Jak przygotować powierzchnię implantów tytanowych nowej generacji?

Materiały na bazie tytanu są bardzo często stosowane w inżynierii biomateriałów do wytwarzania implantów używanych w medycynie. Ze względu na warunki pracy takich materiałów, ich właściwości fizykochemiczne, zwłaszcza na powierzchni, muszą być precyzyjnie kontrolowane już na etapie wytwarzania. Naukowcy z Laboratorium Badań Materiałowych i Centrum Doskonałości NOMATEN NCBJ po raz pierwszy wykorzystali technikę badawczą obrazowania ramanowskiego do określenia rozkładu przestrzennego oraz udziału ilościowego poszczególnych faz w tlenku tytanu.

Obecnie tytan i jego stopy zajmują znaczną część rynku wytwarzania biomateriałów, zwłaszcza w implantologii ortopedycznej, czy dentystycznej. Wynika to z dwóch kluczowych czynników związanych z właściwościami tytanu. Pierwszym jest biokompatybilność, która oznacza, że zetknięcie materiału z tkanką organizmu nie wywołuje reakcji negatywnej, a taką może być metaloza oraz odczyny alergiczne i zapalne, wywoływane głównie przez uwalnianie produktów korozji do organizmu. Drugą cenną pod względem aplikacji biomedycznych cechą tytanu są jego unikatowe właściwości mechaniczne, zbliżone do tkanki kostnej człowieka.
Wspomniana biozgodność tytanu i jego stopów wiąże się między innymi ze zdolnością tego materiału do pasywacji na powierzchni. Na podłożach tytanowych powstaje warstwa tlenku tytanu TiO₂ w dwóch odmianach polimorficznych: rutylu oraz anatazu. Proces pasywacji prowadzi do podwyższenia odporności materiału na korozję, jednak jego samorzutny charakter uniemożliwia kontrolę nad dokładnym składem fazowym powstającego tlenku. Jest to zdecydowanie niekorzystne z punktu widzenia projektowania biomateriałów, od których wymaga się najwyższej niezawodności, a co za tym idzie, ścisłej kontroli składu i właściwości fizykochemicznych powierzchni. Dlatego też materiały na bazie tytanu poddaje się różnym obróbkom powierzchniowym takim jak np. utlenianie elektrochemiczne, fizyczne lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej (PVD, CVD) czy zol-żel. Jakość otrzymanych warstw tlenku tytanu ostatecznie determinuje końcowe właściwości biomateriału nie tylko w kontekście odporności korozyjnej, ale również uzyskiwania cech funkcjonalnych powierzchni, np. bioaktywności. W testach in-vitro oraz in-vivo wykazano bioaktywność zarówno stabilnego rutylu, ale także nierównowagowego anatazu, choć w niższym stopniu. Bioaktywność materiału jest efektem pozytywnym i pożądanym, ponieważ materiał posiadający tą właściwość łączy się z tkanką kostną w sposób trwały za pomocą wiązania chemicznego, wpływając pozytywnie na jej odbudowę i unaczynienie. Sprzyja to również namnażaniu komórek oraz przyspieszonej mineralizacji kości. To w sposób zdecydowany skraca okres rekonwalescencji pacjenta oraz gwarantuje długie, bezpieczne i komfortowe użytkowanie implantu.
W badaniach prowadzonych przez naszych naukowców z Laboratorium Badań Materiałowych oraz Centrum Doskonałości NOMATEN, szczegółowej analizie powierzchni poddano podłoża na bazie tytanu, wykorzystywane zwykle do zastosowań biomedycznych, na których w procesie utleniania wytworzono warstwy tlenkowe TiO₂. Proces utleniania realizowano dwustopniowo tzw. technologią hybrydową, na którą składa się wysokotemperaturowe utlenianie dyfuzyjne w złożu fluidalnym (Fluidized Bed), a następnie utlenianie powierzchniowe metodą PVD rozpylanie magnetronowe. W pierwszym procesie powstaje warstwa dyfuzyjna oraz stabilny porowaty rutyl, natomiast w drugim mieszanina tlenków – rutylu i anatazu. Od przyjętych parametrów procesów zależy ostateczny skład fazowy powłoki i dystrybucja przestrzenna poszczególnych tlenków na powierzchni. „To kluczowe, gdyż z powodu różnego powinowactwa i adhezji namnażających się komórek względem rutylu oraz anatazu, odtwarzająca się tkanka będzie zachowywać się w sposób bioaktywnie odmienny w zależności od składu fazowego w danym obszarze powierzchni implantu” – podkreśla dr hab. inż. Jarosław Jasiński z Laboratorium Badań Materiałowych NCBJ. „Dlatego też, ważne jest jak najbardziej precyzyjne określenie dystrybucji przestrzennej oraz udziału rutylu i anatazu w otrzymanych warstwach, zwłaszcza w strefie przypowierzchniowej biomateriału. Idealną metodą do jej określenia jest obrazowanie ramanowskie”. W przypadku wspomnianych badań, wykonano je przy użyciu mikrospektroskopu Ramana WITec alpha 300 R znajdującego się w Laboratorium Badań Materiałowych NCBJ. „Ze względu na wysoką precyzję i wrażliwość metody, nawet na subtelne zmiany strukturalne w badanych warstwach, możliwe jest jednoznaczne rozróżnienie poszczególnych odmian polimorficznych tlenku tytanu" – dodaje dr inż. Magdalena Gawęda z Centrum Doskonałości NOMATEN NCBJ. "Co więcej, specyfika urządzenia oraz metody badawczej obrazowania ramanowskiego pozwala dodatkowo na wykonanie map obrazujących rozkład przestrzenny poszczególnych faz tlenkowych na powierzchni biomateriału”.
Na podstawie uzyskanych map możliwa jest nie tylko sama identyfikacja tlenków, ale też analiza półilościowa, która w dokładny sposób wyznacza procentowy udział rutylu i anatazu w warstwach. „Zaadaptowaliśmy metodę obliczeniową zaproponowaną wcześniej jedynie do pomiarów punktowych proszków" – wyjaśnia mgr inż. Kinga Suchorab z Centrum Doskonałości NOMATEN NCBJ, współautorka pracy. "Tym samym po raz pierwszy metoda ta została wykorzystana w obrazowaniu ramanowskim cienkich warstw tlenkowych. W ten sposób otrzymaliśmy mapy procentowej zawartości rutylu i anatazu na podłożach tytanowych.” Wykonanie analizy dość rozległego obszaru powierzchni podłoży pozwoliło na precyzyjne określenie jednorodności wykonanych powłok. Otrzymane wyniki potwierdziły założenia przyjęte na etapie opracowywania metodologii otrzymywania powłok hybrydowych. Uzyskano cienką powierzchniową warstwę anatazu na stabilnym fundamencie stanowiącym warstwę rutylu. Zostało to dodatkowo potwierdzone analizą przekroju poprzecznego podłoży.

Ilustracja przedstawia wyniki obrazowania ramanowskiego powierzchni tlenku tytanu nałożone na obraz mikroskopowy (lewy górny obraz), wyniki obliczeń rozkładu przestrzennego odmian polimorficznych TiO₂ rutylu i anatazu (prawy górny obraz), identyfikację fazową dokonaną na podstawie pozycji pasm ramanowskich (widma w prawym dolnym rogu), jak również obraz uzyskany z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) wraz z linową analizą pierwiastkową EDS zawartości tytanu i tlenu (lewy dolny obraz).

Zaprezentowana przez naukowców z Laboratorium Badań Materiałowych oraz Centrum Doskonałości NOMATEN NCBJ metodologia pozwala na precyzyjną oraz szybką ewaluację powierzchni otrzymanych materiałów w kontekście zależności parametrów procesu, a finalnym składem i właściwościami fizykochemicznymi uzyskiwanych powłok. Może to zostać wykorzystane przy doborze właściwych parametrów wytwarzania warstw tlenkowych w biomateriałach nowej generacji. Jednocześnie widoczny jest ogromny potencjał aplikacyjny samej metody badawczej, jaką jest obrazowanie ramanowskie, w inżynierii powierzchni oraz badaniach materiałowych.
Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: J.J. Jasinski, M. Lubas, K. Suchorab, M. Gawęda, L. Kurpaska, M. Brykala, A. Kosinska, M. Sitarz, J. Jagielski, Qualitative and semi-quantitative phase analysis of TiO2 thin layers by Raman imaging, Journal of Molecular Structure, Volume 1260, 2022, 132803, ISSN 0022-2860, https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2022.132803