Conclusione di Robert J Harling in questo articolo:

“Le informazioni disponibili indicano che il tantalio è altamente resistente agli attacchi chimici e provoca risposte biologiche avverse molto scarse, sia in forma ridotta che ossidata. Molti studi dimostrano un’eccellente biocompatibilità in una varietà di situazioni, tra cui quelle relative alla chirurgia ossea.”

Il tantalio è stato ampiamente utilizzato nelle applicazioni cliniche per più di 50 anni.

• come marcatore radiografico per scopi diagnostici, a causa della sua alta densità
• come materiale di scelta per l’impianto permanente nell’osso, poiché l’osteomigrazione impedisce la migrazione
• come clip vascolari, con il particolare vantaggio che, poiché il tantalio non è ferromagnetico, è molto adatto alla scansione MRI
• nella riparazione di difetti cranici – in merito a questa applicazione, esiste uno standard di materiale medico degli Stati Uniti d’America per il tantalio
• come stent flessibile per prevenire il collasso arterioso
• come stent per il trattamento della stenosi fistolare biliare e artero-venosa (emodializzatore)
• nella riparazione di fratture
• in applicazioni dentali
• in altre varie applicazioni

La Biocompatibilita del tantalio

A cura di Robert J Harling BSc(Hons) CBiol, MIBiol, DipRCPath, MRCPath, Eurotox Registered Toxicologist; Aprile 2002 Il Report è ristampato con l’autorizzazione e grazie a Danfoss Tantalum Technologies

INTRODUZIONE

Questo documento esamina la letteratura che presenta informazioni pertinenti al problema della biocompatibilità del tantalio. Le informazioni provengono dalla letteratura scientifica, dagli studi di estrazione condotti dal Danfoss Technology Center e dagli studi di valutazione delle superfici condotti dal Danish Polymer Center, Risø National Laboratory, Danimarca.

 LITTERATURA SCIENTIFICA

(i) Proprietà fisiche Il tantalio e le sue leghe conservano proprietà meccaniche significative fino a 1000 dg. Il tantalio è chimicamente stabile, ossidante in aria a 300 dg. C, e ha un’eccellente resistenza alla corrosione, essendo attaccato solo da acidi e alcali forti che si idrolizzano per formare acido fluoridrico.

Il simbolo del tantalio è Ta
Numero atomico 73
Significa Peso atomico 180,95
Tavola periodica che raggruppa
VB insieme a vanadio e niobio
Densità 16.6 g.cm3
Punto di fusione Point 3000 dg.

C Nonostante sia un metallo reattivo (per posizione nella tavola periodica), il tantalio è considerato un materiale nobile in termini pratici.

(ii) Risposta materiale Esistono pochi dati pubblicati relativi agli studi in vitro per prevedere la degradazione in vivo. Il tantalio è coperto da pellicola a bassissima solubilità di ossido di tantalio, su una vasta gamma di combinazioni di pH e pO2 che riflettono situazioni biologiche. La reazione di equilibrio ossido di tantalio/tantalio è impossibile da caratterizzare direttamente a causa del potere protettivo dell’ossido. Il rilascio di corrosione in vivo è molto leggero, non ci sono segnalazioni che indicano concentrazioni locali, sistemiche o remote relative al rilascio di corrosione. L’osservazione più comune, sia negli animali che nei rapporti clinici, è l’assenza di corrosione visibile o prodotti di corrosione. In uno studio di biocompatibilità specifico Watari et al hanno studiato il tantalio dopo l’impianto nel tessuto sottocutaneo della regione addominale e nel midollo osseo femorale dei ratti per 2 o 4 settimane. Non è stata rilevata alcuna dissoluzione del metallo nei tessuti molli mediante un microscopio analitico a scansione a raggi X (XSAM) e non è stata rilevata alcuna dissoluzione del metallo nell’osso mediante procedure di mappatura elementare del microanalizzatore elementare (EPMA) con sonda elettronica. Lo studio ha concluso che il tantalio ha una biocompatibilità accettabile per l’utilizzo come biomateriale. Laddove sono possibili movimenti tra impianto e tessuto, in alcune occasioni è stato notato un leggero scolorimento. Ciò è simile alla situazione che si verifica con il titanio e le leghe di titanio ed è possibile in seguito alla rimozione di particelle di ossido. L’assunzione di tantalio e ossido di tantalio produce livelli molto bassi di assorbimento di tantalio dal sistema respiratorio o da quello gastrointestinale, ancora una volta un riflesso della bassa solubilità del materiale. Il tantalio si libera prontamente da polmoni, dalle vie aeree e dall’esofago, sia negli animali che nell’uomo, in assenza di malattie respiratorie.

(iii) Risposta dell’host Le particelle di tantalio (da 10 a 50 micrometri) e il titanio puro non causano inibizione della crescita nelle colture di fibroblasti cutanei umani. Altri studi raggruppano il tantalio con una serie di altri metalli e leghe tra cui acciaio inossidabile e titanio puro, in relazione alla mancanza di effetti biologici. È difficile trovare dati standard relativi agli effetti tossicologici del tantalio. I riferimenti indicano che non esiste alcuna malattia umana nota attribuibile al tantalio, che gli avvelenamenti sistemici in situazioni industriali sono sconosciuti e che i composti di tantalio e il tantalio non sono elencati come presunti o possibili agenti cancerogeni. Il LD50 orale per pentossido di tantalio nei ratti viene citato in un documento di riferimento per essere maggiore a 8 g per Kg di peso corporeo. Laddove il tantalio etichettato è stato iniettato in modelli animali, solo il 15% viene trattenuto all’interno del corpo, la restante quantità viene espulsa rapidamente. Il quaranta percento di ciò che viene trattenuto all’interno del corpo viene trattenuto all’interno dell’osso.

Quando il tantalio viene impiantato come una lamina, un filo o una rete nei tessuti molli in animali o nell’uomo, la principale risposta del tessuto locale è la formazione di una membrana sottile e luccicante senza alcuna evidenza di infiammazione. Questa risposta è caratterizzata da tessuto fibroso sciolto e vascolarizzato e in alcuni casi dalla presenza di un epitelio a contatto con l’impianto. Nel lavoro di Crochet et al, una comprensione dei processi patologici conseguenti all’impianto di stent di tantalio nell’arteria femorale delle pecore fornisce ulteriori prove della buona biocompatibilità mostrata dai prodotti a base di tantalio. Durante i primi quattro giorni dopo l’impianto è stata osservata una copertura da Throbi non organizzato. Entro quindici giorni l’iperplasia neointimale copriva completamente il segmento arterioso provvisto di stent. Questo tessuto fibroblastico non ha mostrato reazioni da parte di corpi estranei. Entro 42 giorni le cellule di collagene e miofibroblastiche avevano progressivamente sostituito il tessuto fibroblastico, fenomeno indicativo di un processo di guarigione. Una risposta simile si osserva con il titanio puro, le leghe di titanio, lo zirconio, il niobio e il platino dopo l’impianto. In uno studio di biocompatibilità specifico Watari et al hanno studiato il tantalio dopo l’impianto nel tessuto sottocutaneo della regione addominale e nel midollo osseo femorale dei ratti per 2 o 4 settimane. Non è stata osservata alcuna risposta infiammatoria intorno agli impianti e questi sono stati tutti incapsulati con un tessuto connettivo fibroso sottile. Lo studio ha concluso che il tantalio ha una biocompatibilità sufficiente per l’utilizzo come biomateriale.

I primi studi hanno riportato ascessi dopo l’apposizione cerebrale di tantalio nell’uomo, tuttavia, l’infezione deve essere considerata come una ragione potenziale piuttosto che una risposta tissutale al materiale impiantato. Inoltre, alcuni dei primi studi clinici devono essere messi in discussione a causa della fonte, della purezza, dei processi di pulizia pre-operatoria e di sterilizzazione utilizzati per il tantalio impiantato. Se impiantato come lamina, filo, asta o pallina, ci sono diversi rapporti secondo cui il tantalio può essere osteointegrato. Cioè, l’apposizione diretta dell’osso viene osservata contro l’impianto senza uno strato di tessuto molle o una capsula intermedi. È stato suggerito che la ragione di ciò sia che, come il titanio, il tantalio ha un ossido superficiale elettricamente non conduttivo che non denatura le proteine e quindi consente l’osteointegrazione. Il lavoro a supporto di questo concetto è presentato da Zitter et al, che descrivono un sistema in vitro per misurare le densità attuali dei metalli utilizzati negli impianti. Queste misurazioni producono risultati che sono in buon accordo con i risultati degli studi sulla biocompatibilità in vivo. Nei loro studi sui metalli puri come il titanio, il niobio e il tantalio hanno mostrato i valori di densità di corrente più bassi che dimostrano una correlazione sul fatto che questi materiali presentino una elevata biocompatibilità. Il motivo citato per questi materiali con bassa densità di corrente è la presenza di uno strato di ossido stabile sui metalli di base. Lo strato di ossido stabile impedisce uno scambio di elettroni e quindi qualsiasi reazione redox. Quindi i materiali sono bio-inerti. Bobyn et al (1), hanno utilizzato impianti cilindrici di tantalio che erano porosi dal 75 all’80%, in uno studio condotto nelle 52 settimane in cui sono stati impiantati nel femore. La crescita ossea è stata chiaramente dimostrata nello studio con un’elevata resistenza di fissazione che si verificava precedentemente con gli impianti porosi di tantalio. Il report non fornisce alcuna indicazione su eventuali reazioni avverse durante le procedure utilizzate. Il lavoro con alcali e tantalio trattato termicamente di Kato et al descrive la capacità di legame osseo del tantalio negli studi sui conigli e nel loro studio non sono stati rilevati effetti istologici indicativi di una reazione avversa agli impianti. Bobyn et al (2), studiano la risposta del tessuto osseo a un biomateriale al tantalio impiantato in cani con artroplastica bilaterale dell’anca. Una buona crescita ossea è stata osservata con il tantalio poroso e l’esame istopatologico ha confermato la biocompatibilità degli impianti. Il lavoro in vitro di Sharma et al ha dimostrato che la presenza dello strato di ossido sul tantalio migliora l’assorbimento delle proteine all’interfaccia. Negli studi è stata utilizzata una miscela di proteine, tra cui albumina, globulina e fibrinogeno. L’adsorbimento delle proteine sulla superficie, piuttosto che la denaturazione delle proteine, sarà uno dei motivi dei buoni risultati di biocompatibilità negli impianti al tantalio.

(iv) Risposte cliniche Il tantalio è stato ampiamente utilizzato nelle applicazioni cliniche per più di 50 anni. • come marcatore radiografico per scopi diagnostici, a causa della sua alta densità • come materiale di scelta per l’impianto permanente nell’osso, poiché l’osteomigrazione impedisce la migrazione • come clip vascolari, con il particolare vantaggio che, poiché il tantalio non è ferromagnetico, è molto adatto alla scansione MRI • nella riparazione di difetti cranici – in merito a questa applicazione, esiste uno standard di materiale medico degli Stati Uniti d’America per il tantalio • come stent flessibile per prevenire il collasso arterioso • come stent per il trattamento della stenosi fistolare biliare e artero-venosa (emodializzatore) • nella riparazione di fratture • in applicazioni dentali • in altre varie applicazioni Aronson et al, hanno intrapreso uno studio specifico dei marcatori al tantalio in radiografia con marcatori a perno e sferici impiantati nei tessuti ossei e molli di conigli e bambini. Non è stata osservata alcuna reazione macroscopica attorno ai marcatori, quelli impiantati nell’osso sono rimasti fissati saldamente mostrando uno stretto contatto con le lamelle ossee adiacenti. L’esame microscopico sui conigli non ha mostrato alcuna reazione o leggera fibrosi nell’osso nè lieve fibrosi, e nessuna o solo una minima risposta infiammatoria dopo 6 settimane. Nei bambini, fino a 48 settimane dopo l’inserimento non è stata riscontrata alcuna reazione infiammatoria e solo una leggera fibrosi. La bio-inerzia del tantalio è stata commentata nella conclusione del documento.

CONCLUSIONI

Le informazioni disponibili indicano che il tantalio è altamente resistente agli attacchi chimici e provoca risposte biologiche avverse molto scarse, sia in forma ridotta che ossidata. Molti studi dimostrano un’eccellente biocompatibilità in una varietà di situazioni, tra cui quelle relative alla chirurgia ossea. I metalli rivestiti con tantalio e il tantalio stesso non rilasciano nulla negli strumenti di estrazione durante procedure standardizzate e l’analisi della superficie mostra profili di bassa impurità. Se il tantalio utilizzato nella fabbricazione dei dispositivi medici proposti soddisfa i criteri di purezza, non vi è motivo di intraprendere ulteriori studi di biocompatibilità sugli animali. Questo report è stato preparato da: Data: Aprile 2002 Robert J Harling BSc(Hons) CBiol, MIBiol, DipRCPath, MRCPath, Eurotox Registered Toxicologist

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