właściwości tytanu i problem nadwrażliwości na ten metal

Implantoprotetyka
2007, tom VIII, nr 4 (29)
S TO M ATO L O G I A K L I N I C Z NA
Mariusz Pryliński, Honorata Limanowska-Shaw
Właściwości tytanu i problem nadwrażliwości
na ten metal
STRESZCZENIE
Autorzy przedstawiają podstawowe informacje dotyczące
form występowania tytanu oraz omawiają niektóre właściwości tego metalu. Korzystne cechy tytanu to: powszechność występowania w przyrodzie, brak smaku i zapachu,
niski ciężar właściwy, odporność na korozje, niski współczynnik przewodnictwa cieplnego oraz stosunkowo wysoki
stopień biozgodności w kontakcie z żywą tkanką. Dzięki
tym zaletom tytan znalazł zastosowanie w takich specjalnościach stomatologicznych jak: ortodoncja, endodoncja,
implantologia, chirurgia szczękowa i protetyka stomatologiczna. Tytan jest metalem trudnym w obróbce, jednak zastosowanie nowoczesnych technik odlewniczych systemu
próżniowo – ciśnieniowego oraz obróbki w technologii
CAD/CAM pozwala na wykorzystanie tego metalu w protetyce stomatologicznej i Implantoprotetyce. W artykule
opisano również problem nadwrażliwości na tytan oraz
trudności diagnostyczne na jakie można napotkać stosując
standardowe testy skórne, wskazując jednocześnie na nowoczesne metody diagnozowania alergii przy pomocy testu
MELISA.
SUMMARY
Katedra i Zakład Biomateriałów i Stomatologii Doświadczalnej Uniwersytetu
Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu
Kierownik: prof. zw. dr hab. med. Honorata Limanowska – Shaw
Słowa kluczowe: biokompatybilność, tytan, właściwości fizykochemiczne
-
-
-
-
-
The authors present data concerning the different forms of
titanium and its properties and metal which is important
from the biological and physical point of view. The positive
features of the metal are its common presence in nature,
low price, lack of taste and smell, low atomic weight, resistance to corrosion and low thermal coefficient. Due to
these qualities, titanium is widely useed in medicine and
such dental specialties as orthodontics, endodontics, implantology oral surgery and prosthodontics. It is a metal
which is difficult to process but the use of a two chamber,
pressure – vaccum system allows its use in prosthetics
for the fabrication of both removable dentures and fixed
restorations.The question of patient sensitivity for titanium
and the difficulty of diagnosing the condition by means of
standard skin tests is discussed. Finally, a new diagnostic
method using a Memory Lymphocyte Immunostimulation
Assai (MELISA) test is presented.
50
Keywords:
biocompatybility,
titanium,
physics and chemical property
Ze względu na korzystne cechy fizyko-chemiczne tytan znalazł
zastosowanie w przemyśle, medycynie oraz takich specjalnościach stomatologicznych jak chirurgia szczękowa, implantologia, endodoncja, ortodoncja i protetyka stomatologiczna.
Metal ten został odkryty w roku 1791 w Kornwalii przez
Wiliama Gregora pod postacią dwutlenku tytanu, stanowiącego nierozpuszczalną w kwasach pozostałość po wyługowaniu
tlenków żelaza z piasku [1]. W 1795 roku Martin Heinrich
Klapproth przeprowadzając analizę węgierskich minerałów
odkrył rutyl (dwutlenek tytanu), który ze względu na duża
twardość nazwał tytanem, na cześć mitycznego syna Urana
i Geji. Rozpoczęto badania zmierzające do uzyskania czystej
formy tego metalu, których prekursorem był J. Berzelius (1825).
Autor ten przeprowadzając dezoksydację dwutlenku tytanu za
pomocą sodu otrzymał wolny tytan, zawierający jednak pewną ilość zanieczyszczeń. Dopiero tuż przed wybuchem I wojny
światowej amerykański badacz Hunter pracując nad nową konstrukcją bomby, otrzymał metal o czystości 99,9% [1].
Tytan stanowi 0,56% pokrycia skorupy ziemskiej i jest wspólnie z glinem, żelazem oraz magnezem najczęściej występującym
metalem, podczas gdy będące synonimem wysokich wartości
złoto stanowi zaledwie 1 milionową % [1, 2].Współcześnie każdego roku na świecie przerabia się około 100 000 ton tytanu.
Ten stalowo-srebrzysty metal nie posiada smaku ani zapachu.
Bardzo niski, bo 15 razy niższy od złota oraz 4 razy mniejszy
niż w przypadku niklu i kobaltu współczynnik przewodnictwa
cieplnego (21,4 W/mK) sprawia, że stanowi on swoistą ochronę przed możliwością podrażnień termicznych miazgi [2, 3].
Ponadto moduł sprężystości, który wynosi 110 GN/m² jest
porównywalny z typowymi stopami złota grupy IV. Jednak ze
względu na fakt, że jest on znacznie niższy w porównaniu ze
stopami chromowo-kobaltowymi, uzupełnienia protetyczne
wykonywane ze stopów tytanu powinny być pogrubione o 3050%, aby zachować odpowiednią stabilność i odporność na
skręcanie [2, 3]. Bardzo niska gęstość tytanu, wynosząca 4,51
g/cm² powoduje, że wykonane z jego stopów konstrukcje są
lekkie przy równoczesnym zachowaniu sztywności oraz właściwej twardości. Nieoczekiwanie korzystną cechą tytanu jest
jego dobra przepuszczalność dla promieni rentgenowskich [2,
3, 4], która sprawia, że słaby cień jaki dają na zdjęciach konstrukcje tytanowe nie zasłania ciemnych plam próchnicowych,
jak również pozwala ocenić szczelność przylegania elementów retencyjnych mostów adhezyjnych. Cechy te nie byłyby
widoczne w przypadku zastosowania materiałów bardziej
kontrastowych takich jak stelity czy stopy chromowo-niklowe. Temperatura topnienia tytanu jest wysoka w porównaniu
z innymi metalami stosowanymi w protetyce stomatologicznej
bardzo i wynosi 1668°C. Cechą charakterystyczną procesu
topienia tego metalu jest także występujący dymorfizm, sprawiający, że w temperaturze poniżej 885 ±2°C, tytan przybiera
formę heksagonalną (α – tytan), natomiast powyżej tej temperatury zmienia ją na formę regularną przestrzennie centrowaną (β – tytan). Powyższe cechy, jak również duże powinowac-
Implantoprotetyka
-
-
-
-
-
2007, tom VIII, nr 4 (29)
two do tlenu, azotu, wodoru i krzemu popwoduje, że tytan nie
może być przetwarzany w procesie laboratoryjnym według
dotychczas obowiązujących procedur stosowanych względem
innych stopów dentystycznych [5]. W odlewnictwie tytanu
wykorzystuje się system ciśnieniowo-próżniowy w układzie
dwóch komór. W komorze górnej po wypompowaniu powietrza i wypełnieniu argonem topi się metal, za pomocą łuku
świetlnego a następnie wtłacza do formy odlewniczej umiejscowionej w komorze dolnej, w której znajduje się próżnia.
Należy zaznaczyć, iż ze względu na dość łatwe wchodzenie
tytanu w reakcje z krzemem, do sporządzania form odlewniczych używa się specjalnych mas ogniotrwałych z małą zawartością kwarcu, na rzecz tlenków metali (tlenek glinu, magnezu,
cyrkonu, itru) charakteryzujących się małą zdolnością łączenia
z tytanem (entalpia).
Wysoka, w porównaniu z innymi metalami, odporność tytanu
na korozję jest związana z jego dużą reaktywnością, powodująca, że już po kilku milisekundach na wypolerowanej powierzchni stopu wytwarza się niewidoczna dla oka warstwa
tlenków [6]. Powstaje trwała powłoka wytworzona przez rutyl,
która skutecznie zabezpiecza konstrukcje wykonane z tytanu
przed wpływami środowiska jamy ustnej [3]. Przeprowadzone
w ostatnich latach badania nad możliwością elektrolitycznego
polerowania powierzchni tytanu oraz jego stopów wykazały,
że w skład pasywnej warstwy tlenkowej wchodzi także podtlenek tytanu [7].
W piśmiennictwie poświęconym materiałom stomatologicznym wiele uwagi poświęca się problemowi biozgodności
(biokompatybilności). Zdaniem J. C. Wataha [8] pod pojęciem
„biokompatybilność” należy rozumieć „zdolność materiałów
do wywoływania właściwej odpowiedzi biologicznej w danym
zastosowaniu”. Aby prawidłowo ten termin ocenić należy
przyjąć, że nie ma materiałów zupełnie biologicznie obojętnych. Również te określane mianem biozgodnych, po umieszczeniu w tkankach wywierają na nie określone działanie, jak
również tkanki organizmu oddziałują na materiały. Wzajemne
reakcje tego układu zależą nie tylko od właściwości organizmu i materiału, ale także od funkcji pełnionej przez materiał.
W trakcie „używania” materiał może, pod wpływem działających na niego sił, zmienić właściwości a tym samym zmianie
może ulec reakcja organizmu. Inną przyczyną zmian układu
organizm – materiał może być pogorszenie stanu zdrowia pacjenta. Jak z tego wynika odpowiedź organizmu na zastosowane w leczeniu materiały jest procesem dynamicznym zależnym
zarówno od pełnionej przez nie funkcji jak i czasu przebywania w organizmie.
Na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku publikowano doniesienia o możliwości wystąpienia zmian zapalnych
w tkankach sąsiadujących z tytanowymi płytkami służącymi
do zespolenia złamanych odłamów kostnych [9]. Badania immunohistochemiczne wykazały w nich bowiem nacieki limfocytami CD4+ i CD8+ - co sugeruje obecność przewlekłego
procesu zapalnego, lecz również może być wynikiem odczynu
opóźnionej nadwrażliwości na tytan [9, 10]. Jednocześnie nie
stwierdzono przypadków nadwrażliwości na tytan po wykonaniu testów skórnych, co wynika zarówno z niedostatecznej
penetracji zawiesiny diagnostycznej w głąb skóry jak również
z faktu, iż dwutlenek tytanu nie rozpuszcza się w wodzie.
Dowodzi to, że ten rodzaj testu nie jest odpowiedni dla oceny
odpowiedzi komórkowej indukowanej przez sole tytanu [11,
12]. Ponadto zdaniem Thon i Schiwera wykrycie nadwrażliwow w w. i m p l a n t o p r o t e t y k a . e u
S TO M ATO L O G I A K L I N I C Z NA
ści na metale przy użyciu konwencjonalnej diagnostyki z użyciem testów skórnych w których substancja alergizująca jest
aplikowana na okres 3 – 4 dni stwarza trudności w określeniu czy mamy do czynienia z alergią czy też z podrażnieniem
[13]. Przyjmuje się, ze właściwą metodą pozwalającą wykryć
alergię na metale, jest diagnoza in vitro za pomocą immunologicznego testu z użyciem próbki krwi. Test ten określany jest
w literaturze medycznej skrótem MELISA (ang. Memory Lymphocyte Immunostimulation Assai) [11, 12, 13, 14]. Odpowiedź
immunologiczną ocenia się na podstawie zdolności powstawania z limfocytów komórek limfoblastycznych, tzw. wskaźnik
limfoblastyczny, po symulacji domniemanym alergenem [11,
12]. Badanie przy pomocy testu MELISA przeprowadzone
w Instytucie Stomatologii w Pradze i w Sztokholmie wykazały, że alergia na metale jest nie tylko ważnym czynnikiem
w powstawaniu miejscowych zmian patologicznych, lecz także
może mieć wpływ na ogólny stan zdrowia pacjentów, zwłaszcza posiadających już inne postacie alergii lub schorzenia autoimmunologiczne [15, 16].
Badania przeprowadzone w Norwegii, wykazały jednak, że
częstość z jaką metale poprzez kontakt z jamą ustną wywołują
odczyny alergiczne, jest relatywnie niska bowiem występuje
u jednego na dwa tysiące sześciuset badanych, co stanowi zaledwie 0,038% [8].
Mimo, że technologia przetwarzania tytanu, ze względu na jego
duże - zwłaszcza w wyższych temperaturach - powinowactwo
do tlenu, azotu, wodoru i kwarcu wymaga spełnienia szeregu trudnych warunków [4], to jego zalety, do jakich należą
powszechność występowania w przyrodzie, niska cena oraz
odporność na korozję, powodują, że zastosowanie tego metalu w medycynie jest coraz powszechniejsze. Zalety te, a także odporność mechaniczna, lekkość oraz niski współczynnik
przewodnictwa cieplnego, stanowią, że jest to materiał który
w przyszłości może stać Asię ważną alternatywą dla większości stopów używanych obecnie do wykonawstwa uzupełnień
protetycznych zarówno stałych jak i ruchomych.
PIŚMIENNICTWO
1. Biotan: important information abort the titanium casting technology., Schütz Dental Group., Catalogue 2005.
2. Koeck B.: Korony i mosty. Urban & Partner., Wrocław 1999,
205-208.
3. Küpper H.: Pure titanicum as an alternative material in resterative dentistry. Quintessence Dent. Tech.1995, 15,143-152.
4. Orlicki R., Kłaptocz B.: Tytan i jego stopy właściwości, zastosowanie w stomatologii praz sposoby przetwarzania. Inżynieria
Stomatologiczna, Biomateriały, 2002, 1, 4-9.
5. Majewski S.W.: Rekonstrukcja zębów uzupełnieniami stałymi.
Wydawnictwo Fundacji Rozwoju Protetyki, Kraków 2005,
80-81.
6. Kerschbaum T.: Protetyka adhezyjna: mosty, zaczepy, szyny, licówki. Urban & Partner. Wrocław 1999, 184-188.
7. Kuhn A.: The electropolishing of titanium and its alloys. Met.
Finish., 2004, 6, 80-86.
8. Brantley W.A., Eliades T.: Orthodontic materials: scientic and clinical aspects. Georg Thieme Verlag. Londyn 2001, 307-324.
9. Hunt J.A. et al: The effect of titanium debris on soft tissue
response. J. Mater. Sci. 1994, 5, 381-385.
10.Matthew I., Frame J.W.: Allergic responses to titanium. J. Oral
Maxillofac. Surg. 1998, 56, 1466-1467.
51
Implantoprotetyka
S TO M ATO L O G I A K L I N I C Z NA
-
-
-
-
-
11.Stejskal V.D.: Human hapten-specific lymphocytes: biomarkers
of allergy in man. Drug Information J. 1992, 31, 1379-1382.
12.Stejskal J., Stejskal V.: The role of metals in autoimmunity and
the link to neuroendocrinology. Neuroendocrinology Letters.,
1999, 20, 351-364.
13.Thon E.V., Schiwara H.W.: Validy of MELISA for metal sensitivity testing. Neuroendocrinology Letters, 2003, 24, 57-64.
14.Stejskal V. et al: Metal – specific lymphocytes: biomarkers of
sensitivity in man. Neuroendocrinology Letters. 1999,20,
289-298.
15.Stejskal V. et al: MELISA – an in vitro tool for the study of metal
allergy. Toxic. in Vitro. 1994, 8, 991-1000.
16.Prochazkova J. et al: The beneficial effect of amalgam replacement on health in patients with autoimmunity. Neuroendocrinology Letters. 2004, 25, 211-218.
Artykuł nadesłano: 10.10.2007
Przyjęto do druku: 8.11.2007
Adres do korespondencji:
ul. Bukowska 70, 60-812 Poznań
52
2007, tom VIII, nr 4 (29)