Antibakteriālo titāna sakausējumu materiālu un tehnoloģiju izpēte un izstrāde

1. Ievads

Titānam (Ti) un tā sakausējumiem ir zems blīvums, augsta izturība un lieliska izturība pret koroziju, un tos sākotnēji izmantoja aviācijas nozarē. 1940. gadu sākumā titāns un tā sakausējumi pirmo reizi tika ieviesti medicīnas jomā. Pēc vairāk nekā pusgadsimta ilgas izstrādes tīrs titāns un Ti6A14V sakausējums kā reprezentatīvākie titāna bāzes medicīniskie metāli ir izmantoti daudzās medicīnas klīnikās, īpaši ortopēdijas un zobārstniecības jomās, aizstājot nerūsējošo tēraudu un kobaltu. sakausējumi lielos daudzumos. Tomēr titāna sakausējums ir bioloģiski inerta materiāla veids, kam nav antibakteriālu īpašību un kas ir bezspēcīgs pret implantu izraisītām infekcijas problēmām. Pašlaik magnetronu izsmidzināšanu, elektroķīmisko nogulsnēšanos, jonu implantāciju, mikroloka oksidēšanu un citas metodes parasti izmanto, lai uz medicīnisko titāna sakausējumu virsmas ielādētu neorganiskus vai organiskus antibakteriālus līdzekļus, tādējādi piešķirot tiem antibakteriālas īpašības. Virsmas modifikācijas rezultātā sagatavoto antibakteriālo pārklājumu priekšrocības ir acīmredzamas, taču joprojām ir trūkumi, piemēram, salīdzinoši sarežģītais pārklājuma process, palielinātas ražošanas izmaksas, slikta saķere starp pārklājumu un pamatni, viegls pārklājuma nodilums un slikta ilgstoša iedarbība. pagaidiet antibakteriālo darbību. Reaģējot uz infekciju problēmām, ko izraisa implantēti titāna sakausējumi un antibakteriālo pārklājumu trūkums, cilvēki ir sākuši mēģināt izstrādāt jaunus antibakteriālus titāna sakausējumus ar savām antibakteriālajām funkcijām, pielāgojot sakausējuma sastāvu.

2. Antibakteriālais titāna sakausējuma antibakteriālais mehānisms

Baktēriju izplatība ir cieši saistīta ar baktēriju bioplēvju veidošanos. Baktēriju bioplēvju veidošanās process parādīts 1. attēlā. Planktona baktērijas aug un vairojas pēc nosēšanās uz materiāla matricas, veidojot baktēriju bioplēvi. Bioplēves virsma ir blīvas ārpusšūnu matricas slānis. Šim ekstracelulārās matricas slānim ir cieta struktūra un augsta izturība. Iekšpusē ietītās baktērijas atrodas ciešā saskarē, kas uzlabo mijiedarbību un materiālu apmaiņu starp baktērijām, vienlaikus novēršot ārējo kaitīgo vielu iekļūšanu. Tāpēc pēc bioplēves veidošanās to nav viegli izjaukt ar antibiotikām, konservantiem un citām ārējām ķīmiskām vielām, tāpēc to ir grūti noņemt ar bieži lietotām antibiotikām.

1. attēls Baktēriju bioplēves veidošanās process

Antibakteriālo titāna sakausējumu antibakteriālo mehānismu var iedalīt šādos četros posmos: ① Antibakteriālā metāla virsma atbrīvo metāla jonus ar antibakteriālām funkcijām; ② Negatīvi lādētas baktēriju šūnas un pozitīvi lādēti metālu joni tiek piesaistīti viens otram, un metālu joni uzsūcas baktērijās ③ Metāla joni iznīcina baktēriju šūnu sieniņu un šūnu membrānu vai iznīcina to olbaltumvielu struktūru, izraisot citoplazmas noplūdi; ④ Metāla joni tālāk iekļūst baktēriju šūnu sieniņā un savienojas ar baktēriju DNS, izraisot baktēriju denaturāciju un replikācijas spēju zudumu. Neatkarīgi no tā, vai tas ir šūnas sienas vai ģenētiskā materiāla bojājums, baktērijas mirs.

3. Pētniecības progress

3.1 Ti-Ag antibakteriāls titāna sakausējums

Sudrabs (Ag) kā leģējošais elements var uzlabot titāna metālu izturību pret koroziju un mehāniskās īpašības. Takahashi et al. atklāja, ka 20 masu % Ag pievienošana var uzlabot lietā titāna sakausējumu izturību un nodilumizturību, vienlaikus saglabājot augstu pagarinājumu. Šim u.c. pierādīja, ka Ti-Ag sakausējumam ir labāka izturība pret koroziju nekā tīram titānam. Ag ir arī laba bioloģiskā saderība, un Ag-Hg sakausējums ir izmantots kā zobu materiāls. Ag saturošo pārklājumu lieliskās antibakteriālās īpašības ir apstiprinātas daudzos pētījumos. Tāpēc, pievienojot titānam un tā sakausējumiem atbilstošu Ag, ir iespējams iegūt Ag saturošus titāna sakausējumus ar noteiktām antibakteriālām īpašībām. Tomēr, lai gan dažos Ti-Ag sakausējumos Ag saturs ir ļoti augsts, pat sasniedzot 20 masas%, tiem nav būtiskas antibakteriālas iedarbības, kas norāda, ka Ag saturošu titāna sakausējumu antibakteriālo iedarbību nosaka ne tikai Ag saturs.

Zheng et al. pievienoja 2,9 masas % Ag TiNi formas atmiņas sakausējumam, un iegūtajam lietajam TiNi sakausējumam bija noteiktas antibakteriālas īpašības, un antibakteriālā iedarbība pret Staphylococcus aureus sasniedza 86,3%. Chen et al. izmantots Ag pulveris ar dažādu saturu un dažāda izmēra daļiņām, lai saķepinātu kopā ar tīru titāna pulveri, lai iegūtu Ti-xAg sakausējumu sēriju (x=1,3,5). To mehāniskās īpašības, korozijas īpašības, antibakteriālās īpašības un in vitro šūnu fāze Tika raksturota un novērtēta kapacitāte. Kā parādīts 2. attēlā, Ti-Ag sakausējuma ar Ag daļiņu izmēru 10 μm antibakteriālā aktivitāte ir augstāka nekā Ti-Ag sakausējuma ar Ag daļiņu izmēru 75 μm. Pretēji Ag jonu izdalīšanās likumam Ti-Ag sakausējums ar Ag daļiņu izmēru 10 μm Sakausējuma jonu izdalīšanās daudzums ir mazāks nekā Ti-Ag sakausējuma ar Ag pulvera daļiņu izmēru 75 μm, norādot ka Ti-Ag sakausējuma antibakteriālajai darbībai jābūt cieši saistītai ar nano/mikronu mēroga kompozītmateriāla sudraba daļiņām, kas atrodas uz matricas.

2. attēls Baktēriju kolonijas uz tīra Ti un Ti-Ag sakausējuma virsmas

3.2 Ti-Cu antibakteriāls titāna sakausējums

2009. gadā Shirai et al. vispirms pētīja Ti-xCu(x=1,5) sakausējuma antibakteriālo iedarbību. Rezultāti parādīja, ka Ti-1Cu piemīt ievērojamas antibakteriālas īpašības pret E. coli, un tam ir laba bioloģiskā drošība, tādējādi paverot plaisu starp vara saturošām baktērijām un titāna sakausējumiem, kas kalpo kā priekškars medicīnisko metālu materiālu izpētei. Pēc tam Zhang et al. izmantoja pulvermetalurģiju, lai sagatavotu Ti-10masas % Cu sakausējumu, un pētīja sakausējuma antibakteriālās īpašības, mehāniskās īpašības un korozijas īpašības. Kā parādīts 3. attēlā, Ti-10 Cu sakausējums ir izturīgs pret Staphylococcus aureus un Staphylococcus aureus. Visām E. coli ir nozīmīga iznīcinoša iedarbība. Ti-10Cu sakausējuma intraossālās implantācijas testa rezultāti liecina, ka Ti-10Cu sakausējumam ir laba kaulu šūnu savietojamība. Turpmākie pētījumu rezultāti liecina, ka, pievienojot titānam vismaz 5% Cu, būs ievērojama antibakteriāla iedarbība. Antibakteriālas un pretinfekcijas nolūkos Ķīnas Zinātņu akadēmijas Metālu pētniecības institūts ir izstrādājis virkni varu saturošu titāna sakausējumu ar antibakteriālām funkcijām un ir veicis lielu skaitu in vitro un in vivo eksperimentālu pētījumu ar dzīvniekiem. Cu cietā šķīdība Ti ir ļoti zema. Atdzesējot no augstas temperatūras līdz 790 grādiem, pārsātināts Cu izgulsnējas kā Ti2Cu intermetālisks savienojums. Potenciālā atšķirība starp to un matricu veicinās sakausējuma atbrīvošanu no vara jonu pēdām fizioloģiskā vidē. , tādējādi iedarbojoties ar spēcīgu baktericīdu iedarbību.

3. attēls. Ti-10Cu nogalinošā ietekme uz Staphylococcus aureus un Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakteriāls titāna sakausējums

Peng et al. veica visaptverošu veiktspējas optimizāciju termiski apstrādātam Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) sakausējumam. Pētījuma rezultāti liecina, ka, lai iegūtu vislabākās sakausējuma mehāniskās īpašības, izturību pret koroziju un nodilumizturību, optimālie termiskās apstrādes procesi pēc trīs sakausējumu grupu termiskās apstrādes ir noturēt 720 grādu, 740 grādu un 760 grādu temperatūrā. 1 stundu un pēc tam atdzesē ar gaisu. 4. attēlā tie ir attēloti attiecīgi ar 4,5 Cu-720, 6 Cu-740 un 7,5 Cu-760. Trīs sakausējumu grupu antibakteriālā testa un citotoksicitātes testa rezultāti ir parādīti 4. attēlā. No 4(a) līdz d) attēlam var redzēt, ka ir vairāk baktēriju koloniju pēc kopkultūras ar Ti6Al4V sakausējumu un pēc kopkultūra ar Ti6A14V-Cu sakausējumu Baktēriju koloniju skaits ir neliels, kas liecina, ka vara saturošajam titāna sakausējumam piemīt spēcīgas antibakteriālas īpašības. Attēlā 4(e) parādīts Ti6Al4V-xCu sakausējuma antibakteriālais ātrums. Var redzēt, ka 4,5 Cu-720 parauga antibakteriālais līmenis ir aptuveni 80%. Palielinoties Cu saturam, sakausējuma antibakteriālais līmenis nedaudz palielinās, norādot, ka antibakteriālā darbība ir uzlabojusies. Kā redzams 4. (f) attēlā, 1 un 3 dienas kultivējot kopā ar šūnām, Ti6A14V-Cu sakausējuma un Ti6A14V sakausējuma absorbcijas vērtības daudz neatšķiras; bet pēc 7 dienām 7,5 Cu-760 vērtība ir ievērojami zemāka nekā Ti6A14V sakausējuma vērtība, kas norāda, ka tam ir noteikta citotoksicitāte pēc 7 dienām. Var redzēt, ka Ti6A14V-xCu sakausējumam Cu saturam nevajadzētu būt lielākam par 6%, pretējā gadījumā sakausējums pēc ilgāka laika uzrādīs zināmu citotoksicitātes pakāpi.

4. attēls Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; d) baktēriju augšanas morfoloģija pēc sakausējuma kopkultūras; (e) Ti6Al4V sakausējuma antibakteriālo rādītāju salīdzinājums; f) absorbcijas vērtības šūnām, kuras 1, 3 un 7 dienas kultivētas kopā ar dažādiem sakausējumiem