チタン生体材料はすぐに完全に再不動態化されますか? 視点

npj 材料劣化第 6 巻、記事番号: 57 (2022) この記事を引用

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チタンとその合金は、優れたオッセオインテグレーション特性に加え、生体適合性と優れた化学的不活性性により、臨床用途に広く使用されています。これらは表面に強固な保護膜を形成し、周囲の環境に対して高い耐食性を提供することがよく知られています。チタンベースの材料のこの不動態状態は、損傷を受けても非常に迅速に達成され、生理的環境では化学的に安定であると考えられていますが、不動態の破壊と電子移動反応の証拠は、高分解能の微小電気化学技術を使用して収集されています。したがって、今後のアプリケーションにはさらなる最適化が必要です。

生体材料は一般に、身体のあらゆる組織、器官、機能を治療、評価、置換するために生物学的システムと相互作用するように設計された物質として定義されます1、2、3。ここ数十年で、ヘルスケア分野での応用のために多数の生体材料が開発されてきました。これらは主にドラッグデリバリー、整形外科、歯科治療、心臓血管装置や皮膚の組織工学に使用されます4。新しい生体材料が人体での使用を承認される前に、国際標準化機構 (ISO) および米国材料試験協会 (ASTM) によって認められたいくつかの前提条件を満たす必要があります4。生体適合性は、生体材料を正しく適用するために不可欠な要件であると考えられています。 Williams の生体適合性の定義 5 によれば、移植された生体材料は、局所の生理学的環境に対して有害な反応を引き起こしてはなりません。しかし、移植された生体材料は、塩化物イオン、タンパク質、アミノ酸を含む血液やその他の種類の細胞外液などの過酷な腐食環境にさらされるため、腐食に非常に敏感です6、7、8。これは、埋め込まれた材料が ISO および ASTM で要求される高い耐食性を示さなければならないことを強調しています。実際、移植された物体は、隣接する金属または骨との間に生じる微小な動きによって摩耗を受ける可能性もあります9。これは、生体組織との望ましくない相互作用を引き起こす可能性のある摩耗粉の形成につながります10、11。したがって、耐摩耗性とオッセオインテグレーション特性は、インプラント材料の寿命にとって重要な要素とみなされます12。

現在、生体材料は金属、合金、ポリマー、セラミック、複合材料で構成されています。中でも医療機器として最も有用とされているのがチタンを材料としたインプラント材です。実際、チタンベースの材料は 1950 年代から生物医学用インプラントの製造に使用されてきました。毎年 1,000 トンを超えるチタンが生体医療機器に使用されていると報告されています13。これは、生体適合性と、低弾性率、高引張強さ、低密度などの好ましい機械的特性によるものです。さらに、これらは、移植後に生体組織内で機能する優れたオッセオインテグレーション特性でも知られています。この観点では、表面不動態酸化物層の役割と力学、およびこれらの材料に作用する劣化メカニズムの結果としての金属放出の影響についての洞察を提供することにより、インプラント用途におけるチタンベース材料の想定される安定性と不活性に焦点を当てます。

一般に、大気条件下では、チタン製物体の表面に強固な保護膜が自発的に形成されることが知られています。その厚さは数ナノメートルの範囲です14。保護酸化膜は TiO2 を主成分としており、これに Ti2O3 や TiO14 が若干混合されています。 TiO2 は 3.2 eV15 の広いバンドギャップを持つ半導体特性を備えており、表面からの有害な金属イオンの放出を軽減することで高い耐食性を提供し、注入された局所環境との電子移動反応を抑制します。酸化チタンで覆われた表面が損傷すると、図 1 のスケッチ a ～ c に示すように、金属チタンは二酸化チタンの不動態皮膜の自発的形成によって修復します 16。この場合、チタン生体材料上の破損した皮膜は、修復が早く、生体材料の表面での腐食の発生を防ぎ、最終的に生体細胞を健康に保ちます。ただし、未修復の金属では、図1のスケッチd〜fに示すように、腐食が発生する別の状況が発生します。つまり、腐食は、チタン生体材料の不動態皮膜の破壊によって始まり、その後、チタン生体材料が酸化します。周囲の電解質に存在する塩化物などの腐食性種によって促進されます。酸化反応によって生成された電子は、電解質中に存在する酸化剤（チタンとの反応は熱力学的に可能であるため、通常は酸素）によって消費されますが、その結果、マイクロカソード部位で活性酸素種が形成され、最終的には生体細胞の損傷。

スケッチ a ～ c は、修復可能な材料で発生する修復現象の段階を示し、スケッチ d ～ f は、修復されていない材料で発生する腐食の段階を示します。

埋入材料の表面は生体組織と密着するため、埋入治療の成功には酸化皮膜の安定性が重要な要素となります。これに関連して、埋め込まれるデバイスの表面の安定性を向上させるために、プラズマ支援物理蒸着 (PVD)、ナノグレイン (NG)、熱酸化 (TO) などのさまざまな表面改質処理がよく行われます17。、18、19、20、21。さらに、不動態酸化膜の安定性は、冶金準備段階で適切に選択された量の金属合金化添加剤を使用することによっても高めることができます。

より優れた機械的特性と耐腐食性を備えた新しいチタンベースの合金を開発するための広範な研究が現在も進行中です。 Ta と Zr は、無毒な性質 22 と、非常に安定した酸化膜を形成する傾向があるため、主要な金属合金元素です。しかし、特定の条件下では、チタンおよびその合金上に形成される保護膜は完全に安定ではありません。不動態性の破壊と局所的な腐食事象の準安定核生成は、チタンとその合金の両方について、マイクロメートルスケールで in vitro で観察されています 23、24、25。これらの局所的な破壊イベントの稀少性とその微細な空間的寸法は、実験装置の性能を向上させる必要があるため、監視と調査に課題をもたらします。隣接する環境への金属放出速度を決定し、未知のメカニズムを発見するには研究が必要です。実際、移植されたチタン生体材料から放出される金属イオンが血液および尿から検出されています 26,27。医療機器から最も頻繁に放出される金属の生体への影響を表 1 に示します。

金属陽イオンの放出は、骨および周囲組織の創傷治癒に悪影響を与えることが報告されています28。埋め込み型デバイスの材料が大幅に消耗すると、その機械的特性が変化し、弱くなる可能性があり、その結果、その支持機能が失われる可能性があります29、30、31、32。実際、局部腐食の発生と金属カチオンの放出は、図 2 に示すように、主に化学的、電気化学的、機械的プロセスの複合効果によるチタンの金属表面の保護膜の損傷の結果です)。 8. この皮膜が損傷後に完全に修復するまでに時間がかかる場合、電解液中の腐食性種により金属の腐食速度が高まり、局所的な腐食が始まります（図 1d ～ f を参照）。実際、チタンおよびその合金上の不動態酸化膜は一般に直ちに不動態化されると考えられています。しかし、いくつかの報告では、これらの生体材料の自己修復動力学に取り組んでいます。 Burstein と Souto は、生理学的環境への浸漬の初期段階でのチタンの不動態化について報告しました 23。彼らの研究では、電気化学的ノイズ検出とクロノアンペロメトリーを測定ツールとして使用し、塩化物の存在下でのチタンの一時的な不動態化が観察され、続いて再不動態化ステップが行われました。その後、同じ著者らは純チタンと Ti-6Al-4 V の比較研究を報告しました。彼らは、Ti-6Al-4 V が周囲温度でも脱不動態化の影響を受けやすいことを観察しました。酸性環境では、この違いはより顕著でした24。その後すぐに、彼らは温度の上昇によりチタン上のピットの準安定核生成速度が高まることを報告しました25。その後、Pust ら。 α相と比較してβ相ではより高い電子移動速度が発生するため、Ti-6Al-4Vが示す高い孔食感受性と材料の二相微細構造とを相関させた33。一方、Contu et al。らは、無機緩衝液に浸漬した純チタンおよび Ti-6Al-4V の機械的に損傷した表面の再不動態化を調べました 34。彼らの研究では、表面膜に機械的損傷を与える前後のテストサンプルの開路電位を測定することによって、再不動態化の反応速度を調査しました。彼らは、テストされたサンプルの自己修復プロセスには数分かかることを証明しました。より最近では、Wang ら。は、その場でのスクラッチングを使用してさまざまなチタン合金の自己修復を研究しました 35 が、再不動態化速度はクロノアンペロメトリーを使用して制御されました。彼らの実験では、テストサンプルを 0.1 V (飽和カロメル電極 (SCE) に対して) で 600 秒間分極した後、表面を引っ掻き、電流が以前に損傷を受けていない表面と同じ値に達するのに必要な時間をモニタリングしました。、これを自己修復の時間とした。彼らは、試験したチタン合金の自己修復に必要な時間は、合金の組成に応じて 10 ～ 150 秒の間で変化することを実証しました。

人体内の物質の分解を促進する最も一般的な効果。

これまでのところ、チタンおよびその合金上に形成された表面膜の治癒特性と耐食性に関する知識は、クロノアンペロメトリーを使用して得られてきました。この技術は不動態破壊プロセスに関する貴重な洞察を提供しましたが、電気化学分極によってテストされたサンプル上に保護表面膜を事前に形成する必要があるため、自己修復速度を決定するための適切なツールではありません。保護フィルムの様子。さらに、自己修復プロセスの動力学は、課された分極の値に大きく影響されます 36,37。このため、調査サンプルに分極を加えずに不動態皮膜の自己修復速度を測定でき、自然に発生する開回路腐食電位（OCP）を効果的に維持できる現場ツールが求められています。したがって、Assergine et al. は、化学的分解能による材料表面の特性評価のための非破壊現場ツールとして使用できるため、フィードバックモードで動作する走査型電気化学顕微鏡（SECM）をこの目的に選択しました38。このようにして、グレード G4 (Ti-G4) から酸化チタンの不動態層を除去した後、保護膜の自己修復は時間依存のプロセスであり、Ti-G4 の場合は約 20 分かかることを示しました。リン酸緩衝液（PBS）中で完全に不動態化されます。これは、可逆酸化還元メディエーター（FcMeOH）としてフェロセンメタノールを使用して連続的な Z アプローチ曲線を記録することにより、Ti-G4 表面での電子移動反応をモニタリングすることによって証明されました。その結果は、チタンの即時（非常に高速な）不動態化の考えと矛盾しています。。一方、SECM は Izquierdo らによって使用されました。リンガー溶液中のチタン上の不動態皮膜の自己修復に対する合金元素としてのジルコニウムの添加の影響を研究するためである39。彼らは、5重量%のジルコニウムの存在により、チタンに25および45重量%のジルコニウムを添加した場合に形成される不動態皮膜に必要な時間よりも短時間で、より厚くより緻密な不動態皮膜が形成されることを証明した。このように、彼らの発見は Wang らの観察を裏付けています。自己修復プロセスの速度は表面の冶金学的組成に依存するということです36。

損傷または破壊後、チタンおよびその合金の不動態層が修復するまでには時間がかかるため、修復プロセス中に保護されていない表面で化学反応が発生する可能性があり、金属イオンの放出につながる可能性があります。興味深いことに、最も頻繁に使用されるチタン合金生体材料とみなされているニチノール (45 wt.% Ni + 55 wt.% Ti)37 では、ニッケルおよびチタンイオンの放出が記録されています。したがって、ニッケルイオンは中性と酸性の生理的環境の両方で発見され、チタンは酸性の生理的環境でのみ発見されました40。ニッケルイオンはアレルギー反応を促進することが知られているため、この観察の意味は重要です41。アセルギンら。らは、SECM と原子吸光分光分析を組み合わせて、ニチノールからの金属イオン放出の原因を探ろうとしました 42。このようにして、彼らは、ニチノール上の不動態酸化物層が、中性の模擬生理学的環境（0.1 M NaCl 溶液）ではかなり安定しており、この環境で検出されたニッケルイオンは、ニチノール表面に存在するニッケルリッチな介在物の溶解の結果であることを観察しました。合金の表面。逆に、酸性媒体に浸漬したニチノール上の不動態皮膜は安定ではありません。その破壊が観察されましたが、再不動態化プロセスではニチノール表面に安定した不動態層を再形成するのに 90 分かかりました。結論として、これらの著者らは、ニチノール上の不動態皮膜の溶解（破壊）中にニッケルイオンが流体に入り込む一方、チタンはその後の自己修復プロセス中に放出されると報告しました42。

さらに、金属表面付近の生理的環境で発生する局所的な pH 変化を測定することによって、イオン放出を調査することもできます。したがって、Assergine ら 43 はアンチモンで作られた走査プローブを微小電気化学 pH センサーとして使用し、チタンの自己修復中に、金属から金属カチオンが放出されるため、局所環境の pH が酸性方向にシフトすることを示しました。電解質の大部分。移植された材料は生体細胞に包まれているため、この観察は細胞毒性の観点から非常に重要です。したがって、生細胞は局所的な pH 変化による自己修復プロセス中に影響を受け、最終的に細胞死に至る可能性があります 44。一方、関連するマイクロカソード部位での酸素電解還元中に、活性酸素種（スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素、一重項酸素を含むROS）が生成される可能性があり（図1d〜fを参照）、細胞に重大な損傷を与える可能性があります。さらには壊死を引き起こすこともあります44、45、46。

この視点は、チタン生体材料の再不動態化の初期段階で起こる一時的な現象への意識を高めます。この間、局所環境に存在する種との電子交換反応が先行する可能性があり、隣接する生理学的環境の局所 pH 変化に関連して金属イオンの放出が発生します。したがって、チタン生体材料をさらに応用するには、次の観点を考慮する必要があります。

自己修復プロセスの動力学は、生体材料応用の評価において考慮すべき特徴である必要があります。

さらなる研究は、人体液（人間の血液）中のチタンとその合金の自己修復を調査し、ニチノールやチタンなどの最も一般的に使用されるチタン合金の再不動態化に対するタンパク質やその他の生体分子の影響を調査することに向けられなければなりません。ただし、後者では、これらの効果をα相とβ相について個別に、またガルバニック結合下で調査する必要があります。

チタンベースの生体材料上に迅速な自己修復性と安定した酸化膜を得るには、新しい冶金配合物または表面処理処理を開発する必要があります。

チタン生体材料の自己修復中に生体細胞に生じる細胞毒性効果を in vitro および in vivo で研究するには、新しい研究を行う必要があります。

生体材料の生体適合性の特性評価には、従来の電気化学技術のみを使用して耐食性を評価するのではなく、現場での微小電気化学技術が必要です。

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この研究は、ハンガリー研究助成金 NFKI Nr 125244 (ハンガリー、ブダペスト)、国際ヴィシェグラード基金プロジェクト番号 22020140 (スロバキア、ブラチスラヴァ)、およびラ・ラグーナ大学とスペイン科学・イノベーション・大学省 (マドリード) の共同で支援されました。、スペイン）契約番号2022/0000586に基づいて。

イフユサーグ・ペーチ大学理学部一般・物理化学学科 6、7624、ペーチ、ハンガリー

アブデリラ・アセルギン、ダニエル・フィロタス、リヴィア・ナジ、ゲザ・ナジ

現在、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校化学科の博士研究員（イリノイ州アーバナ、イリノイ州、61801、米国）

アブデリラ・アセルギン

ペーチ大学ヤノス・センタゴタイ研究センター、イフジュサーグ・ウ。 20、7624、ペーチ、ハンガリー

リヴィア・ナジ & ジェザ・ナジ

Institute of Materials Science and Nanotechnology、University of La Laguna、私書箱 456、E-38200 La Laguna、テネリフェ島、カナリア諸島、スペイン

リカルド・M・ソウト

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AA と GN は、この研究の背後にある概念を提案しました。 AAとRMSは文献調査を行い、脚本を共同執筆した。 DF、LN、GN は脚本を改訂し、批判的なコメントを提供し、作品を監督しました。すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

アブデリラ・アセルギンまたはリカルド・M・ソウトへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Assergine、A.、Filotás、D.、Nagy、L. 他。チタン生体材料はすぐに完全に再不動態化されますか? 視点。 npj メーターデグラッド 6、57 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41529-022-00270-0

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受信日: 2022 年 3 月 9 日

受理日: 2022 年 6 月 15 日

公開日: 2022 年 7 月 12 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-022-00270-0

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