Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 1/27 45 Maciej HAJDUGA, Katedra i Zakład Farmakologii, Śląska Akademia Medyczna, Zabrze Kamila ORACZ, Katedra i Zakład Farmakologii, Śląska Akademia Medyczna, Zabrze ANALIZA ZMIAN STĘŻEŃ TLENU W WYBRANYCH MATERIAŁACH METALICZNYCH W OBECNOŚCI TKANKI ŻYWEJ Streszczenie. W pracy zostały przedstawione wyniki badań obecności kilku metali (pochodzących z takich materiałów jak: wolfram, molibden, chromcl, wolfram-ren 2 w tkance mózgowej oraz podskórnej szczurów. Analizowano zmiany stężeń podstawowego pierwiastka metalicznego oraz tlenu w badanych mikroobszarach przed i po implantacji. Otrzymane wyniki badań wskazują na przechodzenie cząstek tlenu z powierzchni metalicznej do tkanki żywej dla niektórych metali. Można tu mówić o dyfuzji tlenu i absoipcji przez tkankę żywą np. dla wolframu. Natomiast dla pozostałych pierwiastków takich jak np. molibden dyfuzja i wsteczna dyfuzja tlenu w obszarze badanych tkanek była stabilna. 1. WSTĘP Wymogi jakie musi spełniać materiał stosowany na implanty metaliczne wynikają z funkcji jaką mają one pełnić w organizmie, z uwzględnieniem ich odporności na korozję w środowisku tkanek i płynów ustrojowych oraz wymaganych właściwości mechanicznych, istotnych ze wzglądu na przenoszone obciążenia. Podstawowym kryterium przydatności tworzyw metalicznych jest jednak odporność na korozję, z którą związana jest ich biotolerancja. Badania Marciniaka i Szczurka [1, 2] wykazały, że w konsekwencji rozwoju korozji, powstaje w pobliżu implantu torebka łącznotkankowa z odczynami fagocytarnymi i pomnażaniem włókiem kolagenowych, ich szkliwienie oraz metaloza. Mctaloza jest to lokalne oddziaływanie jonów metali lub produktów korozji implantu na tkanki organizmu. W licznych pracach doświadczalnych i klinicznych wykazano, że korozji ulegają implanty wykonane ze wszystkich podstawowych stopów metali, nawet stopów metali szlachetnych [3,4,5], Pomimo nieustannego postępu inżynierii materiałowej oraz zastosowania w medycynie najnowszych osiągnięć nauk technicznych nie udało się dotąd opracować stopów metali niepowodujących odpowiedzi biologicznej ze strony ustroju. Udowodniono, że biotolerancja stopów zależy od ich odporności korozyjnej [6, 7].
46 M. Hajduga, K. Oracz 2. MATERIAŁY I MATODYKA BADAŃ Do badań przeznaczono pięć materiałów metalicznych: wolfram, molibden, chromel oraz wolfram-ren 2 w postaci drutów o średnicy =,5 [mm]. Wyniki analizy chemicznej materiałów podano w tabeli 1. Tabela 1. Średni skład chemiczny materiałów przeznaczonych do badań Średni skład podano w wg [%] Lp. Rodzaj materiału pierwiastek metaliczny tlen 1. Wolfram 94,436 5,28 2. Molibden 96,238 7,698 3. 4. Chromel: Nikiel Chrom Wolfram-ren 2: Wolfram Ren 89,238 1,639 76,96 18,723,15,869 Skład chemiczny identyfikowano na mikroanalizatorze rentgenowskim JCXA 733 firmy Jeol, przy napięciu przyspieszającym 2kV, na głębokość około 1,5 ).im, z komputerowym systemem rejestracji. Analizie poddano warstwę wierzchnią drutów przeznaczonych do badań. Badano zawartość tlenu w całej objętości niikroobszaru identyfikowanego na powierzchni bocznej implantu. Oznaczano w badanym mikroobszarze tlen zaadsorbowany w rozwiniętej powierzchni metalu - związany z powierzchnią metalu przez adsorpcję (ewentualnie chemisorpcję) oraz związany chemicznie w warstwie tlenkowej na powierzchni metalu. Implanty śródmózgowe umieszczono w obu półkulach tkanki mózgowej szczurów (rys. I). Natomiast implanty podskórne w tkance podskórnej w okolicy grzbietowej (rys. 2). Dany osobnik posiadał implanty z tego samego rodzaju materiału. W celu uśrednienia wyników zaimplantowanych zostało po pięć próbek danego rodzaju. Przykładowy kształt próbek przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Na czas zabiegu implantacji zwierzęta były czasowo uśpione wstrzyknięciem wodzianu chloralu w dawce 3mg/kg czystej substancji dootrzewnowo. Czas pozostawania implantów w organizmie żywym wynosił 6 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 1-cio % roztworem alkoholu w wodzie, a następnie przeprowadzono obserwację pod mikroskopem skaningowym.
Analiza zmian stężeń tlenu w wybranych materiałach... 45 Rys. 3. Implant podskórny wolframu Rys. 4. Implant domózgowy wolframu Charakter struktury zewnętrznej próbek użytych do badań przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Rys. 5. Powierzchnia próbki wolfram Pow 5x., nietrawiono Rys. 6. Powierzchnia próbki molibdenu Pow 5x., nietrawiono 3. WYNIKI BADAŃ Dalszym etapem badań była powierzchniowa mikroanaliza rentgenowska implantów. Wyniki badań zamieszczono na rysunkach 7, 8 dla próbek wolframu; 9, 1 dla molibdenu; 11, 12 dla chromelu; dla wolfram-ren 13, 14.
48 M. Hajduga, K. Oracz 11 Zawartość procentowa wolframu too re i c 9 1 u o a 8 a -U) O 7 EU Nieimplantowany 1 Implant domózgowy I Implant podskórny 6 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 Rys. 7. Zawartość procentowa wolframu na powierzchni próbek O Nieimplantowany ^ Implant domózgowy i 1L. - - to 7 8 9 1 11 12 13 14 15 17 18 19 2 Implant podskórny Rys. 8. - wolframu Zawartość procentowa molibdenu Rys. 9. Zawartość procentowa molibdenu na powierzchni próbek
Analiza zmian stężeń tlenu w wybranych materiałach... 49 n n n toltttlw I U m ił. a- u _ 3 snah m as Nieimplantowany Implant domózgowy Podskórnie Rys. 1. - molibden Zawartość procentowa niklu i chromu 1 re 9 i o 8 c 7 u 6 a 5 4 3 i 2 M 1 - : -... - - - -:: - - t - : - - - J - I - - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 L O Nikiel nieimplantowany Nikiel - implant domózgowy Nikiel - implant podskórny O Chrom nleimplantowny Chrom - implant domózgowy Chrom - implant podskórny Rys. 11. Zawartość procentowa niklu i chromu na powierzchni próbek 4 O a 2 1 1 ll l_ ll rji J1 n E3 JŁ n 1 n n n n Ł,P P- T. J, a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 EJ Nieimplantowany ^ Implant domózgowy Implant podskórny Rys. 12. - próbki chromelu
5 M. Hajduga, K. Oracz Zawartość procentowa wolframu i renu O Wolfram - nieimplantowany Wolfram - implant domózgowy Wolfram - implant podskórny O Ren - nieimplantowany Ren - implant domówzgowy Ren - Implant podskórny 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 Rys. 13. Zawartość procentowa wolframu i renu na powierzchni próbek % 4 i 1 rc N Ł Łll Pb n_ hłw 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 Nieimplantowany Implant domózgowy Implant podskórny Rys. 14. - próbki wolfram-ren 2 4. DYSKUSJA WYNIKÓW I WNIOSKI Mikroanaliza rentgenowska badanych materiałów dla metalu i tlenu pozwala stwierdzić ich obecność na całej powierzchni próbek. Stężenie pierwiastków było różne w zależności od punktów pomiaru. Błąd pomiaru + - 5% ze względu na: stanu gładkości powierzchni implantów (drutu), kształt powierzchni - mikropowierzchnia walcowa, mały obszar badawczy, rozogniskowanie wiązki - tu duże rozogniskowanie 5-1 am ze względu na charakter powierzchni (pow. nie jest płaska). W badanych implantach nie uległa zmianie zawartość procentowa metalu. Natomiast w obu implantach wolframu, zarówno domózgowym jak również w podskórnym znamiennie zmniejszyła się zawartość procentowa tlenu na powierzchni względem próbki wzorcowej nieimplantowanej. W implantach molibdenu również zaobserwowano podobne zmiany jednak błąd pomiaru nie pozwala na jednoznaczne stwierdzenie różnicy między próbką wzorcową a implantami. Można wyraźnie stwierdzić, że zawartość pierwiastków podstawowych oraz tlenu dla próbek chromelu i wolfram-renu 2 nie zmienia się w obecności tkanki żywej - mózgowej i podskórnej. Można w związku z tym stwierdzić, że stopy te charakteryzują się dobrą odpornością na działanie tkanek i płynów ustrojowych.
Analiza zmian stężeń tlenu w wybranych materiałach... 51 LITERATURA [1] Szczurek Z., Marciniak J., Koczy B., Myrcik H.: Ocena biotolerancji implantów ze stali Co-Ni-Mo. Mater. Konf. Biomechaniki, Gdańsk, 1987, s. 537-541. [2] Marciniak J.: Biomateriały w chirurgii kostnej. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 22. [3] Hędzelek W., Urbanek - Brychczyńska M., Wsiak W.: Badanie Eco-Tribo- Polarograficzne wybranych stopów protetycznych. Część II, Prot. Stom., 1999, XLVIX, 196-299. [4] Klotzer W.: Metalle und Legirungen Korrosion, Toxikologie, sensibilisirende Wirkung (Teil II), ZWR 1991, 1, 6, 398-42. [5] Klotzer W.: Biologische Aspekte der Korrosion. Dtsch Zahnarztl. Z 1985, 4, 1141-1145. [6] Grether N.: Biocompatibilitat, Allergien und Korrosionresisten z. Schweiz Monatschr. Zahnmed., 1993, 13, 11, 1486-1487. [7] Hędzelek W., Urbanek - Brychczyńska M., Wsiak W.: Badanie Eco-Tribo- Polarograficzne wybranych stopów protetycznych. Część II, Prot. Storn., 1999, XLVIX, 196-299. THE ANALYSIS OF OXYGEN CONCENTRATION IN SOME METALLIC MATERIALS IMPLANTED TO LIYELY TISSUE Summary. Paper contains results of presence several metals (originating from the source metallic materials like wolfram, molybdenum, chromel wolfram - ren 2 in brain and subcutaneous tissue of rats. Authors analyzed changes of basic metallic elements concentration and oxygen in tested micro-areas before and after implantation. The obtained data indicate passing of oxygen particles from metallic surface to lively tissues in some cases. We can say about oxygen diffusion and absorption by lively tissue when wolfram is applied. Whereas, with reference to remaining elements, like e.g. molybdenum, the diffusion and backward diffusion of oxygen in investigated areas of tissue was stable.