Kan implantater ruste i kroppen?

Men hva med implantater man har i kroppen?  For eksempel de skruene du måtte sette inn i kroppen da ankelen din brakk, eller det implantatet du måtte ha i munnen da hele tannen din måtte byttes ut? Kan disse implantatene «ruste»? Om implantater ikke akkurat ruster (de er jo oftest laget av rustfritt stål eller titan), kan det forekomme en kjemisk reaksjon som kalles korrosjon, og dette fenomenet har forsker Benjamin Müller ved Det odontologiske fakultet sett nærmere på.

Korrosjon

– Korrosjon er enkelt forklart at metall reagerer med omgivelsene, og endrer seg på et eller annet vis, sier Müller.  Det problematiske med at metallet endrer seg, er at egenskapene til metallet også forandres.  Og det er jo nettopp de spesielle egenskapene som er grunnen til at man bruker et bestemt metall. Forandres egenskapene, så forandres også grunnlaget for hvorfor man valgte å bruke akkurat dette metallet.  Konsekvensene av korrosjon kan da bli at implantatene løsner, eller mister sin styrke.

Vekststativ for beinceller

Det vanligste er å ha rustfritt stål eller titan som implantater i kroppen, men ved avdeling for biomaterialer, har de forsket på et implantat laget av titandioksid, som brukes til å erstatte tapt bein.  Det spesielle med titandioksid (TiO2), er at det er et keramisk materiale, og har en form som er svært porøs. Det betyr at beinceller kan vokse inn i implantatets strukturer og danne bein der. Det er rett og slett et vekststativ for beinceller.

– Vi vet at TiO2 har mange egenskaper som egner seg for bruk i kroppen, til og med at den er mer motstandsdyktig mot korrosjonsprosesser enn for eksempel metaller som brukes i kroppen, forklarer Müller.  Men vi vet også at det forekommer korrosjonsprosesser i titandioksid, men at dette i hovedsak er det vi kaller korngrensekorrosjon.

 For å forstå hva dette fenomenet er, må man vite hvordan metaller, eller keramiske strukturer er oppbygd. Metallstrukturer og keramiske strukturer er satt sammen av små korn, og de forbindelsene som holder disse metalliske/keramiske kornene samme kalles korngrenser.  Korngrensekorrosjon er altså korrosjon som oppstår i disse overgangene som holder kornene sammen.  Problemet med korngrensekorrosjon er at det svekker styrken i vekststativet, og kan få det til å kollapse eller rase sammen.

 Elementer utenfra

Müller ønsket å se nærmere på hva som egentlig skjedde i denne prosessen, og om det var noe tiltak man kunne sette inn for å motvirke korngrensekorrosjonen.

Det første han gjorde var å undersøke hva disse korngrensene i titandioksidet bestod av. Her fant han ut at det inneholdt både silisium og aluminium.  Dette var litt uventet, fordi disse elementene ikke brukes i fremstillingsprosessen av keramene.

Elementene kommer følgelig utenfra og trenger seg inn i korngrensene.  Hvor kunne dette komme fra?  Det fantes egentlig bare ett svar, og det var fra fremstillingsprosessen.  Måten titandioksid-vekststativet blir laget, er å varme det opp til en temperatur som er 1500 grader. I så høye temperaturer viste det seg at sinter-ovnen avgav silisium og aluminiumioner fra varmeelementene, som trengte seg inn i korngrensene under fremstilling av keramene.

«Biologiske væsker»

Det andre han gjorde var å se hvordan titandioksidstrukturen oppførte seg når den ble plassert i væsker som lignet på biologiske prosesser i kroppen. Han plasserte titanvekststativene i «biologiske» væsker i alt fra 1 time til 24 uker.  Det mest interessante funnet var at etter 12 timer, hadde korngrensekorrosjon en vesentlig effekt på den mekaniske styrken til vekststativet. Disse korngrensene viste en amorf struktur, i motsetning til de krystalline kornstrukturene. Amorfe strukturer er kjent for at de lettere reagerer med omgivelsene. Fenomenet som ble observert,var at korngrensene løste seg delvis opp når de ble utsatt for korrosjon i de forskjellige væskene.

Mottiltak

Hvilke mottiltak kunne man sette inn for å motvirke denne svakheten? Det første man kunne gjøre, var å gjøre noe med temperaturen når man fremstilte vekststativet. Ved å ta vekststativet ut av ovnen på 1500 grader og la det avkjøles raskt til 20 grader, for deretter å varme det opp til 900 grader, oppdaget man at stabiliteten til korngrensene økte. En ting som skjedde da, var at forurensninger som silisium og aluminium ble hindret i å trenge seg inn i korngrensene, og dermed økte stabiliteten.

Det andre mottiltaket var å belegge korngrensene med et tynt lag av atomer, som allerede hadde en krystallstruktur, noe som også viste seg å beskytte mot korrosjon

.

Opprettholdt styrke

Dette var forsøk utenfor kroppen. Neste del i prosjektet var å se på hva som skjedde inni munnhulen, når man satte inn et implantat i gris. Men da Müller så på hvordan korngrensene klarte seg inne i munnhulen, viste det seg at vekstativet opprettholdt sin styrke. Korrosjonsprosessen er antakeligvis svakere i kroppen og innvokste beinceller kompenserte for korrosjonsprosessen.

Mindre bein

Men problemet var imidlertid at tannkjøttcellene vokste raskere enn beincellene og gjorde at beincellene fikk mindre plass, og at da ble det dannet mindre bein. En vanlig måte å løse dette problemet på, er å lage en fysisk membran som man skrur fast i tannkjøttet over implantatet. Dette er både en vanskelig og kostbar prosess, og Müller ønsket å se nærmere på om han kunne finne frem til et bedre alternativ.

Barriere i titandioksid

Løsningen var rett og slett å produsere en barriere i titandioksid på den siden av vekststativet som vender mot bløtvevet. På denne måten kan bløtvevsceller hindres fra å vokse inn i materialet, og det blir tid og plass nok til å danne nytt og tilstrekkelig bein. Barrieren viste seg kompatibel med beinceller, men videre cellestudier trengs for å optimalisere barrierekvaliteten mot tannkjøttceller.