Die Biokompatibilität von tantal

von Robert J. Harling BSc(Hons) CBiol, MIBiol, DipRCPath, MRCPath, Eurotox Registrierter Toxikologe;

April 2002 Der Bericht wird mit Genehmigung und Dank an Danfoss Tantalum Technologies abgedruckt.

Einleitung

Dieses Dokument gibt einen Überblick über die Literatur, die einschlägige Informationen zur Frage der Biokompatibilität von Tantal enthält. Die Informationen stammen aus der wissenschaftlichen Literatur, aus Extraktionsstudien, die vom Danfoss Technology Centre durchgeführt wurden, und aus Oberflächenbewertungsstudien, die vom Danish Polymer Centre, Risø National Laboratory, Dänemark, durchgeführt wurden.

Wissenschaftliche literatur

Physikalische Eigenschaften Tantal und seine Legierungen behalten signifikante mechanische Eigenschaften bis zu 1000° C bei. Tantal ist chemisch stabil und oxidiert an der Luft bei 300° C und hat eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, da es nur von starken Säuren und Laugen angegriffen wird, die zu Flusssäure hydrolysieren.

Tantal-Symbol Ta
Ordnungszahl 73
Mittleres Atomgewicht 180,95
Periodensystem-Gruppierung VB zusammen mit Vanadium und Niob
Dichte 16,6 g.cm3
Schmelzpunkt 3000° C

Obwohl Tantal (nach der Lage im Periodensystem) ein reaktives Metall ist, gilt es in praktischer Hinsicht als edles Material.

(ii) Materielle

Antwort Es gibt nur wenige veröffentlichte Daten in Bezug auf In-vitro-Studien, um die In-vivo-Degradation vorherzusagen. Tantal ist von einer Tantaloxidschicht mit sehr geringer Löslichkeit über einen breiten Bereich von pH- und pO2-Kombinationen bedeckt, die biologische Situationen widerspiegeln. Die Tantal/Tantaloxid-Gleichgewichtsreaktion ist aufgrund der Schutzwirkung des Oxids nicht direkt charakterisierbar. Die In-vivo-Korrosionsfreisetzung ist sehr gering, es liegen keine Berichte vor, die auf lokale, systemische oder entfernte Konzentrationen im Zusammenhang mit der Korrosionsfreisetzung hinweisen. Die häufigste Beobachtung sowohl bei Tieren als auch in klinischen Berichten ist das Fehlen von sichtbarer Korrosion oder Korrosionsprodukten. In einer spezifischen Biokompatibilitätsstudie untersuchten Watari et al. Tantal nach der Implantation in das subkutane Gewebe der Bauchregion und in das femorale Knochenmark von Ratten für 2 oder 4 Wochen.

Mit einem analytischen Röntgen-Rastermikroskop (XSAM) wurde keine Auflösung des Metalls in den Weichteilen festgestellt, und mit dem EPMA-Verfahren (Electron Probe Microanalyzer Elemental Mapping) wurde keine Auflösung des Metalls im Knochen festgestellt. Die Studie kam zu dem Schluss, dass Tantal eine akzeptable Biokompatibilität für die Verwendung als Biomaterial aufweist. Wo Bewegungen zwischen Implantat und Gewebe möglich sind, wurden in einigen Fällen leichte Verfärbungen festgestellt. Dies ähnelt der Situation, die bei Titan und Titanlegierungen auftritt, und ist nach der Entfernung von Oxidpartikeln möglich. Die Aufnahme von Tantal und Tantaloxid führt zu einer sehr geringen Tantalabsorption entweder aus dem Atmungs- oder dem Magen-Darm-System, was wiederum auf die geringe Löslichkeit des Materials zurückzuführen ist. Tantal wird sowohl bei Tieren als auch bei Menschen ohne Atemwegserkrankung rasch aus Lunge, Atemwegen und Speiseröhre entfernt.

(iii) Wirtsantwort

Tantalpartikel (10 bis 50 Mikrometer) und Reintitan verursachen beide keine Wachstumshemmung in menschlichen dermalen Fibroblastenkulturen. Andere Studien ordnen Tantal mit Blick auf das Fehlen biologischer Effekte in eine Reihe mit anderen Metalle und Legierungen einschließlich Edelstahl und Reintitan. Es ist schwierig, Standarddaten bezüglich der toxikologischen Wirkungen von Tantal zu finden. Hinweise deuten darauf hin, dass es keine bekannte menschliche Krankheit gibt, die auf Tantal zurückzuführen ist, dass systemische Vergiftungen in industriellen Situationen unbekannt sind und dass Tantal und Tantalverbindungen nicht als mutmaßliche oder mögliche Karzinogene aufgeführt sind.

Die orale LD50 für Tantalpentoxid bei Ratten wird in einem Hinweis mit mehr als 8 g/kg Körpergewicht angegeben. Wenn markiertes Tantal in Tiermodelle injiziert wurde, bleiben nur 15 % im Körper zurück, der Rest wird schnell wieder ausgeschieden. Vierzig Prozent dessen, was im Körper zurückgehalten wird, wird im Knochen zurückgehalten.

Wenn Tantal als Folie, Draht oder Netz in Weichgewebe von Tieren oder Menschen implantiert wird, ist die wichtigste lokale Gewebereaktion die Bildung einer dünnen, glänzenden Membran ohne Anzeichen einer Entzündung. Diese Reaktion ist durch lockeres und vaskularisiertes Fasergewebe gekennzeichnet, wobei in einigen Fällen ein Epithel in Kontakt mit dem Implantat steht. In der Arbeit von Crochet et al. liefert das Verständnis der pathologischen Prozesse nach der Implantation von Tantal-Stents in die Oberschenkelarterie von Schafen einen weiteren Beweis für die gute Biokompatibilität von Produkten auf Tantalbasis.

In den ersten vier Tagen nach der Implantation wurde eine Abdeckung durch nicht organisierte Thromben festgestellt. Nach fünfzehn Tagen bedeckte eine Hyperplasie der Neointima das gestentete Arteriensegment vollständig. Dieses fibroblastische Gewebe zeigte keine Fremdkörperreaktion. Nach 42 Tagen hatten Kollagen und myofibroblastische Zellen nach und nach das fibroblastische Gewebe ersetzt, was auf einen Heilungsprozess hindeutete. Eine ähnliche Reaktion zeigt sich bei Reintitan, Titanlegierungen, Zirkonium, Niob und Platin nach der Implantation. In einer spezifischen Biokompatibilitätsstudie untersuchten Watari et al.

Tantal nach der Implantation in das subkutane Gewebe der Bauchregion und in das femorale Knochenmark von Ratten für 2 oder 4 Wochen. Es wurde keine Entzündungsreaktion um die Implantate herum beobachtet, und alle waren mit dünnem faserigem Bindegewebe verkapselt. Die Studie kam zu dem Schluss, dass Tantal eine ausreichende Biokompatibilität für die Verwendung als Biomaterial aufweist.

Frühe Studien berichteten zwar über Abszesse nach einer zerebralen Tantalanlagerung beim Menschen, doch muss eine Infektion als potentielle Ursache und nicht als Reaktion des Gewebes auf das implantierte Material betrachtet werden. Darüber hinaus müssen einige der frühen klinischen Studien aufgrund der Quelle, der Reinheit, der präoperativen Reinigungs- und Sterilisationsverfahren für das implantierte Tantal in Frage gestellt werden. Wenn Tantal als Folie, Draht, Stab oder Kugel implantiert wird, gibt es mehrere Berichte, dass Tantal osteointegriert werden kann.

Das heißt, es wird eine direkte Anlagerung von Knochen an das Implantat ohne dazwischenliegende Weichteilschicht oder Kapsel gesehen. Es wurde vermutet, dass der Grund dafür darin liegt, dass Tantal wie Titan ein elektrisch nicht leitendes Oberflächenoxid besitzt, das Proteine nicht denaturiert und somit die Osteointegration ermöglicht. Arbeiten, die dieses Konzept unterstützen, werden von Zitter et al. vorgestellt, die ein In-vitro-System zur Messung von Stromdichten der in Implantaten verwendeten Metalle beschreiben. Diese Messungen führen zu Ergebnissen, die in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen von In-vivo-Biokompatibilitätsstudien stehen.

In ihren Studien zeigten reine Metalle wie Titan, Niob und Tantal die niedrigsten Stromdichtewerte, was mit diesen Materialien mit hoher Biokompatibilität korreliert. Der Grund, der für diese Materialien mit niedrigen Stromdichten angeführt wird, ist das Vorhandensein einer stabilen Oxidschicht auf den Grundmetallen. Die stabile Oxidschicht verhindert einen Austausch von Elektronen und damit jede Redoxreaktion. Daher sind die Materialien bioinert. Bobyn et al (1) verwendeten zylindrische Implantate aus Tantal, die zu 75 bis 80% porös waren, in einer 52-wöchigen Hundestudie, bei der sie in den Oberschenkelknochen implantiert wurden.

Das Einwachsen des Knochens wurde in der Studie eindeutig nachgewiesen, wobei die hohe Fixationsfestigkeit der porösen Tantalimplantate zu einem früheren Zeitpunkt auftrat. Der Bericht gibt keinen Hinweis auf irgendwelche unerwünschten Reaktionen während der angewandten Verfahren. Arbeiten mit alkali- und wärmebehandeltem Tantal von Kato et al. beschreiben die Knochenbindungsfähigkeit von Tantal in Kaninchenstudien, und in ihrer Studie wurden keine histologischen Effekte festgestellt, die auf eine unerwünschte Reaktion auf die Implantate hindeuten. Bobyn et al (2) untersuchen die Reaktion des Knochengewebes auf ein implantiertes Tantal-Biomaterial bei Hunden mit bilateralen Hüftendoprothesen. Mit dem porösen Tantal wurde ein gutes Knochenwachstum festgestellt, und die histopathologische Untersuchung bestätigte die Biokompatibilität der Implantate.

In-vitro-Arbeiten von Sharma et al. zeigten, dass das Vorhandensein der Oxidschicht auf Tantal die Adsorption von Protein an der Grenzfläche verstärkt. In den Studien wurde eine Mischung von Proteinen verwendet, darunter Albumin, Globulin und Fibrinogen. Die Adsorption von Proteinen an der Oberfläche, und nicht die Denaturierung der Proteine, wird einer der Gründe für gute Biokompatibilitätsergebnisse mit Tantalimplantaten sein.

In mehreren Studien wurde Tantal als bioinert anerkannt und als solches in bestimmten experimentellen Situationen als Negativkontrolle ausgewählt. Beispielsweise verwendeten Miller et al. Tantal als Negativkontrolle in einer Studie, in der Ratten mit Tantalimplantaten auf Urin und Plasma untersucht und die Proben mit dem Ames-Test auf mutagene Aktivität getestet wurden.

Alle Ergebnisse waren negativ. Chronisch implantierte Stimulationselektroden für Nervenprothesen werden entwickelt, um Nervendefizite zu lindern. In einer vergleichenden Arbeit von Johnson et al. wurde die Verwendung von Tantal-Tantaloxid-Elektroden in Gehirnimplantationsstudien bei Katzen untersucht. Nach dem Entfernen am Ende der Studie waren alle Elektroden locker von einer faserigen Hülle aus dura-archnoidem Bindegewebe umhüllt.

Es gab kein Gewebe, das an der Elektrodenoberfläche anhaftete. Histologisch zeigte sich eine leicht verdickte Pia mit einer leichten Reaktion der subpialen Neuroglien und keine neuronale Reaktion oder Entzündungsreaktion im Kortex. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Tantal-Tantaloxid-Elektroden weniger Gewebeschäden verursachten als Elektroden aus Rhodium, Platin oder Kohlenstoff, und dass Tantal-Tantaloxid-Elektroden nicht zu neurotoxischen Effekten führten.