מדוע לטיטניום יש זיקה גבוהה לגוף האדם?

הסיבה העיקרית לשימוש התכוף בטיטניום בגוף האדם היא התאימות הביולוגית של טיטניום ושל המשטחים הביו-אקטיביים שעברו שינוי פני השטח. מאפייני פני השטח המשפיעים על התאימות הביולוגית הם מאפייני פני השטח עמידות באתר מרחבי, אתרי קשירה והידרופוביות (הרטבה). תכונות אלו מותאמות כדי לייצר את התגובה הסלולרית הרצויה. חלק מהשתלים הרפואיים כמו גם חלקים של מכשירים כירורגיים מצופים בטיטניום ניטריד. טיטניום נחשבת למתכת הביולוגית הטובה ביותר בשל עמידותה בפני קורוזיה על ידי נוזלי גוף, אינרציה ביולוגית, יכולת אוסאואינטגרציה ומגבלת עייפות גבוהה. יכולתו של טיטניום לעמוד בסביבה הקשה של הגוף היא תוצאה של היווצרות טבעית של סרט תחמוצת מגן בנוכחות חמצן. סרט התחמוצת נדבק חזק, אינו מסיס ואטום מבחינה כימית, ומונע מהמתכת להגיב עם סביבתה. נהוג לחשוב שיכולת הריפוי של העצם של טיטניום נובעת מהקבוע הדיאלקטרי הגבוה של תחמוצת פני השטח שלו, שאינה פוגעת בחלבונים. יכולתו של טיטניום להיקשר פיזית לעצם הופכת אותו לעדיף על חומרים אחרים הדורשים שימוש בדבקים כדי להישאר מחובר. שתלי טיטניום מחזיקים מעמד זמן רב יותר ודורשים כוח רב יותר כדי לשבור את הקשרים המחברים אותם לגוף מאשר אלטרנטיבות. תכונות פני השטח של חומרים ביולוגיים ממלאות תפקיד חשוב בקביעת התגובה התאית (הידבקות תאים והתפשטות) לחומר. המיקרו-מבנה של טיטניום ואנרגיית פני השטח הגבוהה מאפשרים לו לעורר אנגיוגנזה, התורמת לתהליך ריפוי העצם. בהתאם למצב החמצון שלו, לטיטניום יכולים להיות הרבה פוטנציאלים סטנדרטיים של אלקטרודות. לטיטניום מוצק יש פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי חומרים עם פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי גבוה יותר קלים להפחתה וליצור מחמצנים טובים יותר. טיטניום מוצק מעדיף חמצון, מה שהופך אותו לחומר מפחית טוב יותר. טיטניום פסיבי באופן טבעי ויוצר סרט תחמוצת שהופך לא אחיד ומקוטב עם חשיפה לסביבה הפיזית. עם הזמן, זה מוביל לספיחה מוגברת של קבוצות הידרוקסיל, ליפופרוטאינים וגליקוליפידים. ספיחה של תרכובות אלו משנה את האינטראקציה של החומר עם הגוף ויכולה לשפר את התאימות הביולוגית. בסגסוגות טיטניום כגון טיטניום-זירקוניום וטיטניום-ניוביום, יוני הזירקוניום והניוביום המשתחררים עקב קורוזיה אינם משתחררים לגוף המטופל אלא מתווספים לשכבת הפסיבציה. מרכיבי הסגסוגת בשכבת הפסיבציה מוסיפים מידה של תאימות ביולוגית ועמידות בפני קורוזיה, בהתאם להרכב הסגסוגת המקורית של המתכת המארחת לפני הקורוזיה. על ידי הגדלת יכולת ההרטבה, השתל יכול להפחית את הזמן הנדרש לריפוי העצם על ידי כך שהוא מאפשר לתאים להיקשר בקלות רבה יותר למשטח השתל. הרטבת טיטניום ניתנת לשינוי על ידי אופטימיזציה של פרמטרי תהליך כגון טמפרטורה, זמן ולחץ. טיטניום בעל שכבת תחמוצת יציבה המורכבת בעיקר מטיטניום דו חמצני מביאה לשיפור הרטבה של השתל במגע עם נוזלים פיזיולוגיים.