Aktualne Problemy Biomcchaniki, nr 1/2007 52 Maciej HAJDUGA, Kamila ORACZ, Katedra i Zakład Farmakologii, Śląska Akademia Medyczna, Zabrze IDENTYFIKACJA ZMIAN ZAWARTOŚCI TLENU VV WARSTWIE WIERZCHNIEJ POWŁOK GALWANICZNYCH W KONTAKCIE Z TKANKĄ ŻYWĄ Streszczenie. W opracowaniu przedstawiono wyniki badań utleniania cyny i niklu jako warstwowych powłok galwanicznych na bazie cienkich drutów z żelaza Armco oraz czystej miedzi. Grubość powłok galwanicznych wynosiła 0,003mm. Tytułem kontrastu zaimplantowano złoto do tkanki mózgowej i podskórnej szczurów. Analizowano zmiany pierwiastka podstawowego - metalicznego oraz tlenu w badanych mikroobszarach przed i po implantacji. Wstępne wyniki badan wskazują na przechodzenie atomów tlenu z powierzchni niektórych pierwiastków metalicznych do tkanki żywej, szczególnie mózgowej. Informuje to o dyfuzji tlenu i absorpcji przez żywą tkankę tego pierwiastka. Natomiast niektóre z badanych metali wskazują, że dyfuzja i wsteczna dyfuzja tlenu w badanych obszarach pozostaje stabilna. 1. WSTĘP W licznych pracach doświadczalnych i klinicznych wykazano, że korozji ulegają implanty wykonane ze wszystkich podstawowych stopów metali, nawet stopów metali szlachetnych. Przyczyniają się do tego wyjątkowo silne właściwości korozyjne środowiska biologicznego, a uwolnione w tym procesie produkty korozji i jony metali działają cytotoksycznie, rakotwórczo bądź alergizująco [1,2, 3]. Niekorzystny wpływ na organizm może pojawić się w sytuacjach, gdy w kompleksowym leczeniu istnieje konieczność zastosowania kilku rodzajów materiałów. Należy zachować ostrożność przy ich doborze, gdyż wiadomo, że obecność w elektrolicie dwóch różnych metali oddalonych od siebie w szeregu napięciowym prowadzi do korozji i uwalniania jonów o niższej elektroujemności [4]. Właściwości korozyjne oraz biotolerancja materiałów na implanty nie są jeszcze w pełni poznane. Biotolerancje określa się na podstawie badań histopatologicznych tkanki na granicy tkanki i implantu po różnych okresach czasu, a odporność korozyjną - stosując metodę potencjodynamicznej i potencjostatycznej polaryzacji anodowej. Najważniejsze jednak są wyniki badań klinicznych, po długotrwałym przebywaniu implantu w organizmie i jego reaktywności w środowisku tkankowym. Właściwy dobór materiału endoprotezy, jej konstrukcja, jakość warstwy wierzchniej elementów składowych mają istotny wpływ na długotrwałość okresu jej użytkowania [5],
Analiza zmian stężeń tlenu w wybranych materiałach... 53 W organizmie ludzkim występuje 11 pierwiastków o podstawowym znaczeniu biologicznym. Obecność materiału implantowanego w organizmie, jego korozja w konsekwencji metaloza mogą stać się także źródłem biopierwiastków i przyczynić się do rozwoju niekorzystnych reakcji [6, 7, 8], Doniesienia literaturowe pokazują, że elementy zużycia metalu i chroniczny stan zapalny łącznie Z tkanką Ziarninową są związane z nadmiernym występowaniem pierwiastków powodujących te reakcje [9]. 2. MATERIAŁY I METODYKA BADAŃ Do badań przeznaczono dwa materiały metaliczne: żelazo powlekane miedzią oraz miedź cynowaną w postaci drutów o średnicy 0 = 0,5 [mm]. Wyniki analizy chemicznej materiałów podano w tabeli 1. Lp. 1. Tabela 1. Średni skład chemiczny materiałów przeznaczonych do badań Średni skład podano w wg [% Rodzaj materiału pierwiastek metaliczny tlen Żelazo pokryte miedzią Fe 56,612 0,884 Cu 43,560 Miedź pokryta cyną 2. Cu 1,532 Sn 95,081 2.271 Skład chemiczny identyfikowano na mikroanalizatorze rentgenowskim firmy Jeol J7 z komputerowym systemem rejestracji. Analizie poddano warstwę wierzchnią drutów przeznaczonych do badań. Implanty śródmózgowe umieszczono w obu półkulach tkanki mózgowej szczurów (rys. 1, 2.). Natomiast implanty podskórne w tkance podskórnej w okolicy grzbietowej (rys. 3.). Dany osobnik posiadał implanty z tego samego rodzaju materiału. Przykładowy kształt próbek przedstawiono na rysunku 4. Rys. 1. Schemat przekroju czołowego na wysokości szwu wieńcowego. Strzałki wskazują miejsca implantacji próbek Rys. 2. Implanty domózgowe
54 M. Hajduga, K. Oracz V V,<«tffr jjj ' " V Rys. 3. Implanty podskórne Rys. 4. Implant domózgowy Na czas zabiegu implantacji zwierzęta były czasowo uśpione wstrzyknięciem wodzianu chloralu w dawce 300mg/kg czystej substancji dootrzewnowo. Czas pozostawania implantów w organizmie żywym wynosił 40 dni. W tym czasie nie stwierdzono u szczurów zmian bądź zachowań niefizjologicznych. U zwierząt była stosowana standardowa dieta laboratoryjna oraz został zapewniony swobodny dostęp do wody pitnej. Przed instalacją implantów i po wyjęciu, przemyto ich powierzchnię 10-cio % roztworem alkoholu w wodzie, a następnie przeprowadzono obserwację pod mikroskopem skaningowym. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono strukturę warstwy wierzchniej implantów w formie drutów jako wyniki z mikroskopu skaningowego. Rys. 5. Żelazo miedziowane - pow. 1000x Rys. 6. Miedź cynowana - pow. 1000x 3. WYNIKI BADAŃ Po wyjęciu implantów z przestrzeni mózgowej szczurów oraz tkanki podskórnej sporządzono stosowne preparaty umożliwiające obserwacje na mikroanalizatorze rentgenowskim oraz mikroskopie skaningowym. Wyniki przedstawione na rysunkach 7, 8, 9, 10.
Analiza zmian stężeń tlenu w wybranych materiałach... 55 Rys. 7. Żelazo miedziowane - implant domózgowy. Pow. 1000x podskórny Pow. 400x Rys. 9. Miedź cynowana - implant Domózgowy. Pow. 1000x Rys. 10. Miedź cynowana - implant podskórny. Pow. 1000x Preparatyka polegała na izolacji materiału metalicznego poprzez usunięcie tkanek oraz pozostałości płynu fizjologicznego. Wyniki badań analitycznych mających na celu określenie stanu utlenienia powierzchniowego próbek przedstawiono w formie wykresów - widmo EDS, na rysunkach 11, 12, 13, 14. Cps 100 80 Fe 60 40-f 20-; o-i Cu Rys. 11. Analiza spektralna - widmo EDS, Żelazo powlekane miedzią - implantdomózgowy Energy (kev)
56 M. Hajduga, K. Oracz Rys. 12. Analiza spektralna - widmo EDS, Żelazo powlekane miedzią - implant podskórny Energy (kev) Energy (kev) Rys. 13. Analiza spektralna - widmo EDS, Miedź cynowana - implant domózgowy Sjh 100 1 Sn 50 0 0 Sn i C Sn Sn) U ; Sn Sr, ęn V* Cu Cu Energy (ke\0 Rys. 14. Analiza spektralna - widmo EDS, Miedź cynowana - implant podskórny
Analiza zmian stężeń tlenu w wybranych materiałach... 57 Porównując wyniki spektrum można stwierdzić bardziej intensywne utlenienie warstwy wierzchniej - elektrolitycznej dla miedzi zaimplantowanej do tkanki podskórnej. Odmiennie natomiast zachowywały się powierzchnie implantów będące w kontakcie z tkanką mózgową. Potwierdzają to wyniki strukturalne uzyskane po obserwacji pobocznie próbek zaimplantowanych w warunkach jak powyżej. Można wnosić, że wyniki analizy spektralnej w połączeniu z badaniami strukturalnymi warstwy wierzchniej implantów są kompatybilne i dają możliwość oceny odporności korozyjnej warstwy elektrolitycznie naniesionej cyny na materiał jakim jest miedź charakteryzując antykorozyjność powłoki. Jako implant przeciwstawny w stosunku do materiału jakim była cyna i miedź badano złoto o zawartości 24 karat. Wyniki otrzymane z kilkunastu miejsc pomiarowych dla próbki implantowanej w mózgu oraz tkance podskórnej wskazują na zachowanie odporności korozyjnej bez względu na umiejscowienie implantu. Badania histopatologiczne zmian jakie występują w obecności tkanki żywej są w trakcie opracowania. 4. WNIOSKI Na podstawie otrzymanych wyników badań i dyskusji wyników można następujące wnioski: przedstawić 1. Implant ze złota bez względu na jego lokalizację w organizmie żywym i czas przebywania w organizmie 40 dni nie ulega utlenianiu powierzchniowemu. 2. Stwierdzono, że powłoka galwaniczna miedzi położonej na żelazie Armco posiada niższą odporność korozyjną w stosunku do powłoki elektrolitycznej cyny położonej na miedzi. LITERATURA [1] Klotzer W.: Metalle und Legierungen Korrosion, Toxikologie, sensibilisierende Wirkung (Teil TI), ZWR 1991, 100, 6, 398-402. [2] Howie D., Rogers S., McGee M., Hayenes D.: Biologie effects of cobalt chrome in cell and animal models. Clin. Ortoph. 1996, 329 Suppl., 217-232. [3] Szymański A.: Biomineralizacja I biomateriały. PWN, Warszawa 1991. [4] Tai Y De Long R., Goodkin R. J., Daglas W. H.: Leaching of nickel, chromium and beryllium ions from base metal alloy in an artificial oral environment. J. Prosth. Dent. 1992,68, 4, 692-703. [5] Hędzelek W., Szponar E., Bobowicz Z.: Risk of employment of various alloys in prosthetic treatment. 22-nd Conference European Prosthodontic Association in collaboration with Prosthodontic Division of Finnish dental Society. Turku, August, 27-29 lh 1998. [6] Archibeck M., Jacobs J., Roebuck K., Giant T.: The Basic Science of Periprosthetic Osteolysis. A Current Concepts Review. J.B.J.S. 2000, S2-A: pp. 1471-1489. [7] Hatton P. V., Brook I. M.: The role of electron microscopy in the evaluation of biomaterials. European Microscopy and Analysis, January, 1998, pp. 39-41. [8] Wimhurst J. A.: The pathogenesis of aseptic loosening. Current Orthopaedics, 2002, 16, pp. 407-410. [9] Winner C., Gluch H.: Aseptic loosening after CD instrumentation in the treatment of scoliosis: a report about eight cases. Journal of Spinal Disorder 1998,11, pp. 440-443.
58 M. Hajduga, K. Oracz EVALUATION OF OXYGEN CONTENT IN SURFACE LAYER OF GALVANIC COATS IN CONTACT WITH LIVELY TISSUE Summary. The elaboration presents results of investigation relates to oxidation of tin and nickel galvanic coats covering thin wires made from Armco" iron. Thickness of galvanic coats reaches 0,003mm. To comparison the golden samples were implanted to the brain and subcutaneous tissue of rats. Authors investigated changes of basic metallic element and of oxygen in micro-areas before and after implantation. The initial results show that oxygen atoms pass from surface of some metallic elements to lively tissues, especially to the brain. So, it confirms that the diffusion of oxygen and absorption by lively tissue comes out. In some investigated metals diffusion and backward diffusion of oxygen in investigated areas stays stable.