szennyezheti az implantátumok felületét [5, 44]. A szennyeződések csökkentik a Ti felületi energiáját, ami felelős a fehérjék adszorpciójáért, valamint oxidációs reakciókat katalizálhatnak, melyek kioldják a titánt a felületből [60, 92]. 24

25 5. CÉLKITŰZÉSEK Célunk, az anódosan és termikusan kialakított (TiO 2 ) oxidréteg orvosbiológiai tulajdonságainak, stabilitásának és tartósságának szisztematikus vizsgálata, felületanalitikai és elektrokémiai módszerekkel. Ezen túlmenően az elektrokémiai módszerekkel meghatározott eredmények statisztikai elemzése és összehasonlítása. A vizsgálatok tervezésénél a következő kérdésekre kerestük a választ: 1. Milyen kristályszerkezetet mutatnak az anódos és termikus oxidációval felületkezelt Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek? 2. Milyen mértékben korrodeálódnak az anódosan és termikusan felületkezelt Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek a szervezetben? 3. Az anódosan és termikusan felületkezelt Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek és a felületkezeletlen Ti osteosynthesis lemezek korróziós aktivitásának összehasonlítása. 4. Milyen összefüggés van a Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek morfológiája és korróziós aktivitása között? 5. Milyen elektrokémiai változás történik a TiO 2 rétegben, ha a gyári Ti/TiO 2 osteosynthesis lemez művileg megsérül? 6. Statisztikai vizsgálatokkal kimutatható-e szignifikáns különbség a felületkezelt Ti minták és a különböző ideig betegekbe beültetett Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek között? 25

26 6. ALKALMAZOTT ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK A titán felületén anódos és termikus oxidációval kialakított TiO 2 réteg tanulmányozása során célunk olyan pontos és megbízható vizsgálati módszerek alkalmazása, amellyel az alapfém felületének szerkezetét, összetételét és a szervezet/implantátum határfelületén lejátszódó folyamatokat jobban megismerhetjük. A kapott információknak a későbbiekben fontos szerepük van a minták összehasonlításában, a szervezetben bekövetkezett változások megfigyelésében és a hosszú távú eredmények kiértékelésében. A sikeres munka feltétele a megfelelő vizsgálatok kiválasztása és kombinációja, mivel nem létezik olyan módszer, mely egymagában választ adhatna minden felmerülő kérdésre. A doktori munkám során alkalmazott elektrokémiai vizsgálati módszerekkel a gyári Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek vizsgálatán kívül a betegből eltávolított Ti/TiO 2 lemezek tanulmányozására is lehetőség nyílik. A komplex vizsgálat sorozatok segítséget nyújtanak az osteosynthesis lemezeket ért agresszív, korróziós hatások kimutatására és kiértékelésére, valamint az implantátumok felülete és a szervezet között lejátszódó bonyolult folyamatok hosszú távú megfigyelésére is. Kutatásainkat egy széles interdiszciplináris együttműködés kialakításával valósítottuk meg a következő intézetek részvételével: Műtétek: Semmelweis Egyetem Szájsebészeti és Fogászati Klinika, Budapest Felületanalitikai vizsgálatok: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Atomfizika Tanszék Lausanne Műszaki Egyetem, Kristálytani Laboratórium Elektrokémiai, korróziós vizsgálatok: Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány (BAYATI), Anyagtudományi és Technológiai Intézet, Budapest. A felületanalitikai vizsgálatokat (XRD, SEM, optikai mikroszkóp) gyári és betegekből eltávolított Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezeken végeztük. Az elektrokémiai, korróziós vizsgálatok során (CV, EIS, Ocp), különböző módon felületkezelt korong, lemez ill. csavar alakú mintákat és betegekből eltávolított Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezeket használtunk fel (2. táblázat, 2. ábra). 26

27 2. Táblázat: az elektrokémiai vizsgálatok során felhasznált minták. Minta Korong (darab) Lemez (darab) Csavar (darab) csiszolt (cs) polírozott (p) polírozott és passzivált (pp) =anódosan és termikusan oxidált hónapig beültetett hónapig beültetett évig beültetett Ábra: felületkezeletlen és anódosan felületkezelt Ti/TiO 2 korongok és lemezek Az osteosynthesis Ti lemezek anódos és termikus oxidációja Vizsgálatainkat, standard eljárással készült, osteosynthesishez használt Ti/TiO 2 lemezeken végeztük (Protetim Kft., Promed 2000 Kft. - Hódmezővásárhely). Az általunk vizsgált Ti osteosynthesis lemezek az orvosi gyakorlatban alkalmazott nagytisztaságú titánból (ISO 5832/II), az alábbi felületkezelési eljárással készültek: a Ti 27

28 lemezek mechanikus és vegyi tisztítását követően anódos és termikus oxidáció következett. Az anódos és termikus oxidációt hőkezelt (300 C, 2 30 perc) Ti lemezen, 5 tömeg %-os Na 2 H(PO 4 ) oldatban, szobahőmérsékleten, 0,25 sec időtartamú feszültséglépcsőkkel végezték 80 V, az ismétlésnél 79 V feszültség eléréséig, végül az anódos oxidálást, mosást-szárítást és a hőkezelést megismételték. A réteg minősége nagyban függ a felület tisztaságától, az elektrolit anyagától, az elektromos feszültségtől, a feszültségnövelés sebességétől, a hőkezelés időtartamától A Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek műtéti behelyezése és eltávolítása A műtétek a következő protokoll szerint történtek: beültetés előtt az implantátumokat Wipak Medical fóliában Getinge autoklávban (135 C, 2,1 atm, 35 perc) sterilizáltuk. A felületkezelt lemezeket csonttörések rögzítéséhez használtuk (3. ábra). 3. Ábra: Ti/TiO 2 osteosynthesis lemez műtéti behelyezése. 28

29 A lemezt a periosteum alá, közvetlenül a csontfelszínre helyeztük fel (a lemez formájából adódóan egyértelmű, hogy melyik felszíne helyezkedik el a csonton és melyik a periosteum alatt). A mucoperiostealis lebenyképzéshez alkalmazott metszésvonal a lemeztől távol helyezkedik el, a sebet per primam zárjuk, ezáltal a hám benövése a területre kizárható. A lemez rögzítéséhez ugyanolyan anyagú és ugyanazzal a módszerrel felületkezelt csavarokat alkalmaztunk. A vizsgálatokhoz intakt hámborítás alatt gyógyult Ti/TiO 2 lemezeket használtunk fel. A lemezfelszínt a behelyezéskor ill. eltávolításkor használatos műszerek (raspatórium, fúró, csavarhúzó) és csavarok megsérthetik. Az elektrokémiai méréseket megelőzően az implantátumokat az emberi szervezetből való eltávolítás után desztillált vízzel ultrahangos fürdőben (Branson) tisztítottuk 30 percig Felületanalitikai vizsgálatok Röntgendiffrakció (XRD) A felületkezelt Ti/TiO 2 implantátum röntgendiffrakciós vizsgálatát STOE diffraktométeren végeztük (4. ábra). 4. Ábra: STOE röntgendiffraktométer. A generátort 55 kv és 40 ma-re állítottuk. A röntgensugárzást grafit kristállyal (MoKα) monokromatizáltuk λ=0,71073 Å hullámhosszúságon, a nyalábot egy 0,8 mm 29

30 átmérőjű kollimátoron keresztül vezettük a mintára, amelytől 90 mm távolságban helyezkedett el a detektor. A szobahőmérsékletű mintáról (293 K) gyűjtött adatokat 60 percen keresztül regisztráltuk. A röntgennyaláb az 5. ábrán jelzett A pontban érte a Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezt. 5. Ábra: a röntgennyaláb a Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezt az A pontban érte Optikai mikroszkóp Optikai mikroszkóppal megvizsgáltuk 1880 nagyításban, milyen különbség van a felületkezeletlen Ti lemezek és a gyári, Ti/TiO 2 anódosan és termikusan felületkezelt lemezek morfológiája között. A mintákat különböző módon felületkezeltük: a. csiszolt (cs) b. polírozott (p) c. polírozott és passzivált (pp). Ez utóbbi ugyanaz a felület, mint az anódos és termikus felületkezeléssel előállított gyári Ti/TiO 2 osteosynthesis lemez felülete Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) Pásztázó elektronmikroszkóp segítségével megvizsgáltuk a felületkezelt Ti/TiO 2 osteosynthesis lemezek felületét gyári ill. betegekből eltávolított mintákon. Az anódosan és termikusan növesztett TiO 2 réteg stabilitását gyári és 20 napig Cl - oldatban bemerített mintákon vizsgáltuk. Az utóbbi esetben a mintákat ciklikusan felmelegítettük 37ºC-ra (8 óra), majd szobahőmérsékleten tároltuk (16 óra). A LEO 1540 XB téremissziós pásztázó elektronmikroszkóp felbontását 20 kev gyorsító feszültség mellett 1,1 nm-re; 1 kev-nál pedig 2,8 nm-re állítottuk. 30

31 6.4. Elektrokémiai, korróziós vizsgálatok Ciklikus voltammetria (CV) és elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS) Az összehasonlító elektrokémiai vizsgálatok során minden esetben standard 3 elektródás elektrokémiai mérőcellát alkalmaztunk, a referencia elektród telített kalomel (SCE, Hg 2 Cl 2 ) elektród, az ellenelektród pedig platina elektród volt. Az elektrokémiai mérések Ar gázzal átbuborékoltatott kloridoldatban (0,75 g/dm 3 KCl és 8,5 g/dm 3 NaCl) szobahőmérsékleten történtek. Az elektrokémiai impedancia méréseket Voltalab potenciosztáttal 1,75 V elektródpotenciálon, 100 khz 10 Hz frekvencia tartományban végeztük. A segédelektród nagy felületű Pt háló volt. A munkaelektród az összehasonlító vizsgálatokban 19 mm átmérőjű korongelektród, a szervezetből eltávolított osteosynthesis Ti/TiO 2 implantátumok pedig lemez alakúak voltak (2. ábra). A mintákat a polarizációs mérések előtt propilalkoholban, ultrahangos kezeléssel tisztítottuk. A műtétek során a Ti/TiO 2 felületkezelt lemezek sérülhetnek. Vizsgálatunk során fényt akartunk deríteni arra, hogy milyen elektrokémiai változások történnek, és milyen folyamatok mennek végbe a sérült oxidrétegben. Ennek érdekében művileg sérült gyári Ti/TiO 2 mintákon ciklikus voltammogramokat vettünk fel. Az egyenáramú és váltóáramú mérések során használt műszereket a 6., 7. ábrán szemléltetjük. 31