Waarom heeft titanium een ​​hoge affiniteit voor het menselijk lichaam?

De belangrijkste reden voor het veelvuldig gebruik van titanium in het menselijk lichaam is de biocompatibiliteit van titanium en de oppervlakte-gemodificeerde bioactieve oppervlakken. Oppervlaktekenmerken die de biocompatibiliteit beïnvloeden zijn oppervlakte-eigenschappen, ruimtelijke plaatsweerstand, bindingsplaatsen en hydrofobiciteit (bevochtiging). Deze kenmerken zijn geoptimaliseerd om de gewenste cellulaire respons te produceren. Sommige medische implantaten en delen van chirurgische instrumenten zijn bedekt met titaniumnitride. Titanium wordt beschouwd als het beste biocompatibele metaal vanwege zijn weerstand tegen corrosie door lichaamsvloeistoffen, biologische inertheid, osseo-integratievermogen en hoge vermoeidheidslimiet. Het vermogen van titanium om de barre omstandigheden van het lichaam te weerstaan, is het resultaat van de natuurlijke vorming van een beschermende oxidefilm in aanwezigheid van zuurstof. De oxidefilm hecht sterk, is onoplosbaar en chemisch ondoordringbaar, waardoor het metaal niet kan reageren met zijn omgeving. Er wordt gedacht dat het botgenezende vermogen van titanium voortkomt uit de hoge diëlektrische constante van het oppervlakteoxide, dat eiwitten niet denatureert. Het vermogen van titanium om zich fysiek aan bot te hechten, maakt het superieur aan andere materialen waarvoor lijm nodig is om vast te blijven zitten. Titaniumimplantaten gaan langer mee en vereisen meer kracht om de bindingen waarmee ze aan het lichaam zijn verbonden te verbreken dan alternatieven. De oppervlakte-eigenschappen van biomaterialen spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de cellulaire respons (celadhesie en proliferatie) op het materiaal. Dankzij de microstructuur en de hoge oppervlakte-energie van titanium kan het angiogenese induceren, wat bijdraagt ​​aan het botgenezingsproces. Afhankelijk van de oxidatietoestand kan titanium veel verschillende standaardelektrodepotentialen hebben. Vast titanium heeft een standaard elektrodepotentiaal. Materialen met hogere standaard elektrodepotentialen zijn gemakkelijker te reduceren en maken betere oxidatiemiddelen. Vast titanium geeft de voorkeur aan oxidatie, waardoor het een beter reductiemiddel is. Titanium passiveert op natuurlijke wijze en vormt een oxidefilm die ongelijkmatig en gepolariseerd wordt bij blootstelling aan de fysieke omgeving. Na verloop van tijd leidt dit tot een verhoogde adsorptie van hydroxylgroepen, lipoproteïnen en glycolipiden. Adsorptie van deze verbindingen verandert de interactie van het materiaal met het lichaam en kan de biocompatibiliteit verbeteren. Bij titaniumlegeringen zoals titanium-zirkonium en titanium-niobium komen de zirkonium- en niobiumionen die vrijkomen door corrosie niet vrij in het lichaam van de patiënt, maar worden ze toegevoegd aan de passivatielaag. De legeringselementen in de passivatielaag zorgen voor een zekere mate van biocompatibiliteit en corrosieweerstand, afhankelijk van de oorspronkelijke legeringssamenstelling van het gastmetaal voorafgaand aan corrosie. Door de bevochtigbaarheid te vergroten, kan het implantaat de tijd die nodig is voor botgenezing verkorten doordat cellen zich gemakkelijker aan het implantaatoppervlak kunnen binden. De titaniumbevochtiging kan worden gewijzigd door procesparameters zoals temperatuur, tijd en druk te optimaliseren. Titanium met een stabiele oxidelaag die voornamelijk uit titaniumdioxide bestaat, resulteert in een verbeterde bevochtigbaarheid van het implantaat in contact met fysiologische vloeistoffen.