Antibakteriaalsete titaanisulamist materjalide ja tehnoloogiate uurimine ja arendus

1. Sissejuhatus

Titaanil (Ti) ja selle sulamitel on madal tihedus, kõrge tugevus ja suurepärane korrosioonikindlus ning neid kasutati algselt lennundustööstuses. 1940. aastate alguses toodi titaan ja selle sulamid esmakordselt meditsiinivaldkonda. Pärast enam kui poole sajandi pikkust arendustööd on puhast titaani ja Ti6A14V sulamit kui kõige esinduslikumat titaanil põhinevat meditsiinilist metalli materjali kasutatud paljudes meditsiinikliinikutes, eriti ortopeedia ja hambaravi valdkonnas, asendades roostevaba terase ja koobalti baasil valmistatud materjalid. sulamid suurtes kogustes. Titaanisulam on aga teatud tüüpi bioloogiliselt inertne materjal, millel puuduvad antibakteriaalsed omadused ja mis on implantaatidest põhjustatud nakkusprobleemide vastu võimetu. Praegu kasutatakse anorgaaniliste või orgaaniliste antibakteriaalsete ainete kandmiseks meditsiiniliste titaanisulamite pinnale tavaliselt magnetroni pihustamist, elektrokeemilist sadestamist, ioonide implanteerimist, mikrokaare oksüdatsiooni ja muid meetodeid, andes neile seeläbi antibakteriaalsed omadused. Pinna modifitseerimise teel valmistatud antibakteriaalsete kattekihtide eelised on ilmsed, kuid siiski on puudusi, nagu suhteliselt keerukas katmisprotsess, suurenenud tootmiskulud, katte ja aluspinna vaheline halb side, katte lihtne kulumine ja halb pikaajaline kestus. antibakteriaalne jõudlus oota. Vastuseks implanteeritud titaanisulamitest põhjustatud nakkusprobleemidele ja antibakteriaalsete katete puudumisele on inimesed hakanud sulami koostist kohandades välja töötama uusi antibakteriaalseid titaanisulameid, millel on oma antibakteriaalsed funktsioonid.

2. Antibakteriaalse titaanisulami antibakteriaalne mehhanism

Bakterite levik on tihedalt seotud bakterite biokilede tekkega. Bakterite biokilede moodustumise protsess on näidatud joonisel 1. Planktoni bakterid kasvavad ja paljunevad pärast materjali maatriksile maandumist, moodustades bakteriaalse biokile. Biokile pind on tiheda rakuvälise maatriksi kiht. Sellel ekstratsellulaarse maatriksi kihil on kindel struktuur ja kõrge tugevus. Sisse mähitud bakterid on tihedas kontaktis, mis suurendab bakteritevahelist koostoimet ja materjalivahetust, takistades samas väliste kahjustavate ainete sisenemist. Seetõttu ei saa pärast biokile moodustumist antibiootikumid, säilitusained ja muud välised kemikaalid kergesti häirida, mistõttu on seda raske eemaldada tavaliselt kasutatavate antibiootikumidega.

Joonis 1 Bakteriaalse biokile moodustumise protsess

Antibakteriaalsete titaanisulamite antibakteriaalse mehhanismi saab jagada neljaks järgmiseks etapiks: ① Antibakteriaalne metallpind vabastab antibakteriaalsete funktsioonidega metalliioone; ② Negatiivse laenguga bakterirakud ja positiivselt laetud metalliioonid tõmbuvad üksteise poole ning metalliioonid imenduvad bakteritesse ③ Metalliioonid hävitavad bakterite rakuseina ja rakumembraani või hävitavad nende valgustruktuuri, põhjustades tsütoplasma lekke; ④ Metalliioonid tungivad veelgi läbi bakteriraku seina ja ühinevad bakteri DNA-ga, põhjustades bakterite denatureerumist ja replikatsioonivõime kaotust. Kas see on rakuseina või geneetilise materjali kahjustus, bakterid surevad.

3. Teadustöö edenemine

3.1 Ti-Ag antibakteriaalne titaanisulam

Hõbe (Ag) kui legeeriv element võib parandada titaanipõhiste metallide korrosioonikindlust ja mehaanilisi omadusi. Takahashi jt. leidis, et 20 massiprotsendi Ag lisamine võib parandada valatud titaanisulamite tugevust ja kulumiskindlust, säilitades samal ajal suure venivuse. Shim et al. tõestas, et Ti-Ag sulamil on parem korrosioonikindlus kui puhtal titaanil. Ag on ka hea biosobivusega ning hambaravimaterjalina on kasutatud Ag-Hg sulamit. Ag-d sisaldavate katete suurepäraseid antibakteriaalseid omadusi on kinnitanud paljud uuringud. Seetõttu on titaanile ja selle sulamitele sobiva Ag lisamisega võimalik saada teatud antibakteriaalsete omadustega Ag-d sisaldavaid titaanisulameid. Kuigi mõnede Ti-Ag sulamite Ag sisaldus on väga kõrge, ulatudes isegi 20 massiprotsendini, ei avalda need märkimisväärset antibakteriaalset toimet, mis näitab, et Ag-d sisaldavate titaanisulamite antibakteriaalset toimet ei määra ainult Ag sisaldus.

Zheng et al. lisas TiNi kujumälusulamile 2,9 massiprotsenti Ag ja saadud valatud TiNi sulam näitas teatud antibakteriaalseid omadusi ning Staphylococcus aureus'e vastane antibakteriaalne määr ulatus 86,3%. Chen et al. kasutati erineva sisu ja erineva osakeste suurusega Ag-pulbrit paagutamiseks koos puhta titaanipulbriga, et saada seeria Ti-xAg sulameid (x=1,3,5). Nende mehaanilised omadused, korrosiooniomadused, antibakteriaalsed omadused ja in vitro rakufaas Mahtuvust iseloomustati ja hinnati. Nagu on näidatud joonisel 2, on 10 μm Ag osakeste suurusega Ti-Ag sulami antibakteriaalne aktiivsus kõrgem kui Ti-Ag sulamil, mille Ag osakeste suurus on 75 μm. Vastupidiselt Ag-ioonide vabanemise seadusele on 10 μm Ag-osakese suurusega Ti-Ag-sulam Sulami ioonide vabanemise kogus väiksem kui Ti-Ag-sulami omast, mille Ag-pulbri osakeste suurus on 75 μm, mis näitab, et et Ti-Ag-sulami antibakteriaalne toime peaks olema tihedalt seotud maatriksil esinevate nano-/mikronimõõtkavaliste komposiithõbedaosakestega.

Joonis 2 Bakterite kolooniad puhta Ti ja Ti-Ag sulami pinnal

3.2 Ti-Cu antibakteriaalne titaanisulam

2009. aastal Shirai jt. esmalt uuriti Ti-xCu(x=1,5) sulami antibakteriaalset toimet. Tulemused näitasid, et Ti-1Cu-l on olulised antibakteriaalsed omadused E. coli vastu ja sellel on hea bioloogiline ohutus, avades lõhe vaske sisaldavate bakterite ja titaanisulamite vahel, mis on meditsiiniliste metallmaterjalide uurimise eesriide. Seejärel Zhang et al. kasutas pulbermetallurgiat Ti-10wt%Cu sulami valmistamiseks ning uuris sulami antibakteriaalseid, mehaanilisi omadusi ja korrosiooniomadusi. Nagu on näidatud joonisel 3, on Ti-10 Cu sulam resistentne Staphylococcus aureuse ja Staphylococcus aureuse suhtes. Kõigil E. coli-l on märkimisväärne surmav toime. Ti-10Cu sulami luusisese implantatsiooni testi tulemused näitavad, et Ti-10Cu sulamil on hea luurakkude ühilduvus. Täiendavad uurimistulemused näitavad, et titaanile vähemalt 5% Cu lisamisel on märkimisväärne antibakteriaalne toime. Hiina Teaduste Akadeemia Metalliuuringute Instituut on antibakteriaalse ja infektsioonivastase toime eesmärgil välja töötanud rea vaske sisaldavaid titaanisulameid, millel on antibakteriaalne toime, ning viinud läbi palju in vitro ja in vivo loomkatseid. Cu tahke lahustuvus Ti-s on väga madal. Kõrgelt temperatuurilt 790 kraadini jahutamisel sadestub üleküllastunud Cu Ti2Cu intermetallilise ühendina. Selle ja maatriksi potentsiaalne erinevus soodustab sulami vabastamist füsioloogilises keskkonnas vase ioonide jälgi. , avaldades seega tugevat bakteritsiidset toimet.

Joonis 3 Ti-10Cu surmav toime Staphylococcus aureusele ja Escherichia colile

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakteriaalne titaanisulam

Peng jt. viis läbi termiliselt töödeldud Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) sulami jõudluse põhjaliku optimeerimise. Uurimistulemused näitavad, et sulami parimate mehaaniliste omaduste, korrosioonikindluse ja kulumiskindluse saavutamiseks on optimaalsed kuumtöötlusprotsessid pärast kolme sulamirühma termilist töötlemist hoida temperatuuril 720 kraadi, 740 kraadi ja 760 kraadi. 1 tund ja seejärel õhkjahutada. Joonisel 4 on neid esindatud vastavalt 4,5Cu-720, 6Cu-740 ja 7,5Cu-760. Kolme sulamirühma antibakteriaalse testi ja tsütotoksilisuse testi tulemused on näidatud joonisel 4. Jooniselt 4(a)-(d) on näha, et pärast kooskultuuri Ti6Al4V sulamiga on rohkem bakterikolooniaid ja pärast seda. kooskultuur Ti6A14V-Cu sulamiga Bakterite kolooniate arv on väike, mis näitab, et vaske sisaldaval titaanisulamil on tugevad antibakteriaalsed omadused. Joonisel 4(e) on näidatud Ti6Al4V-xCu sulami antibakteriaalne määr. On näha, et 4,5 Cu-720 proovi antibakteriaalne määr on umbes 80%. Cu sisalduse suurenedes suureneb sulami antibakteriaalne määr veidi, mis näitab, et antibakteriaalne toime on paranenud. Nagu on näha jooniselt fig 4(f), ei erine Ti6A14V-Cu sulami ja Ti6A14V sulami neeldumisväärtused palju, kui neid kultiveeritakse koos rakkudega 1 ja 3 päeva; kuid 7 päeva pärast on 7,5 Cu-760 väärtus oluliselt madalam kui Ti6A14V sulamil, mis näitab, et sellel on 7 päeva pärast teatud tsütotoksilisus. On näha, et Ti6A14V-xCu sulami puhul ei tohiks Cu sisaldus olla suurem kui 6%, vastasel juhul ilmneb sulamil teatud tsütotoksilisuse tase pärast pikka aega.

joonis 4 Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu{10}}; (d) bakterite kasvu morfoloogia pärast sulami kooskultuuri; (e) Ti6Al4V sulami antibakteriaalsete määrade võrdlus; (f) 1, 3 ja 7 päeva jooksul erinevate sulamitega koos kultiveeritud rakkude neeldumisväärtused