لماذا يتمتع التيتانيوم بعلاقة عالية بجسم الإنسان؟

السبب الرئيسي للاستخدام المتكرر للتيتانيوم في جسم الإنسان هو التوافق الحيوي للتيتانيوم والأسطح النشطة بيولوجيًا المعدلة سطحيًا. الخصائص السطحية التي تؤثر على التوافق الحيوي هي خصائص السطح، مقاومة الموقع المكاني، ومواقع الارتباط، والكارهة للماء (البلل). تم تحسين هذه الميزات لإنتاج الاستجابة الخلوية المطلوبة. يتم طلاء بعض الغرسات الطبية وكذلك أجزاء من الأدوات الجراحية بنتريد التيتانيوم. يعتبر التيتانيوم أفضل معدن متوافق حيوياً بسبب مقاومته للتآكل بواسطة سوائل الجسم، والخمول البيولوجي، وقدرته على الاندماج العظمي، وحد التعب العالي. إن قدرة التيتانيوم على تحمل البيئة القاسية للجسم هي نتيجة للتكوين الطبيعي لطبقة أكسيد واقية في وجود الأكسجين. يلتصق فيلم الأكسيد بقوة، وهو غير قابل للذوبان وغير منفذ كيميائيًا، مما يمنع المعدن من التفاعل مع البيئة المحيطة به. يُعتقد أن قدرة التيتانيوم على شفاء العظام تنبع من ثابت العزل الكهربائي العالي لأكسيد سطحه، الذي لا يفسد البروتينات. إن قدرة التيتانيوم على الارتباط جسديًا بالعظام تجعله متفوقًا على المواد الأخرى التي تتطلب استخدام مواد لاصقة للبقاء ملتصقًا. تستمر غرسات التيتانيوم لفترة أطول وتتطلب قوة أكبر لكسر الروابط التي تربطها بالجسم مقارنة بالبدائل. تلعب الخصائص السطحية للمواد الحيوية دورًا مهمًا في تحديد الاستجابة الخلوية (التصاق الخلايا وانتشارها) للمادة. تسمح البنية الدقيقة للتيتانيوم والطاقة السطحية العالية له بتحفيز تكوين الأوعية الدموية، مما يساهم في عملية شفاء العظام. اعتمادًا على حالة الأكسدة الخاصة به، يمكن أن يحتوي التيتانيوم على العديد من إمكانات القطب الكهربائي القياسية المختلفة. يحتوي التيتانيوم الصلب على إمكانات إلكترود قياسية. المواد ذات إمكانات إلكترود قياسية أعلى هي أسهل في تقليلها وصنع مؤكسدات أفضل. يفضل التيتانيوم الصلب الأكسدة، مما يجعله عامل اختزال أفضل. يخمد التيتانيوم بشكل طبيعي، ويشكل طبقة أكسيد تصبح غير متساوية ومستقطبة مع التعرض للبيئة المادية. مع مرور الوقت، يؤدي هذا إلى زيادة امتصاص مجموعات الهيدروكسيل والبروتينات الدهنية والجليكوليبيدات. يؤدي امتصاص هذه المركبات إلى تغيير تفاعل المادة مع الجسم ويمكن أن يحسن التوافق الحيوي. في سبائك التيتانيوم مثل التيتانيوم الزركونيوم والتيتانيوم النيوبيوم، لا يتم إطلاق أيونات الزركونيوم والنيوبيوم المنطلقة بسبب التآكل إلى جسم المريض ولكن يتم إضافتها إلى طبقة التخميل. تضيف عناصر صناعة السبائك في طبقة التخميل درجة من التوافق الحيوي ومقاومة التآكل، اعتمادًا على تركيبة السبيكة الأصلية للمعدن المضيف قبل التآكل. من خلال زيادة قابلية البلل، يمكن للزرعة تقليل الوقت اللازم لشفاء العظام عن طريق السماح للخلايا بالارتباط بسهولة أكبر بسطح الزرعة. يمكن تغيير ترطيب التيتانيوم عن طريق تحسين معلمات العملية مثل درجة الحرارة والوقت والضغط. يؤدي احتواء التيتانيوم على طبقة أكسيد مستقرة تتكون أساسًا من ثاني أكسيد التيتانيوم إلى تحسين قابلية بلل الزرعة عند ملامستها للسوائل الفسيولوجية.