Výskum a vývoj antibakteriálnych materiálov a technológií z titánových zliatin

1. Úvod

Titán (Ti) a jeho zliatiny sa vyznačujú nízkou hustotou, vysokou pevnosťou a vynikajúcou odolnosťou proti korózii a pôvodne sa používali v leteckom priemysle. Začiatkom 40. rokov 20. storočia sa titán a jeho zliatiny prvýkrát dostali do lekárskej oblasti. Po viac ako polstoročí vývoja sa čistý titán a zliatina Ti6A14V, ako najreprezentatívnejšie medicínske kovové materiály na báze titánu, začali používať v mnohých lekárskych klinikách, najmä v oblasti ortopédie a stomatológie, čím nahradili nehrdzavejúcu oceľ a kobalt zliatiny vo veľkých množstvách. Zliatina titánu je však typ biologicky inertného materiálu, ktorý nemá antibakteriálne vlastnosti a je bezmocný proti infekčným problémom spôsobeným implantátmi. V súčasnosti sa na nanášanie anorganických alebo organických antibakteriálnych činidiel na povrch zliatin lekárskeho titánu zvyčajne používa magnetrónové naprašovanie, elektrochemická depozícia, implantácia iónov, mikrooblúková oxidácia a ďalšie metódy, čím sa im dodávajú antibakteriálne vlastnosti. Výhody antibakteriálnych náterov pripravených povrchovou úpravou sú zrejmé, stále však existujú nedostatky, ako je relatívne zložitý proces náteru, zvýšené výrobné náklady, zlá priľnavosť medzi náterom a podkladom, ľahké opotrebenie náteru a zlá dlhodobá životnosť. antibakteriálny výkon počkajte. V reakcii na problémy s infekciou spôsobené implantovanými titánovými zliatinami a nedostatkom antibakteriálnych povlakov sa ľudia začali pokúšať vyvinúť nové antibakteriálne titánové zliatiny s vlastnými antibakteriálnymi funkciami úpravou zloženia zliatiny.

2. Antibakteriálny mechanizmus antibakteriálnej zliatiny titánu

Šírenie baktérií úzko súvisí s tvorbou bakteriálnych biofilmov. Proces tvorby bakteriálnych biofilmov je znázornený na obrázku 1. Planktonické baktérie rastú a množia sa po pristátí na matrici materiálu, pričom vytvárajú bakteriálny biofilm. Povrch biofilmu je vrstva hustej extracelulárnej matrice. Táto vrstva extracelulárnej matrice má pevnú štruktúru a vysokú pevnosť. Baktérie zabalené vo vnútri sú v tesnom kontakte, čo zvyšuje interakciu a výmenu materiálu medzi baktériami a zároveň zabraňuje vstupu vonkajších škodlivých látok. Preto po vytvorení biofilmu nie je ľahko narušený antibiotikami, konzervačnými látkami a inými vonkajšími chemikáliami, takže je ťažké ho odstrániť bežne používanými antibiotikami.

Obrázok 1 Proces tvorby bakteriálneho biofilmu

Antibakteriálny mechanizmus antibakteriálnych titánových zliatin možno rozdeliť do nasledujúcich štyroch krokov: ① Antibakteriálny kovový povrch uvoľňuje kovové ióny s antibakteriálnymi funkciami; ② Záporne nabité bakteriálne bunky a kladne nabité kovové ióny sa navzájom priťahujú a kovové ióny sa absorbujú do baktérií ③ Kovové ióny zničia bunkovú stenu a bunkovú membránu baktérií alebo zničia ich proteínovú štruktúru, čo spôsobí únik cytoplazmy; ④ Kovové ióny ďalej prenikajú cez bakteriálnu bunkovú stenu a spájajú sa s bakteriálnou DNA, čo vedie k bakteriálnej denaturácii a strate schopnosti replikácie. Či už ide o poškodenie bunkovej steny alebo genetického materiálu, baktérie zomrú.

3. Pokrok vo výskume

3.1 Ti-Ag antibakteriálna titánová zliatina

Striebro (Ag), ako legujúci prvok, môže zlepšiť odolnosť proti korózii a mechanické vlastnosti kovov na báze titánu. Takahashi a kol. zistili, že pridanie 20 % hmotn. Ag môže zlepšiť pevnosť a odolnosť liatych titánových zliatin pri zachovaní vysokého predĺženia. Shim a kol. dokázal, že zliatina Ti-Ag má lepšiu odolnosť proti korózii ako čistý titán. Ag má tiež dobrú biokompatibilitu a zliatina Ag-Hg sa používa ako dentálny materiál. Vynikajúce antibakteriálne vlastnosti povlakov s obsahom Ag boli potvrdené mnohými štúdiami. Preto pridaním vhodného Ag k titánu a jeho zliatinám je možné získať zliatiny titánu obsahujúce Ag s určitými antibakteriálnymi vlastnosťami. Avšak aj keď je obsah Ag v niektorých zliatinách Ti-Ag veľmi vysoký, dokonca dosahuje 20 % hmotn., nevykazujú významné antibakteriálne účinky, čo naznačuje, že antibakteriálne účinky zliatin titánu s obsahom Ag nie sú určené výlučne obsahom Ag.

Zheng a kol. pridalo 2,9 % hmotn. Ag do zliatiny s tvarovou pamäťou TiNi a získaná liata zliatina TiNi vykazovala určité antibakteriálne vlastnosti a antibakteriálna miera proti Staphylococcus aureus dosiahla 86,3 %. Chen a kol. použil Ag prášok s rôznym obsahom a rôznymi veľkosťami častíc na spekanie spolu s čistým titánovým práškom na získanie série zliatin Ti-xAg (x=1,3,5). Ich mechanické vlastnosti, korózne vlastnosti, antibakteriálne vlastnosti a in vitro bunková fáza Bola charakterizovaná a vyhodnotená kapacita. Ako je znázornené na obrázku 2, antibakteriálna aktivita zliatiny Ti-Ag s veľkosťou častíc Ag 10 μm je vyššia ako u zliatiny Ti-Ag s veľkosťou častíc Ag 75 μm. Na rozdiel od zákona o uvoľňovaní iónov Ag, zliatina Ti-Ag s veľkosťou častíc Ag 10 μm Množstvo uvoľnených iónov zliatiny je nižšie ako v prípade zliatiny Ti-Ag s veľkosťou častíc Ag prášku 75 μm, čo naznačuje že antibakteriálne vlastnosti zliatiny Ti-Ag by mali úzko súvisieť s nano/mikrónovými kompozitnými časticami striebra prítomnými na matrici.

Obrázok 2 Bakteriálne kolónie na povrchu čistého Ti a Ti-Ag zliatiny

3.2 Ti-Cu antibakteriálna titánová zliatina

V roku 2009 Shirai a spol. najprv študovali antibakteriálny účinok zliatiny Ti-xCu(x=1,5). Výsledky ukázali, že Ti-1Cu má významné antibakteriálne vlastnosti proti E. coli a má dobrú biologickú bezpečnosť, čím otvára priepasť medzi baktériami obsahujúcimi meď a zliatiny titánu slúžia ako opona pre výskum medicínskych kovových materiálov. Následne Zhang a spol. použil práškovú metalurgiu na prípravu zliatiny Ti-10wt%Cu a študoval antibakteriálne vlastnosti, mechanické vlastnosti a korózne vlastnosti zliatiny. Ako je znázornené na obrázku 3, zliatina Ti-10 Cu je odolná voči Staphylococcus aureus a Staphylococcus aureus. Všetky E. coli majú významné zabíjacie účinky. Výsledky testu vnútrokostnej implantácie zliatiny Ti-10Cu ukazujú, že zliatina Ti-10Cu má dobrú kompatibilitu s kostnými bunkami. Ďalšie výsledky výskumu ukazujú, že pridanie aspoň 5 % Cu do titánu bude mať výrazný antibakteriálny účinok. Na účely antibakteriálnych a protiinfekčných účinkov vyvinul Inštitút pre výskum kovov Čínskej akadémie vied sériu zliatin titánu obsahujúcich meď s antibakteriálnymi funkciami a uskutočnil veľký počet in vitro a in vivo experimentálnych výskumov na zvieratách. Pevná rozpustnosť Cu v Ti je veľmi nízka. Po ochladení z vysokej teploty na 790 stupňov sa presýtená Cu vyzráža ako intermetalická zlúčenina Ti2Cu. Potenciálny rozdiel medzi ním a matricou bude podporovať, aby zliatina uvoľňovala stopové množstvá iónov medi vo fyziologickom prostredí. , čím má silný baktericídny účinok.

Obrázok 3 Zabíjací účinok Ti-10Cu na Staphylococcus aureus a Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakteriálna titánová zliatina

Peng a kol. vykonali komplexnú optimalizáciu výkonu na tepelne spracovanej zliatine Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7,5). Výsledky výskumu ukazujú, že na dosiahnutie najlepších mechanických vlastností, odolnosti proti korózii a odolnosti zliatiny proti opotrebeniu je optimálny proces tepelného spracovania po tepelnom spracovaní troch skupín zliatin udržiavať pri 720 stupňoch, 740 stupňoch a 760 stupňoch. 1 hodinu a potom ochladiť vzduchom. Na obrázku 4 sú reprezentované 4,5 Cu-720, 6Cu{18}} a 7,5Cu-760. Výsledky antibakteriálneho testu a testu cytotoxicity troch skupín zliatin sú znázornené na obrázku 4. Z obrázku 4(a)-(d) je vidieť, že po kokultivácii so zliatinou Ti6Al4V je viac bakteriálnych kolónií a po spoločná kultivácia so zliatinou Ti6A14V-Cu Počet bakteriálnych kolónií je malý, čo naznačuje, že zliatina titánu s obsahom medi má silné antibakteriálne vlastnosti. Obrázok 4(e) ukazuje antibakteriálnu rýchlosť zliatiny Ti6Al4V-xCu. Je možné vidieť, že antibakteriálna miera vzorky 4,5 Cu-720 je približne 80 %. So zvyšujúcim sa obsahom Cu sa antibakteriálna miera zliatiny mierne zvyšuje, čo naznačuje, že antibakteriálne vlastnosti sa zlepšili. Ako je možné vidieť na obrázku 4(f), pri spoločnej kultivácii s bunkami počas 1 a 3 dní sa hodnoty absorbancie zliatiny Ti6A14V-Cu a zliatiny Ti6A14V príliš nelíšia; ale po 7 dňoch je hodnota 7,5 Cu-760 výrazne nižšia ako hodnota zliatiny Ti6A14V, čo naznačuje, že má určitú cytotoxicitu po 7 dňoch. Je vidieť, že pre zliatinu Ti6A14V-xCu by obsah Cu nemal byť vyšší ako 6 %, inak zliatina po dlhšom čase vykáže určitý stupeň cytotoxicity.

Obrázok 4 Ti6A14V (a) 4,5 Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu{10}}; d) morfológia rastu baktérií po spoločnej kultivácii zliatiny; (e) Porovnanie antibakteriálnych rýchlostí zliatiny Ti6Al4V; (f) Hodnoty absorbancie buniek spoločne kultivovaných s rôznymi zliatinami počas 1, 3 a 7 dní