Uutta NIOMilta: Titaani - kehityskelpoinen bioyhteensopiva metalli

Lujuus

Titaanin myötölujuus on alle 400 MPa, joten se on tavanomaisessa puhtaassa tilassaan kohtuullisen luja metalli. Titaania ei kuitenkaan käytetä kruunuissa ja silloissa yhtä suurina määrinä kuin nykyisissä implanteissa, koska se ei ole riittävän luja isompiin siltoihin. Myös tiukat valutekniset vaatimukset asettavat merkittäviä rajoitteita titaanin käytölle.

Titaanin lujuus saattaa joskus olla liian heikko myös implanttien tapauksessa. Ilmeisen toimiva ratkaisu on tällöin käyttää titaaniseosta. On olemassa kaksi titaaniseosta, jotka on hyväksytty käytettäviksi kirurgisissa implanteissa. Alumiinilla ja vanadiinilla seostettua titaania, Ti-6Al-4V:ta eli Grade 5 -titaania, käytetään eniten. Toinen käytössä oleva seos on äärimmäisen luja ja hyvin kulumista kestävä Ti-15Mo-5Zr-3AI, joka sopii implanttien liikkuviin ja joustaviin osiin.

Ominaisuuskartta on hyödyllinen työväline metallurgille, joka haluaa etsiä paremman biomekaanisen yhteensopivuuden omaavia seoksia. Ominaisuuskartasta onkin tullut yksi tärkeimmistä suunnittelutyökaluista metallurgiassa [1]. Kuva «»1 on esimerkki tällaisesta ominaisuuskartasta. Seoksen vaikuttavat ominaisuudet esitetään merkitsemällä materiaalit akseleille, jotka edustavat niiden merkittäviä käyttöominaisuuksia. Valittujen akseleiden, myötölujuuden ja murtovenymän, perusteella käytössä olevat hammastekniset seokset luokitellaan tyyppeihin 0–5 käyttöalueiden mukaan myös tämänhetkisessä kansainvälisessä standardissa [2].

Kuva 1. Ominaisuuskartta, johon tyyppien 0–5 hammastekniset seokset on asetettu niiden murtovenymän ja myötölujuuden perusteella. Vihreät linjat osoittavat ISO 22674-standardin mukaisia raja-arvoja [2]. Seoksia ja restaurointiaineita (siniset timantit) verrataan hammas-aineksen ja posliinin ominaisuuksiin (punaiset ympyrät). Puhdas (CP = kaupallisesti puhdas) titaani sopii marginaalisesti tyyppiin 4 eli kruunuihin ja pienempiin siltoihin. Ti-6Al-4V on paljon lujempaa kuin Co-Cr-seokset. "Tiqq" merkitsee kokeiluseosta Ti-15Zr [3].

Jäykkyys

Viimeisten kymmenen vuoden aikana ortopedit ovat käyneet keskustelua elastisten ominaisuuksien merkityksestä seoksen bioyhteensopivuudelle. Hampaiden tapauksessa seoksen tehtävänä on korvata puuttuva hammasaines kohdassa, johon kohdistuu purentavoimien mekaaninen kuormitus. Tällaisessa kuormituksessa korvaavan materiaalin olisi hyvä käyttäytyä alkuperäisen tavoin. Muutoin voimat keskittyvät seoksen ja sitä ympäröivän aineksen rajapinnoille.

Tällainen voimien keskittyminen on suorassa suhteessa eri materiaalien jäykkyyseroihin. Kuvassa «»2 venymä jäykkyyden mittana on korvattu taivutusmoduulilla, joka ominaisuuskartassa toimii koordinaattina biomekaanisen yhteensopivuuden tutkimiseksi. Taivutusmoduuli kuvaa, kuinka paljon levy taipuu kuormituksessa. Tämä on merkittävä tekijä sillan kiinnityksen kannalta. Seoksen valinnassa pyritään optimoimaan materiaalin taivutusmoduulin mukautuminen dentiinin taivutusmoduuliin, joka on varsin matala, sekä posliinin moduuliin.

Kuva 2. Ominaisuuskartta, jossa hammasseosten biomekaanista yhteensopivuutta tarkastellaan taivutusmoduulin ja myötölujuuden perusteella. Seoksia ja restaurointiaineita (sininen) verrataan hammasainekseen ja posliiniin (punainen). Vihreät nuolet osoittavat, että puhtaalla titaanilla on potentiaalia kehittyä elastisilta ominaisuuksiltaan yhteensopivaksi dentiinin ja kiilteen kanssa. Lisäksi nuolet osoittavat, että titaanin lujuutta on mahdollista parantaa siten, että sitä voidaan käyttää myös isommissa rakenteissa.

Täydellistä yhteensopivuutta ei jäykkyyden osalta kuitenkaan saavuteta koskaan. Materiaalien on aina kestettävä kasvavaa kuormitusta ilman, että ne muuttavat muotoaan pysyvästi. Siksi materiaalien lujuutta pidetään niiden toisena merkittävänä käyttöominaisuutena.

Kuvassa «»2 olevasta ominaisuuskartasta käy ilmi muun muassa se, miksi kultaseokset sopivat hyvin kruunuihin ja siltoihin. Nykyisissä hammasseoksissa näiden jalometalliseosten taivutusmoduulit ovat lähinnä dentiiniä ja hyvinkin lähellä kiillettä. Kartasta voidaan nähdä myös, että titaani ja titaaniseokset ovat paljon käyttökelpoisempia tähän tarkoitukseen kuin esim. palladium- tai koboltti–kromiseokset.

Useissa metallurgisissa tutkimuksissa on yritetty parantaa titaanin biomekaanista yhteensopivuutta. Jäykkyyden vähentämiseen pyrkivissä seostuskokeiluissa on käytetty metalleina mm. niobiumia, tantaalia ja zirkoniumia. Haasteena on saada aikaan stabiili seos, joka sisältää korroosioneston ja samanaikaisesti hidastaa kulumista, joka on yleensä titaanin heikkous. Paras tulos on saavutettu β-titaaniseoksella TNZT [ks. 4], jonka kimmomoduuli on noin 55 GPa ja taivutusmoduuli noin 65 GPa. Kehitystyötä on tehty erityisesti ortopedistä käyttöä varten, mutta myös odontologia saattaa nopeasti alkaa hyötyä uusista materiaaleista, mikäli jokin niistä saa hyväksynnän. On huomattava, että nämä seokset on valmistettava jauhometallurgialla eikä valamalla, koska niiden elastiset ominaisuudet ovat riippuvaisia erityisesti termomekaanisesta käsittelystä.

Seokset kontaktissa

Monien titaaniseosten käyttämiseen sisältyy merkittävä vaaratekijä. Puhdas titaani ja sen seokset muistuttavat erehdyttävästi toisiaan, ja käytetyt seokset sinällään täyttävät kaikki bioyhteensopivuuden vaatimukset. Mutta mitä tapahtuu, jos eriasteiset titaaniseokset joutuvat kontaktiin keskenään?

NIOMin [5] uusimissa tutkimuksissa on selvitetty Grade 2 -titaanin ja Grade 5 -titaanin liukenemista silloin, kun ne ovat kontaktissa toisiinsa peruskorroosioliuoksessa [6].

Analyysi vahvisti, että Grade 5- ja Grade 2 -titaanien puhtaasti kemiallinen korroosio on häviävän pieni, eikä niiden rakenne heikkene suuontelossa edes 20–40 vuoden aikana. Todettiin kuitenkin, että seosten ollessa kontaktissa toisiinsa alumiinin ja vanadiinin vapautuminen Grade 5 -titaanista lisääntyi nelinkertaiseksi vahvassa maitohappo- ja suolaliuoksessa seitsemän vuorokauden aikana.

Tässä yhteydessä on myös huomattava, että galvaaninen korroosio, joka syntyy metallien välisessä kontaktissa, ei mainittavasti nopeudu näissä koeolosuhteissa. Yhden viikon kestävä galvaaninen kontakti koeliuoksessa vastaa suunnilleen yhtä viikkoa suussa. Liukenemiseen vaikuttavat monet eri tekijät, mutta joka tapauksessa voidaan todeta, että kahden eriasteisen titaaniseoksen välinen, pysyvä kontakti nostaa alumiini- ja vanadiini-ionien määrää syljessä pysyvästi. Eläinkokeet osoittavat, että nämä aineet kerääntyvät elimiin ja kudoksiin, ja niiden mahdollisesta vaikutuksesta on vähän tietoa [7].

Tulos onkin otettava huomioon titaani-implanttien käytön yhteydessä. Yksittäistä hammasta korvattaessa voidaan käyttää Grade 2-titaanisuojusta pilarissa yhdistettymä Grade 2 -titaaniseen ruuvikiinnitykseen. Kun kyse on suurehkosta rakenteesta, johon tarvitaan lujaa seosta, Grade 5 -titaania tulee käyttää pintarakenteen lisäksi myös ruuveissa, jotta vältyttäisiin liukenemisen lisääntymiseltä.