Antibakterinių titano lydinių medžiagų ir technologijų tyrimai ir plėtra

1. Įvadas

Titanas (Ti) ir jo lydiniai turi mažo tankio, didelio stiprumo ir puikaus atsparumo korozijai charakteristikas ir iš pradžių buvo naudojami aviacijos pramonėje. 1940-ųjų pradžioje titanas ir jo lydiniai pirmą kartą buvo pristatyti medicinos srityje. Po daugiau nei pusės amžiaus plėtros grynas titanas ir Ti6A14V lydinys, kaip reprezentatyviausios titano pagrindu pagamintos medicininės metalo medžiagos, buvo naudojamos daugelyje medicinos klinikų, ypač ortopedijos ir odontologijos srityse, pakeičiant nerūdijantį plieną ir kobaltą. lydiniai dideliais kiekiais. Tačiau titano lydinys yra biologiškai inertiškos medžiagos rūšis, kuri neturi antibakterinių savybių ir yra bejėgė prieš implantų sukeliamas infekcijas. Šiuo metu magnetroninis purškimas, elektrocheminis nusodinimas, jonų implantacija, mikrolanko oksidacija ir kiti metodai dažniausiai naudojami neorganinėms arba organinėms antibakterinėms medžiagoms įkrauti ant medicininių titano lydinių paviršių, taip suteikiant jiems antibakterinių savybių. Antibakterinių dangų, paruoštų modifikuojant paviršių, pranašumai yra akivaizdūs, tačiau vis dar yra trūkumų, tokių kaip gana sudėtingas dengimo procesas, padidėjusios gamybos sąnaudos, prastas dangos ir pagrindo sukibimas, lengvas dangos nusidėvėjimas ir prastas ilgalaikis poveikis. antibakterinis veikimas laukti. Reaguodami į infekcines problemas, kurias sukelia implantuoti titano lydiniai ir antibakterinių dangų trūkumą, žmonės pradėjo bandyti kurti naujus antibakterinius titano lydinius, turinčius savo antibakterines funkcijas, koreguodami lydinio sudėtį.

2. Antibakterinis antibakterinio titano lydinio mechanizmas

Bakterijų plitimas yra glaudžiai susijęs su bakterijų bioplėvelių susidarymu. Bakterijų bioplėvelių susidarymo procesas parodytas 1 paveiksle. Planktoninės bakterijos auga ir dauginasi nusileidusios ant medžiagos matricos, sudarydamos bakterinę bioplėvelę. Bioplėvelės paviršius yra tankios tarpląstelinės matricos sluoksnis. Šis ekstraląstelinės matricos sluoksnis turi tvirtą struktūrą ir didelį stiprumą. Į vidų įvyniotos bakterijos glaudžiai kontaktuoja, o tai sustiprina bakterijų sąveiką ir medžiagų apykaitą, neleidžiant patekti į išorines žalingas medžiagas. Todėl susidarius bioplėvelei, ji nėra lengvai sutrikdoma antibiotikų, konservantų ir kitų išorinių cheminių medžiagų, todėl ją sunku pašalinti dažniausiai naudojamais antibiotikais.

1 pav. Bakterijų bioplėvelės susidarymo procesas

Antibakterinį titano lydinių antibakterinį mechanizmą galima suskirstyti į šiuos keturis etapus: ① Antibakterinis metalo paviršius atpalaiduoja metalo jonus su antibakterinėmis funkcijomis; ② Neigiamą krūvį turinčios bakterijų ląstelės ir teigiamai įkrauti metalo jonai traukia vienas kitą, o metalo jonai absorbuojami į bakterijas ③ Metalo jonai ardo bakterijų ląstelės sienelę ir ląstelės membraną arba sunaikina jų baltymų struktūrą, todėl citoplazma nutekėja; ④ Metalo jonai toliau prasiskverbia į bakterijos ląstelės sienelę ir susijungia su bakterijų DNR, todėl bakterijos denatūruojasi ir praranda replikacijos gebėjimą. Nesvarbu, ar tai būtų ląstelės sienelės pažeidimas, ar genetinė medžiaga, bakterijos mirs.

3. Tyrimo pažanga

3.1 Ti-Ag antibakterinis titano lydinys

Sidabras (Ag), kaip legiravimo elementas, gali pagerinti titano pagrindu pagamintų metalų atsparumą korozijai ir mechanines savybes. Takahashi ir kt. nustatyta, kad pridėjus 20 masės % Ag, galima pagerinti titano lydinių stiprumą ir atsparumą dilimui, išlaikant didelį pailgėjimą. Shim ir kt. įrodė, kad Ti-Ag lydinys turi didesnį atsparumą korozijai nei grynas titanas. Ag taip pat turi gerą biologinį suderinamumą, o Ag-Hg lydinys buvo naudojamas kaip dantų medžiaga. Puikias antibakterines Ag turinčių dangų savybes patvirtino daugybė tyrimų. Todėl į titaną ir jo lydinius pridedant atitinkamo Ag, galima gauti Ag turinčių titano lydinių, pasižyminčių tam tikromis antibakterinėmis savybėmis. Tačiau, nors kai kuriuose Ti-Ag lydiniuose Ag kiekis yra labai didelis, net siekia 20 masės%, jie neturi reikšmingo antibakterinio poveikio, o tai rodo, kad Ag turinčių titano lydinių antibakterinį poveikį lemia ne tik Ag kiekis.

Zheng ir kt. į TiNi formos atminties lydinį pridėjo 2,9 masės % Ag, o gautas lietinis TiNi lydinys pasižymėjo tam tikromis antibakterinėmis savybėmis, o antibakterinis greitis prieš Staphylococcus aureus siekė 86,3 %. Chen ir kt. naudojami skirtingo turinio ir skirtingų dalelių dydžio Ag milteliai sukepinti kartu su grynu titano milteliais, kad būtų gauta serija Ti-xAg lydinių (x=1,3,5). Jų mechaninės savybės, korozijos savybės, antibakterinės savybės ir in vitro ląstelių fazė. Buvo apibūdinta ir įvertinta talpa. Kaip parodyta 2 paveiksle, Ti-Ag lydinio, kurio Ag dalelių dydis yra 10 μm, antibakterinis aktyvumas yra didesnis nei Ti-Ag lydinio, kurio Ag dalelių dydis yra 75 μm. Priešingai Ag jonų išsiskyrimo dėsniui, Ti-Ag lydinys, kurio Ag dalelių dydis yra 10 μm Lydinio jonų išsiskyrimo kiekis yra mažesnis nei Ti-Ag lydinio, kurio Ag miltelių dalelių dydis yra 75 μm, o tai rodo. kad antibakterinis Ti-Ag lydinio veikimas turėtų būti glaudžiai susijęs su matricoje esančiomis nano/mikronų masto kompozitinėmis sidabro dalelėmis.

2 pav. Bakterijų kolonijos gryno Ti ir Ti-Ag lydinio paviršiuje

3.2 Ti-Cu antibakterinis titano lydinys

2009 metais Shirai ir kt. pirmą kartą ištyrė antibakterinį Ti-xCu(x=1,5) lydinio poveikį. Rezultatai parodė, kad Ti-1Cu pasižymi reikšmingomis antibakterinėmis savybėmis prieš E. coli ir turi gerą biologinį saugumą, atverdamas tarpą tarp vario turinčių bakterijų ir titano lydinių, kurie yra medicininių metalų medžiagų tyrimų uždanga. Vėliau Zhang ir kt. naudojo miltelinę metalurgiją Ti-10masės %Cu lydiniui ruošti, tyrė lydinio antibakterines, mechanines ir korozines savybes. Kaip parodyta 3 paveiksle, Ti-10 Cu lydinys yra atsparus Staphylococcus aureus ir Staphylococcus aureus. Visos E. coli turi reikšmingą žudymą. Ti-10Cu lydinio intrakaulinio implantavimo bandymo rezultatai rodo, kad Ti-10Cu lydinys gerai suderinamas su kaulų ląstelėmis. Tolesni tyrimų rezultatai rodo, kad į titaną pridėjus mažiausiai 5 % Cu, bus pasiektas reikšmingas antibakterinis poveikis. Kinijos mokslų akademijos Metalo tyrimų institutas, siekdamas antibakterinių ir antiinfekcinių priemonių, sukūrė vario turinčių titano lydinių, turinčių antibakterinių funkcijų, seriją ir atliko daugybę eksperimentinių tyrimų in vitro ir in vivo su gyvūnais. Kietasis Cu tirpumas Ti yra labai mažas. Atvėsus nuo aukštos temperatūros iki 790 laipsnių, persotintas Cu nusėda kaip Ti2Cu intermetalinis junginys. Potencialus skirtumas tarp jo ir matricos paskatins lydinį išleisti vario jonų pėdsakus fiziologinėje aplinkoje. , todėl turi stiprų baktericidinį poveikį.

3 pav. Ti-10Cu naikinantis poveikis Staphylococcus aureus ir Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakterinis titano lydinys

Peng ir kt. atliko išsamų termiškai apdoroto Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) lydinio veikimo optimizavimą. Tyrimo rezultatai rodo, kad norint gauti geriausias lydinio mechanines savybes, atsparumą korozijai ir atsparumą dilimui, optimalūs terminio apdorojimo procesai po trijų lydinių grupių terminio apdorojimo yra išlaikyti 720 laipsnių, 740 laipsnių ir 760 laipsnių temperatūroje. 1 valandą ir tada atvėsinkite oru. 4 paveiksle jie pavaizduoti atitinkamai 4,5Cu-720, 6Cu-740 ir 7,5Cu-760. Trijų lydinių grupių antibakterinio tyrimo ir citotoksiškumo tyrimo rezultatai pateikti 4 paveiksle. Iš 4(a)–d paveikslų matyti, kad po bendro kultivavimo su Ti6Al4V lydiniu atsiranda daugiau bakterijų kolonijų ir po to. kokultūra su Ti6A14V-Cu lydiniu Bakterijų kolonijų skaičius nedidelis, o tai rodo, kad vario turintis titano lydinys pasižymi stipriomis antibakterinėmis savybėmis. 4(e) paveiksle parodytas Ti6Al4V-xCu lydinio antibakterinis greitis. Matyti, kad 4,5Cu-720 mėginio antibakterinis rodiklis yra apie 80 proc. Didėjant Cu kiekiui, lydinio antibakterinis greitis šiek tiek padidėja, o tai rodo, kad pagerėjo antibakterinis veikimas. Kaip matyti iš 4 paveikslo (f), kai kartu kultivuojama su ląstelėmis 1 ir 3 dienas, Ti6A14V-Cu lydinio ir Ti6A14V lydinio absorbcijos vertės nedaug skiriasi; tačiau po 7 dienų 7,5Cu-760 vertė yra žymiai mažesnė nei Ti6A14V lydinio, o tai rodo, kad 7 dienas jis turi tam tikrą citotoksiškumą. Galima pastebėti, kad Ti6A14V-xCu lydinyje Cu kiekis neturėtų būti didesnis nei 6%, kitaip lydinys po ilgo laiko parodys tam tikrą citotoksiškumą.

4 pav. Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; d) bakterijų augimo morfologija po lydinio bendro kultivavimo; (e) Ti6Al4V lydinio antibakterinių rodiklių palyginimas; f) Ląstelių, kartu kultivuotų su skirtingais lydiniais 1, 3 ir 7 dienas, absorbcijos vertės