Cercetare și dezvoltare de materiale și tehnologii antibacteriene din aliaje de titan

1. Introducere

Titanul (Ti) și aliajele sale au caracteristicile de densitate scăzută, rezistență ridicată și rezistență excelentă la coroziune și au fost utilizate inițial în industria aviației. La începutul anilor 1940, titanul și aliajele sale au fost introduse pentru prima dată în domeniul medical. După mai bine de jumătate de secol de dezvoltare, titanul pur și aliajul Ti6A14V, ca cele mai reprezentative materiale metalice medicale pe bază de titan, au fost folosite în multe clinici medicale, în special în domeniile ortopediei și stomatologiei, înlocuind oțelul inoxidabil și pe bază de cobalt. aliaje în cantități mari. Cu toate acestea, aliajul de titan este un tip de material biologic inert care nu are proprietăți antibacteriene și este neputincios împotriva problemelor de infecție cauzate de implanturi. În prezent, pulverizarea magnetronului, depunerea electrochimică, implantarea ionilor, oxidarea cu micro-arc și alte metode sunt de obicei utilizate pentru a încărca agenți antibacterieni anorganici sau organici pe suprafața aliajelor medicale de titan, conferindu-le astfel proprietăți antibacteriene. Avantajele acoperirilor antibacteriene preparate prin modificarea suprafeței sunt evidente, dar există încă neajunsuri, cum ar fi procesul de acoperire relativ complex, costuri de producție crescute, aderență slabă între acoperire și substrat, uzura ușoară a acoperirii și durată slabă. performanță antibacteriană așteptați. Ca răspuns la problemele de infecție cauzate de aliajele de titan implantate și de lipsa acoperirilor antibacteriene, oamenii au început să încerce să dezvolte noi aliaje de titan antibacteriene cu propriile funcții antibacteriene prin ajustarea compoziției aliajului.

2. Mecanism antibacterian al aliajului de titan antibacterian

Răspândirea bacteriilor este strâns legată de formarea de biofilme bacteriene. Procesul de formare a biofilmelor bacteriene este prezentat în Figura 1. Bacteriile planctonice cresc și se înmulțesc după aterizarea pe matricea materialului, formând un biofilm bacterian. Suprafața biofilmului este un strat de matrice extracelulară densă. Acest strat de matrice extracelulară are o structură solidă și o rezistență ridicată. Bacteriile învelite în interior sunt în contact strâns, ceea ce îmbunătățește interacțiunea și schimbul de materiale între bacterii, prevenind în același timp pătrunderea substanțelor dăunătoare externe. Prin urmare, după ce se formează biofilmul, acesta nu este ușor deranjat de antibiotice, conservanți și alte substanțe chimice externe, deci este dificil să fie îndepărtat de antibioticele utilizate în mod obișnuit.

Figura 1 Procesul de formare a biofilmului bacterian

Mecanismul antibacterian al aliajelor antibacteriene de titan poate fi împărțit în următoarele patru etape: ① Suprafața metalică antibacteriană eliberează ioni metalici cu funcții antibacteriene; ② Celulele bacteriene încărcate negativ și ionii metalici încărcați pozitiv sunt atrași unul de celălalt, iar ionii metalici sunt absorbiți în bacterii ③ Ionii metalici distrug peretele celular și membrana celulară a bacteriilor sau distrug structura proteică a acestora, provocând scurgerea citoplasmei; ④ Ionii metalici pătrund în continuare în peretele celular bacterian și se combină cu ADN-ul bacterian, ducând la denaturarea bacteriană și la pierderea capacității de replicare. Fie că este vorba de deteriorarea peretelui celular sau a materialului genetic, bacteriile vor muri.

3. Progresul cercetării

3.1 Aliaj Ti-Ag antibacterian de titan

Argintul (Ag), ca element de aliere, poate îmbunătăți rezistența la coroziune și proprietățile mecanice ale metalelor pe bază de titan. Takahashi și colab. a constatat că adăugarea a 20% în greutate Ag poate îmbunătăți rezistența și rezistența la uzură a aliajelor de titan turnate, menținând în același timp o alungire ridicată. Shim şi colab. a demonstrat că aliajul Ti-Ag are o rezistență la coroziune mai bună decât titanul pur. Ag are, de asemenea, o bună biocompatibilitate, iar aliajul Ag-Hg a fost folosit ca material dentar. Proprietățile antibacteriene excelente ale acoperirilor care conțin Ag au fost confirmate de multe studii. Prin urmare, prin adăugarea de Ag adecvat la titan și aliajele sale, este posibil să se obțină aliaje de titan care conțin Ag cu anumite proprietăți antibacteriene. Cu toate acestea, chiar dacă conținutul de Ag în unele aliaje de Ti-Ag este foarte mare, ajungând chiar la 20% în greutate, acestea nu prezintă efecte antibacteriene semnificative, ceea ce indică faptul că efectele antibacteriene ale aliajelor de titan care conțin Ag nu sunt determinate exclusiv de conținutul de Ag.

Zheng şi colab. a adăugat 2,9% în greutate Ag la aliajul cu memorie de formă TiNi, iar aliajul TiNi turnat obținut a prezentat anumite proprietăți antibacteriene, iar rata antibacteriană împotriva Staphylococcus aureus a atins 86,3%. Chen şi colab. pulbere Ag utilizată cu conținut diferit și dimensiuni diferite de particule pentru a sinteriza împreună cu pulbere de titan pur pentru a obține o serie de aliaje Ti-xAg (x=1,3,5). Proprietățile lor mecanice, proprietățile de coroziune, proprietățile antibacteriene și faza celulară in vitro. Capacitatea a fost caracterizată și evaluată. După cum se arată în Figura 2, activitatea antibacteriană a aliajului de Ti-Ag cu o dimensiune a particulei de Ag de 10 μm este mai mare decât cea a aliajului de Ti-Ag cu o dimensiune a particulei de Ag de 75 μm. Spre deosebire de legea eliberării ionilor Ag, aliajul de Ti-Ag cu o dimensiune a particulei de Ag de 10 μm Cantitatea de eliberare de ioni a aliajului este mai mică decât cea a aliajului de Ti-Ag cu o dimensiune a particulelor de pulbere de Ag de 75 μm, ceea ce indică că performanța antibacteriană a aliajului Ti-Ag ar trebui să fie strâns legată de particulele compozite de argint la scară nano/micronica prezente pe matrice.

Figura 2 Colonii bacteriene pe suprafața aliajului pur Ti și Ti-Ag

3.2 Aliaj Ti-Cu antibacterian de titan

În 2009, Shirai et al. a studiat mai întâi efectul antibacterian al aliajului Ti-xCu(x=1,5). Rezultatele au arătat că Ti-1Cu are proprietăți antibacteriene semnificative împotriva E. coli și are o bună siguranță biologică, deschizând decalajul dintre bacteriile care conțin cupru și aliajele de titan servesc drept perdea pentru cercetarea materialelor metalice medicale. Ulterior, Zhang și colab. a folosit metalurgia pulberilor pentru a prepara aliajul de Ti-10wt%Cu și a studiat proprietățile antibacteriene, proprietățile mecanice și proprietățile de coroziune ale aliajului. După cum se arată în Figura 3, aliajul de Ti-10 Cu este rezistent la Staphylococcus aureus și Staphylococcus aureus. E. coli au toate efecte ucigătoare semnificative. Rezultatele testului de implantare intraosoasă a aliajului de Ti-10Cu arată că aliajul de Ti{-10Cu are o bună compatibilitate cu celulele osoase. Rezultatele cercetărilor ulterioare arată că adăugarea a cel puțin 5% Cu la titan va avea un efect antibacterian semnificativ. În scopul antibacteriene și anti-infectie, Institutul de Cercetare a Metalelor, Academia Chineză de Științe a dezvoltat o serie de aliaje de titan care conțin cupru cu funcții antibacteriene și a efectuat un număr mare de cercetări experimentale pe animale in vitro și in vivo. Solubilitatea solidă a Cu în Ti este foarte scăzută. Când este răcit de la temperatură ridicată la 790 de grade, Cu suprasaturat precipită ca un compus intermetalic Ti2Cu. Diferența de potențial dintre acesta și matrice va promova aliajul să elibereze urme de ioni de cupru într-un mediu fiziologic. , exercitând astfel un puternic efect bactericid.

Figura 3 Efectul distrugător al Ti-10Cu asupra Staphylococcus aureus și Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu aliaj antibacterian de titan

Peng şi colab. a efectuat o optimizare completă a performanței pe aliajul Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) prelucrat termic. Rezultatele cercetării arată că, pentru a obține cele mai bune proprietăți mecanice, rezistență la coroziune și rezistență la uzură a aliajului, procesele optime de tratament termic după prelucrarea termică a celor trei grupe de aliaje trebuie să se mențină la 720 de grade, 740 de grade și 760 de grade pentru 1 oră și apoi se răcește la aer. În Figura 4, ele sunt reprezentate de 4,5Cu-720, 6Cu-740 și, respectiv, 7,5Cu-760. Rezultatele testelor antibacteriene și ale testelor de citotoxicitate ale celor trei grupuri de aliaje sunt prezentate în Figura 4. Din Figura 4(a)-(d), se poate observa că există mai multe colonii bacteriene după cocultura cu aliajul Ti6Al4V și după co-cultură cu aliajul Ti6A14V-Cu Numărul de colonii bacteriene este mic, ceea ce indică faptul că aliajul de titan care conține cupru are proprietăți antibacteriene puternice. Figura 4(e) arată rata antibacteriană a aliajului Ti6Al4V-xCu. Se poate observa că rata antibacteriană a probei de 4,5Cu-720 este de aproximativ 80%. Pe măsură ce conținutul de Cu crește, rata antibacteriană a aliajului crește ușor, indicând că performanța antibacteriană s-a îmbunătățit. După cum se poate vedea din Figura 4(f), atunci când sunt co-cultivate cu celule timp de 1 și 3 zile, valorile absorbanței aliajului Ti6A14V-Cu și aliajului Ti6A14V nu sunt foarte diferite; dar la 7 zile, valoarea lui 7,5Cu-760 este semnificativ mai mică decât cea a aliajului Ti6A14V, ceea ce indică faptul că are o anumită citotoxicitate la 7 zile. Se poate observa că pentru aliajul Ti6A14V-xCu, conținutul de Cu nu trebuie să fie mai mare de 6%, altfel aliajul va prezenta un anumit grad de citotoxicitate după o lungă perioadă de timp.

Figura 4 Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5Cu-760; (d) Morfologia creșterii bacteriene după cocultura de aliaje; (e) Comparația ratelor antibacteriene ale aliajului Ti6Al4V; (f) Valorile de absorbție ale celulelor co-cultivate cu diferite aliaje timp de 1, 3 și 7 zile