Lar du sykkelen stå for lenge ut i regnet, så ruster den. Eller om du lar en kniv ligge lenge i verktøykassa uten olje, så oppdager du at den blir skjoldete og sløv. Det som har skjedd er at jernet har blitt utsatt for en prosess som heter oksidasjon. Det betyr at det har reagert med oksygenet i lufta.

Men hva med implantater man har i kroppen? For eksempel skruene du måtte sette inn i kroppen da ankelen din brakk. Eller 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. Dette fenomenet har forsker Benjamin Müller ved Det odontologiske fakultet sett nærmere på.

Metallet endrer seg

– 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 vi bruker et bestemt metall.

Men hvis egenskapene forandres, så forandres også grunnlaget for hvorfor vi valgte å bruke akkurat dette metallet. Konsekvensene av korrosjon kan da bli at implantatene løsner eller mister sin styrke.

Et vekststativ for beinceller

Det vanligste er å ha rustfritt stål eller titan som implantater i kroppen. 

Men ved avdeling for biomaterialer på Universitetet i Oslo har forskerne undersøkt et implantat laget av titandioksid, et metall 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 det forekommer også korrosjonsprosesser i titandioksid, ifølge forskeren. Dette kalles korngrensekorrosjon.

For å forstå hva dette fenomenet er, må vi 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 eller keramiske kornene sammen, 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 det er mulig å gjøre tiltak for å motvirke korngrensekorrosjonen.

Det første han gjorde var å undersøke hva 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 vekststativet blir laget, er å varme det opp til en temperatur som er 1500 grader. I så høye temperaturer viste det seg at ovnen avgav silisium og aluminiumioner fra varmeelementene, som trengte seg inn i korngrensene under fremstilling av de keramiske stoffene.

Biologiske væsker

Det andre han gjorde, var å se på 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 én time til 24 uker. Det mest interessante funnet var at etter tolv 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.

Temperatur som mottiltak

Hvilke mottiltak kan vi sette inn for å motvirke denne svakheten?

For det første kan vi gjøre noe med temperaturen når vekststativet fremstiltes. 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 forskerne at stabiliteten til korngrensene økte. Det 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.

Testet implantat på gris

Dette var forsøk utenfor kroppen. Neste del i prosjektet har vært å se hva som skjedde inni munnhulen når forskerne satte inn et implantat i gris.

Da Müller så hvordan korngrensene klarte seg inne i munnhulen, viste det seg at vekstativet opprettholdt styrken. Korrosjonsprosessen er antakeligvis svakere i kroppen, og de innvokste beincellene kompenserte for korrosjonsprosessen.

Problemet var imidlertid at tannkjøttcellene vokste raskere enn beincellene, noe som gjorde at beincellene fikk mindre plass. 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 bli hindret fra å vokse inn i materialet, og det blir tid og plass nok til å danne nytt og tilstrekkelig bein. Barrieren viste seg å passe med beinceller, men det trengs flere cellestudier for å gjøre barrierekvaliteten mot tannkjøttceller så god som mulig.