Forskning og utvikling av antibakterielle titanlegeringsmaterialer og -teknologier

1. Introduksjon

Titan (Ti) og dets legeringer har egenskapene lav tetthet, høy styrke og utmerket korrosjonsbestandighet, og ble opprinnelig brukt i luftfartsindustrien. På begynnelsen av 1940-tallet ble titan og dets legeringer først introdusert i det medisinske feltet. Etter mer enn et halvt århundre med utvikling har rent titan og Ti6A14V-legering, som de mest representative titanbaserte medisinske metallmaterialene, blitt brukt i mange medisinske klinikker, spesielt innen ortopedi og odontologi, som erstatter rustfritt stål og koboltbasert legeringer i store mengder. Imidlertid er titanlegering en type biologisk inert materiale som ikke har antibakterielle egenskaper og er maktesløs mot infeksjonsproblemer forårsaket av implantater. For tiden brukes vanligvis magnetronforstøvning, elektrokjemisk avsetning, ioneimplantasjon, mikrobueoksidasjon og andre metoder for å laste uorganiske eller organiske antibakterielle midler på overflaten av medisinske titanlegeringer, og dermed gi dem antibakterielle egenskaper. Fordelene med antibakterielle belegg fremstilt gjennom overflatemodifisering er åpenbare, men det er fortsatt mangler, som den relativt komplekse belegningsprosessen, økte produksjonskostnader, dårlig binding mellom belegget og underlaget, lett slitasje på belegget og dårlig langsiktig antibakteriell ytelse vente. Som svar på infeksjonsproblemene forårsaket av implanterte titanlegeringer og mangelen på antibakterielle belegg, har folk begynt å prøve å utvikle nye antibakterielle titanlegeringer med sine egne antibakterielle funksjoner ved å justere legeringssammensetningen.

2. Antibakteriell mekanisme av antibakteriell titanlegering

Spredning av bakterier er nært knyttet til dannelsen av bakterielle biofilmer. Dannelsesprosessen av bakteriell biofilm er vist i figur 1. Planktoniske bakterier vokser og formerer seg etter landing på materialmatrisen, og danner en bakteriell biofilm. Overflaten av biofilmen er et lag med tett ekstracellulær matrise. Dette laget av ekstracellulær matrise har en solid struktur og høy styrke. Bakteriene som er pakket på innsiden er i nær kontakt, noe som forbedrer interaksjonen og materialutvekslingen mellom bakterier, samtidig som den hindrer inntrengning av eksterne skadelige stoffer. Derfor, etter at biofilm er dannet, blir den ikke lett forstyrret av antibiotika, konserveringsmidler og andre eksterne kjemikalier, så det er vanskelig å fjernes med vanlig brukte antibiotika.

Figur 1 Dannelsesprosessen av bakteriell biofilm

Den antibakterielle mekanismen til antibakterielle titanlegeringer kan deles inn i følgende fire trinn: ① Den antibakterielle metalloverflaten frigjør metallioner med antibakterielle funksjoner; ② Negativt ladede bakterieceller og positivt ladede metallioner tiltrekkes av hverandre, og metallionene absorberes i bakteriene ③ Metallioner ødelegger celleveggen og cellemembranen til bakterier, eller ødelegger deres proteinstruktur, og får cytoplasma til å lekke; ④ Metallioner trenger ytterligere inn i bakteriecelleveggen og kombineres med bakteriell DNA, noe som fører til bakteriell denaturering og tap av replikasjonsevne. Enten det er skade på celleveggen eller arvestoff, vil bakteriene dø.

3. Forskningsfremgang

3.1 Ti-Ag antibakteriell titanlegering

Sølv (Ag), som et legeringselement, kan forbedre korrosjonsmotstanden og de mekaniske egenskapene til titanbaserte metaller. Takahashi et al. funnet ut at tilsetning av 20 vekt% Ag kan forbedre styrken og slitestyrken til støpte titanlegeringer samtidig som den opprettholder en høy forlengelse. Shim et al. bevist at Ti-Ag-legering har bedre korrosjonsbestandighet enn rent titan. Ag har også god biokompatibilitet, og Ag-Hg-legering har blitt brukt som tannmateriale. De utmerkede antibakterielle egenskapene til Ag-holdige belegg har blitt bekreftet av mange studier. Derfor, ved å tilsette passende Ag til titan og dets legeringer, er det mulig å oppnå Ag-holdige titanlegeringer med visse antibakterielle egenskaper. Men selv om Ag-innholdet i noen Ti-Ag-legeringer er veldig høyt, til og med når 20 vekt%, viser de ikke signifikante antibakterielle effekter, noe som indikerer at de antibakterielle effektene av Ag-holdige titanlegeringer ikke kun bestemmes av Ag-innholdet.

Zheng et al. tilsatt 2,9 vekt% Ag til TiNi formminnelegering, og den oppnådde støpte TiNi-legeringen viste visse antibakterielle egenskaper, og den antibakterielle hastigheten mot Staphylococcus aureus nådde 86,3%. Chen et al. brukt Ag-pulver med ulikt innhold og ulik partikkelstørrelse for å sintre sammen med rent titanpulver for å få en serie Ti-xAg-legeringer (x=1,3,5). Deres mekaniske egenskaper, korrosjonsegenskaper, antibakterielle egenskaper og in vitro cellefase. Kapasitansen ble karakterisert og evaluert. Som vist i figur 2, er den antibakterielle aktiviteten til Ti-Ag-legeringen med en Ag-partikkelstørrelse på 10 μm høyere enn den til Ti-Ag-legeringen med en Ag-partikkelstørrelse på 75 μm. I motsetning til loven om Ag-ionefrigjøring, er Ti-Ag-legeringen med en Ag-partikkelstørrelse på 10 μm. Ionefrigjøringsmengden av legeringen er lavere enn for Ti-Ag-legeringen med en Ag-pulverpartikkelstørrelse på 75 μm, noe som indikerer at den antibakterielle ytelsen til Ti-Ag-legeringen bør være nært knyttet til komposittsølvpartiklene i nano/mikronskala som finnes på matrisen.

Figur 2 Bakteriekolonier på overflaten av ren Ti- og Ti-Ag-legering

3.2 Ti-Cu antibakteriell titanlegering

I 2009, Shirai et al. studerte først den antibakterielle effekten av Ti-xCu(x=1,5)-legering. Resultatene viste at Ti-1Cu har betydelige antibakterielle egenskaper mot E. coli og har god biologisk sikkerhet, noe som åpner gapet mellom kobberholdige bakterier og titanlegeringer fungerer som gardin for medisinsk metallmaterialforskning. Deretter har Zhang et al. brukte pulvermetallurgi for å fremstille Ti-10wt%Cu-legering, og studerte legeringens antibakterielle egenskaper, mekaniske egenskaper og korrosjonsegenskaper. Som vist i figur 3 er Ti-10 Cu-legering motstandsdyktig mot Staphylococcus aureus og Staphylococcus aureus. E. coli har alle betydelige drepende effekter. Resultatene fra den intraossøse implantasjonstesten av Ti-10Cu-legering viser at Ti-10Cu-legering har god bencellekompatibilitet. Ytterligere forskningsresultater viser at tilsetning av minst 5 % Cu til titan vil ha en betydelig antibakteriell effekt. For formålet med antibakteriell og anti-infeksjon har Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences utviklet en serie kobberholdige titanlegeringer med antibakterielle funksjoner, og har utført et stort antall in vitro og in vivo dyreforsøk. Den faste løseligheten av Cu i Ti er svært lav. Når den avkjøles fra høy temperatur til 790 grader, utfelles overmettet Cu som en Ti2Cu intermetallisk forbindelse. Potensialforskjellen mellom den og matrisen vil fremme legeringen til å frigjøre spormengder av kobberioner i et fysiologisk miljø. , og utøver dermed en sterk bakteriedrepende effekt.

Figur 3 Den drepende effekten av Ti-10Cu på Staphylococcus aureus og Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakteriell titanlegering

Peng et al. utført omfattende ytelsesoptimalisering på den termisk behandlede Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) legeringen. Forskningsresultatene viser at for å oppnå de beste mekaniske egenskapene, korrosjonsbestandigheten og slitestyrken til legeringen, er de optimale varmebehandlingsprosessene etter termisk bearbeiding av de tre gruppene av legeringer å holde på 720 grader, 740 grader og 760 grader for 1 time og deretter luftavkjølt. I figur 4 er de representert med henholdsvis 4.5Cu-720, 6Cu-740 og 7.5Cu-760. Antibakteriell test og cytotoksisitetstestresultater for de tre gruppene av legeringer er vist i figur 4. Fra figur 4(a)-(d) kan man se at det er flere bakteriekolonier etter samdyrking med Ti6Al4V-legering, og etter samkultur med Ti6A14V-Cu-legering Antallet bakteriekolonier er lite, noe som indikerer at den kobberholdige titanlegeringen har sterke antibakterielle egenskaper. Figur 4(e) viser den antibakterielle hastigheten til Ti6Al4V-xCu-legering. Det kan sees at den antibakterielle frekvensen av 4,5Cu-720-prøven er omtrent 80 %. Når Cu-innholdet øker, øker den antibakterielle hastigheten til legeringen litt, noe som indikerer at den antibakterielle ytelsen har forbedret seg. Som det kan sees fra figur 4(f), er absorbansverdiene til Ti6A14V-Cu-legering og Ti6A14V-legering ikke mye forskjellig når de dyrkes sammen med celler i 1 og 3 dager; men etter 7 dager er verdien av 7,5Cu-760 betydelig lavere enn Ti6A14V-legeringen, noe som indikerer at den har en viss cytotoksisitet etter 7 dager. Det kan sees at for Ti6A14V-xCu-legering bør Cu-innholdet ikke være høyere enn 6%, ellers vil legeringen vise en viss grad av cytotoksisitet etter lang tid.

Figur 4 Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; (d) Bakterievekstmorfologi etter legeringssamkultur; (e) Sammenligning av antibakterielle mengder av Ti6Al4V-legering; (f) Absorbansverdier for celler dyrket sammen med forskjellige legeringer i 1, 3 og 7 dager