Kemajuan penyelidikan mengenai penggunaan bahan aloi titanium dalam ortopedik
Aloi titaniumtelah menjadi bahan yang biasa digunakan dalam amalan klinikal ortopedik (seperti plat keluli penetapan dalaman dan sendi buatan) kerana sifat mekanikal yang sangat baik dan keupayaan osteogenik, tetapi ia mempunyai batasan seperti inertness logam dan pelepasan ion. Aloi titanium baru mengoptimumkan sifat fizikokimia dan biologi melalui sains bahan. Artikel ini mengkaji kemajuan penyelidikan aplikasi ortopedik dan memberikan rujukan untuk pembangunan bidang.
Bahan -bahan implan ortopedik adalah terutamanya logam, termasuk keluli tahan karat, kobalt dan aloi, titanium dan aloinya, dan lain -lain. Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, banyak ulama telah dijalankan dalam penyelidikan mendalam - mengenai kaedah pemprosesan dan pembuatan, pengubahsuaian permukaan, saiz liang dan keliangan aloi titanium, yang bertujuan untuk menyelesaikan masalah modulus elastik yang tinggi, inertness permukaan dan pelepasan ion logam yang dihadapi oleh aloi titanium dalam aplikasi klinikal. Kajian -kajian ini bukan sahaja akan membantu meningkatkan kesan aplikasi biologi aloi titanium, tetapi juga meningkatkan sifat osseointegration, sifat antibakteria dan sifat keselamatan dalam vivo. Dalam makalah ini, pengubahsuaian permukaan dan pengubahsuaian, sifat -sifat struktur dan pelbagai jenis aloi titanium titanium dikaji secara ringkas, untuk mendapatkan pemahaman kedalaman - mengenai status semasa, kelebihan dan kekurangan aloi titanium dalam aplikasi biologi, serta kemajuan penyelidikan mereka.
1. Struktur tulang dan kelebihan dan kekurangan aloi titanium
Tulang mempunyai struktur berlapis di paras makroskopik, mikroskopik, dan nanoscale, yang mengandungi mineral organik dan bukan organik. Menurut struktur dan ketumpatan, ia boleh dibahagikan kepada tulang trabekular dan tulang kortikal. Tulang trabekular terdiri daripada rangkaian berliang dengan keliangan 50% ~ 90% dan modulus elastik 0.02 ~ 2 GPa, manakala tulang kortikal adalah pepejal, dengan keliangan 3% ~ 5% dan modulus elastik 3 ~ 30 GPa. Tulang sentiasa berubah disebabkan oleh tekanan yang berbeza yang digunakan, jadi sebarang kesilapan modulus antara implan dan tulang boleh menyebabkan penyerapan tulang yang berkaitan dengan undang -undang Wolff. Implan ortopedik yang ideal harus menggalakkan pertumbuhan semula tulang di kawasan yang rosak sambil memulihkan fungsi fizikal tulang. Secara umum, mereka harus dekat dengan tulang semula jadi dan ditadbir oleh sifat asas berikut:
(1) biokompatibiliti;
(2) sifat mekanik yang sepadan;
(3) Struktur yang sangat berliang.
Di samping itu, sifat antibakteria juga penting.
Dalam ortopedik, implan titanium digunakan dalam pelbagai aplikasi, termasuk penggantian prostesis pinggul dan lutut untuk rawatan pelbagai jenis arthritis, peranti gabungan tulang belakang untuk memastikan kestabilan vertebra degeneratif dan tidak stabil, dan pelbagai alat penetapan fraktur seperti plat logam, skru, dan intramedullary. Oleh kerana bilangan prosedur implantasi terus meningkat, pesakit menghadapi banyak risiko seperti jangkitan bakteria, osseointegration yang lemah, dan keradangan aseptik. Walaupun aloi titanium terkenal dengan rintangan biokompatibiliti dan ketahanan kakisan mereka, kekurangan potensi mereka tidak dapat diabaikan: pertama, implan aloi titanium yang tidak dirawat mempunyai permukaan lengai biologi, yang mempengaruhi interaksi mereka dengan organisma hidup; Kedua, aloi titanium itu sendiri tidak mempunyai sifat antibakteria; Ketiga, walaupun biokompatibiliti yang baik, apabila filem oksida di permukaan rosak, ion logam berbahaya boleh dibebaskan ke dalam aliran darah, yang boleh menyebabkan masalah kesihatan yang serius.
2. Pengubahsuaian permukaan dan pengubahsuaian aloi titanium
Penyembuhan tulang awal yang lemah di antara muka tulang - dianggap sebagai salah satu punca utama kegagalan pasca operasi. Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, pembangunan teknologi pengubahsuaian permukaan telah menyediakan idea -idea baru untuk menyelesaikan masalah di atas. Penyelidik menambah bahan -bahan tertentu ke permukaan aloi titanium untuk mencapai jangkitan anti -, osteogenic, memakai - tahan, kakisan - kesan pengoksidaan dan anti -. Teknik pengubahsuaian permukaan kimia termasuk anodizing, pengoksidaan arka mikro -, pemendapan elektroforetik, pemendapan wap kimia, pemanasan alkali, dan pemendapan lapisan atom.
Dengan membentuk ikatan kimia, bahan -bahan baru dengan daya ikatan yang kuat dilampirkan. Di samping itu, teknologi pengubahsuaian permukaan kimia telah disesuaikan dengan implan dengan bentuk kompleks, yang mempunyai prospek aplikasi yang hebat dalam pengubahsuaian aloi titanium percetakan 3D. Tidak seperti kaedah kimia, teknologi pengubahsuaian permukaan fizikal tidak mengubah sifat kimia bahan, tetapi bergantung pada laser, zarah tenaga tinggi -, ultrasound dan teknologi lain untuk mengubah suai penampilan permukaan dan morfologi mikroskopik aloi titanium.
Teknik sandblasting tradisional meningkatkan kekasaran permukaan aloi titanium, meningkatkan kestabilan awal implan. Laser adalah teknologi yang agak baru yang mengubah struktur bahan di tahap nanometer dan mikrometer. Brane⁃mark et al. Teknologi laser yang digunakan untuk mengubahsuaian implan implan di tapak tertentu dan kemudian meletakkannya di tibia dan femur, dan hasilnya menunjukkan bahawa teknik ini meningkatkan penambakan antara muka implan tulang -. Gittens et al. membangunkan kaedah pengubahsuaian permukaan untuk menghasilkan ciri -ciri nanoscale pada plat titanium, yang membawa kepada pembezaan osteoblast yang dipertingkatkan. Struktur titanium berliang disalut dengan gelatin multilayer dan kitosan yang mengandungi protein morfogenetik tulang atau vancomycin, yang mempamerkan aktiviti antimikrob yang kuat terhadap bakteria planktonik dan pemeluk.
Di antara pelbagai lapisan permukaan, penyemburan plasma hydroxyapatite (HA) adalah yang paling banyak digunakan kerana kelebihannya seperti kemudahan operasi dan harga yang rendah. Di samping itu, pengoksidaan arka mikro -, rawatan hidroterma, pemendapan elektroforetik dan teknologi lain boleh berjaya membentuk salutan HA pada permukaan titanium berliang. Kajian telah membandingkan pelapis HA yang disembur plasma dengan salutan HA yang disimpan elektrokimia, dan hasilnya menunjukkan bahawa yang terakhir mempunyai kekasaran permukaan yang lebih tinggi dan kebolehbaburan.
Biokompatibiliti boleh diperbaiki oleh seramik salutan dan oksida logam alkali yang lain. Urbanski et al. [18] bersalut Ti6al4v dengan titanium dioksida dan silika dan meletakkannya di femur tikus, dan mendapati bahawa tindak balas keradangan bahan adalah ringan. Kaedah baru adalah untuk melapisi aloi titanium dengan sisa pertanian seperti abu sekam padi, abu daun tebu, kacang tanah, dan sekam jagung, kerana bahan -bahan ini mengandungi sejumlah besar oksida silika dan nanopartikel lain yang berkaitan atau mikropartikel. Kaedah ini telah digunakan dalam bioglas dan seramik, di mana sekam padi digunakan bukannya silika sebagai salutan untuk bioglass.
3. Ciri -ciri struktur aloi titanium
Permukaan kasar bahan menarik lebih banyak sel keradangan untuk mematuhi, seperti makrofaj, yang dikenali sebagai fenomena "kekasaran". Telah didapati bahawa kekasaran purata bahan adalah 0.51 ~ 1.36μm, yang boleh menggalakkan polarisasi makrofag yang berpegang pada fenotip M2. Olivares - Navarrete et al. mendapati bahawa Ti6al4V pada permukaan kasar meningkatkan persekitaran keradangan tempatan berbanding Ti6al4V dengan permukaan licin, dan sel -sel yang tumbuh di permukaannya dikurangkan pro - paras interleukin keradangan. Oleh itu, aloi titanium dengan kekasaran permukaan tertentu bukan sahaja kondusif kepada peraturan keradangan awal oleh makrofaj, tetapi juga kepada osseointegration di peringkat kemudian.
Sebagai tambahan kepada kekasaran, sifat fizikal lain dari permukaan aloi titanium juga berkaitan dengan pertumbuhan tulang, seperti kebolehbaburan, potensi zeta dan tenaga permukaan. Di samping itu, salutan kalsium fosfat yang doped pada titanium berliang bercetak 3D meningkatkan osseointegration awal dan memendekkan masa penyembuhan. Pasukan penyelidikan telah membangunkan pengubahsuaian ejen kimia yang secara selektif menggalakkan penjerapan protein dan dengan itu meningkatkan lekatan osteoblast pada permukaan titanium, yang tidak melibatkan pembentukan lapisan bioaktif, tetapi mengubah keadaan permukaan untuk memudahkan biofixation dan memendekkan masa pertumbuhan tulang di sekitar implan titanium.
Ciri -ciri fizikal dan kimia dan morfologi bahan secara langsung mempengaruhi kebolehkerjaan, yang seterusnya mengawal penjerapan biomolekul dan lampiran sel. Hydrophilicity permukaan mengurangkan lekatan bakteria (dengan melemahkan daya van der Waals), dengan itu mengurangkan risiko jangkitan implan dan mempromosikan osseointegration awal. Aloi titanium tradisional terdedah kepada tekanan oklusi dan penyerapan tulang kerana modulus elastik yang tinggi, dan sukar untuk menghasilkan semula struktur berlapis tisu tulang. Bahan titanium berliang mengurangkan modulus melalui struktur liang dan meningkatkan kesan berlabuh dengan bantuan pertumbuhan tulang. Teknik penyediaannya (contohnya, sintering, percetakan 3D) dengan tepat dapat mengawal saiz liang dan keliangan liang yang saling berkaitan.
Teknologi Percetakan 3D mempunyai kelebihan ganda berbanding pembuatan tradisional: pemadanan mikroskopik modulus tulang semulajadi melalui liang pratetap untuk mengurangkan risiko pelekat tekanan dan melonggarkan; Di peringkat makroskopik, pengimbasan CT digunakan untuk mencapai penyesuaian dua mekanikal dan morfologi kecacatan tulang kompleks.
Aloi Titanium Porous Sintered baru berjaya mensimulasikan struktur yang tidak teratur dan modulus elastik tulang cancellous melalui reka bentuk porositi 75%. Eksperimen in vitro menunjukkan bahawa struktur ini secara signifikan mempromosikan lekatan dan percambahan osteoblas, dan prestasi osseointegrationnya lebih baik daripada titanium berliang bercetak 3D. Ciri -ciri strukturnya (saiz liang, porositi, pengedaran spatial, dan lain -lain) mempengaruhi osseointegration melalui tiga mekanisme: (1) penyesuaian harta mekanikal; (2) menghubungkan liang -liang untuk mempromosikan penghijrahan sel -sel progenitor tulang; (3) Mengoptimumkan pengangkutan nutrien/oksigen dan penyusupan vaskular.
Saiz dan keliangan pori adalah parameter pengawalseliaan teras: Kajian lebur laser selektif menunjukkan bahawa saiz pori silinder 632μm lebih kondusif untuk pertumbuhan tulang daripada 309μm/956μm, dan saiz pori 801μm dapat meningkatkan kestabilan awal. Ambang kritikal menunjukkan bahawa <400 μm menghalang penembusan sel,> 900 μm menghasilkan sentuhan tulang yang tidak mencukupi, dan pelbagai keliangan 75% -85% adalah optimum.
Dari segi jenis aloi titanium, Ti6al4v menguasai pasaran, tetapi terdapat risiko sitotoksik pelepasan Al/V. Aloi baru seperti Ti - 15TA-10.5ZR dan Ti-13NB-13ZR mengurangkan modulus sambil mengekalkan kekuatan dengan menyesuaikan komposisi unsur. Arahan inovatif seperti superelasticity aloi nikel-titanium dan sifat antibakteria tembaga/perak Ti6Al4V patut memberi perhatian kepada.
Cabaran semasa memberi tumpuan kepada: (1) transformasi tepat struktur kekisi aloi oleh teknologi pembuatan tambahan; (2) Adalah perlu untuk mengukuhkan pengesahan keseluruhan rantai in vitro, vivo, dan klinik. Penyelidikan masa depan harus memberi tumpuan kepada hubungan kuantitatif antara parameter struktur dan aktiviti biologi untuk mempromosikan pembangunan implan pembaikan tulang yang diperibadikan.
4. Ringkasan dan Tinjauan
Aloi titanium telah digunakan sebagai bahan penempatan sejak tahun 1960 -an. Sejak itu, para ulama telah meneliti mengubah komposisi aloi dan sifat permukaan untuk membangunkan bahan dengan kombinasi terbaik sifat mekanikal dan kimia. Proses pemprosesan moden yang berbeza, serta lapisan permukaan dan pengubahsuaian yang sesuai, untuk mencapai sifat -sifat implan titanium yang dikehendaki. Lebih banyak sumber dan penyelidikan diperlukan untuk membangunkan aloi titanium yang sukar, biokompatibel, kakisan - tahan, dan memakai - tahan.
Dengan memahami pelbagai ciri -ciri aloi titanium, penyelesaian yang berbeza dicadangkan untuk masalah modulus elastik yang tinggi dan inertness permukaan aloi titanium, dan pengubahsuaian permukaan dan pengubahsuaian permukaan adalah kaedah yang biasa digunakan untuk meningkatkan aktiviti permukaan aloi titanium. Fabrikasi aloi titanium berliang bukan sahaja menyelesaikan masalah modulus elastik yang tinggi, tetapi juga meningkatkan prestasi biologi osseointegration. Walau bagaimanapun, masih terdapat banyak masalah yang perlu dibincangkan dan diselesaikan dalam proses pengeluaran pelbagai aloi titanium berliang. Penggunaan salutan yang berfungsi dengan struktur berliang dan penemuan struktur biomimetik trabekular memberikan pilihan yang lebih baik untuk kemajuan aplikasi biologi aloi titanium. Pada masa akan datang, diharapkan bahawa sambil memperbaiki struktur mekanikal dan sifat -sifat lain dari aloi titanium, penerapan lapisan fungsional biologi di permukaan aloi titanium akan terus bertambah baik, dan kemajuan dan penemuan baru akan dibuat dalam meningkatkan pertumbuhan tulang tempatan, osseointegration, antibakteria dan antibakteria dan antibakteria.