Recerca i desenvolupament de materials i tecnologies d'aliatge de titani antibacterià
1. Introducció
El titani (Ti) i els seus aliatges tenen les característiques de baixa densitat, alta resistència i excel·lent resistència a la corrosió, i es van utilitzar originalment a la indústria de l'aviació. A principis de la dècada de 1940, el titani i els seus aliatges es van introduir per primera vegada en el camp mèdic. Després de més de mig segle de desenvolupament, el titani pur i l'aliatge Ti6A14V, com a materials metàl·lics mèdics basats en titani més representatius, s'han utilitzat en moltes clíniques mèdiques, especialment en els camps de l'ortopèdia i l'odontologia, substituint l'acer inoxidable i el cobalt. aliatges en grans quantitats. Tanmateix, l'aliatge de titani és un tipus de material biològicament inert que no té propietats antibacterianes i és impotent davant els problemes d'infecció causats pels implants. Actualment, la polverització de magnetrons, la deposició electroquímica, la implantació d'ions, l'oxidació de micro-arc i altres mètodes s'utilitzen generalment per carregar agents antibacterians inorgànics o orgànics a la superfície dels aliatges de titani mèdics, donant-los així propietats antibacterianes. Els avantatges dels recobriments antibacterians preparats mitjançant la modificació de la superfície són evidents, però encara hi ha deficiències, com ara el procés de recobriment relativament complex, l'augment dels costos de producció, la mala unió entre el recobriment i el substrat, el fàcil desgast del recobriment i la mala durada a llarg termini. rendiment antibacterià espera. En resposta als problemes d'infecció causats pels aliatges de titani implantats i la manca de recobriments antibacterians, la gent ha començat a intentar desenvolupar nous aliatges de titani antibacterians amb les seves pròpies funcions antibacterianes ajustant la composició de l'aliatge.
2. Mecanisme antibacterià d'aliatge de titani antibacterià
La propagació de bacteris està estretament relacionada amb la formació de biofilms bacterians. El procés de formació dels biofilms bacterians es mostra a la figura 1. Els bacteris planctònics creixen i es multipliquen després d'aterrar a la matriu del material, formant un biofilm bacterian. La superfície del biofilm és una capa de matriu extracel·lular densa. Aquesta capa de matriu extracel·lular té una estructura sòlida i una gran resistència. Els bacteris embolicats a l'interior estan en contacte estret, cosa que millora la interacció i l'intercanvi de materials entre bacteris, alhora que evita l'entrada de substàncies nocives externes. Per tant, després de la formació del biofilm, els antibiòtics, conservants i altres substàncies químiques externes no el molesten fàcilment, de manera que és difícil eliminar-lo amb els antibiòtics d'ús habitual.
Figura 1 El procés de formació del biofilm bacterià
El mecanisme antibacterià dels aliatges de titani antibacterià es pot dividir en els quatre passos següents: ① La superfície metàl·lica antibacteriana allibera ions metàl·lics amb funcions antibacterianes; ② Les cèl·lules bacterianes carregades negativament i els ions metàl·lics carregats positivament s'atreuen entre si, i els ions metàl·lics s'absorbeixen als bacteris ③ Els ions metàl·lics destrueixen la paret cel·lular i la membrana cel·lular dels bacteris, o destrueixen la seva estructura proteica, provocant la fuita del citoplasma; ④ Els ions metàl·lics penetren encara més a la paret cel·lular bacteriana i es combinen amb l'ADN bacterià, provocant la desnaturalització bacteriana i la pèrdua de la capacitat de replicació. Tant si es tracta de danys a la paret cel·lular o material genètic, els bacteris moriran.
3. Progrés de la recerca
3.1 Aliatge de titani antibacterià Ti-Ag
La plata (Ag), com a element d'aliatge, pot millorar la resistència a la corrosió i les propietats mecàniques dels metalls a base de titani. Takahashi et al. va trobar que l'addició d'un 20% en pes d'Ag pot millorar la resistència i la resistència al desgast dels aliatges de titani fos mantenint un alt allargament. Shim et al. va demostrar que l'aliatge Ti-Ag té una millor resistència a la corrosió que el titani pur. Ag també té una bona biocompatibilitat i l'aliatge Ag-Hg s'ha utilitzat com a material dental. Les excel·lents propietats antibacterianes dels recobriments que contenen Ag han estat confirmades per molts estudis. Per tant, afegint Ag adequat al titani i els seus aliatges, és possible obtenir aliatges de titani que contenen Ag amb certes propietats antibacterianes. Tanmateix, tot i que el contingut d'Ag en alguns aliatges de Ti-Ag és molt elevat, fins i tot arribant al 20% en pes, no mostren efectes antibacterians significatius, cosa que indica que els efectes antibacterians dels aliatges de titani que contenen Ag no estan determinats únicament pel contingut d'Ag.
Zheng et al. va afegir un 2,9% en pes d'Ag a l'aliatge de memòria de forma TiNi, i l'aliatge TiNi fos obtingut va mostrar certes propietats antibacterianes i la taxa antibacteriana contra Staphylococcus aureus va arribar al 86,3%. Chen et al. s'utilitza pols d'Ag amb diferents continguts i diferents mides de partícules per sinteritzar juntament amb pols de titani pur per obtenir una sèrie d'aliatges Ti-xAg (x=1,3,5). Les seves propietats mecàniques, propietats de corrosió, propietats antibacterianes i fase cel·lular in vitro Es va caracteritzar i avaluar la capacitat. Com es mostra a la figura 2, l'activitat antibacteriana de l'aliatge de Ti-Ag amb una mida de partícula d'Ag de 10 μm és superior a la de l'aliatge de Ti-Ag amb una mida de partícula d'Ag de 75 μm. Contràriament a la llei d'alliberament d'ions Ag, l'aliatge Ti-Ag amb una mida de partícula d'Ag de 10 μm La quantitat d'alliberament d'ions de l'aliatge és inferior a la de l'aliatge Ti-Ag amb una mida de partícula d'Ag en pols de 75 μm, cosa que indica que el rendiment antibacterià de l'aliatge Ti-Ag hauria d'estar estretament relacionat amb les partícules de plata compostes a escala nano/micro presents a la matriu.
Figura 2 Colònies bacterianes a la superfície de l'aliatge pur de Ti i Ti-Ag
3.2 Aliatge de titani antibacterià Ti-Cu
El 2009, Shirai et al. primer va estudiar l'efecte antibacterià de l'aliatge Ti-xCu(x=1,5). Els resultats van demostrar que el Ti-1Cu té propietats antibacterianes significatives contra E. coli i té una bona seguretat biològica, obrint la bretxa entre els bacteris que contenen coure i els aliatges de titani que serveixen de cortina per a la investigació de materials metàl·lics mèdics. Posteriorment, Zhang et al. va utilitzar la metal·lúrgia de pols per preparar l'aliatge Ti-10p%Cu i va estudiar les propietats antibacterianes, les propietats mecàniques i les propietats de corrosió de l'aliatge. Com es mostra a la figura 3, l'aliatge de Ti-10 Cu és resistent a Staphylococcus aureus i Staphylococcus aureus. E. coli tots tenen efectes mortals significatius. Els resultats de la prova d'implantació intraòssia de l'aliatge Ti-10Cu mostren que l'aliatge Ti-10Cu té una bona compatibilitat amb les cèl·lules òssies. Els resultats de la investigació posterior mostren que afegir almenys un 5% de Cu al titani tindrà un efecte antibacterià significatiu. Amb l'objectiu d'antibacterià i antiinfecció, l'Institut d'Investigació de Metall de l'Acadèmia Xinesa de Ciències ha desenvolupat una sèrie d'aliatges de titani que contenen coure amb funcions antibacterianes i ha dut a terme un gran nombre d'investigacions experimentals amb animals in vitro i in vivo. La solubilitat sòlida del Cu en Ti és molt baixa. Quan es refreda d'alta temperatura a 790 graus, el Cu sobresaturat precipita com a compost intermetàl·lic Ti2Cu. La diferència de potencial entre aquest i la matriu promourà que l'aliatge alliberi traces d'ions de coure en un entorn fisiològic. , exercint així un fort efecte bactericida.
Figura 3 L'efecte mortal del Ti-10Cu sobre Staphylococcus aureus i Escherichia coli
3.3 Aliatge de titani antibacterià Ti6Al4V-Cu
Peng et al. va realitzar una optimització integral del rendiment de l'aliatge Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) processat tèrmicament. Els resultats de la investigació mostren que per obtenir les millors propietats mecàniques, resistència a la corrosió i resistència al desgast de l'aliatge, els processos de tractament tèrmic òptims després del processament tèrmic dels tres grups d'aliatges s'han de mantenir a 720 graus, 740 graus i 760 graus per 1 hora i després refredar a l'aire. A la figura 4, estan representats per 4,5Cu-720, 6Cu-740 i 7,5Cu{-760 respectivament. Els resultats de la prova antibacteriana i de la prova de citotoxicitat dels tres grups d'aliatges es mostren a la figura 4. A la figura 4(a)-(d), es pot veure que hi ha més colònies bacterianes després del cocultiu amb l'aliatge Ti6Al4V, i després co-cultiu amb l'aliatge Ti6A14V-Cu El nombre de colònies bacterianes és petit, cosa que indica que l'aliatge de titani que conté coure té fortes propietats antibacterianes. La figura 4 (e) mostra la taxa antibacteriana de l'aliatge Ti6Al4V-xCu. Es pot veure que la taxa antibacteriana de la mostra de 4,5Cu-720 és d'aproximadament el 80%. A mesura que augmenta el contingut de Cu, la taxa antibacteriana de l'aliatge augmenta lleugerament, cosa que indica que el rendiment antibacterià ha millorat. Com es pot veure a la figura 4 (f), quan es co-cultiva amb cèl·lules durant 1 i 3 dies, els valors d'absorbància de l'aliatge Ti6A14V-Cu i l'aliatge Ti6A14V no són gaire diferents; però als 7 dies, el valor de 7,5Cu-760 és significativament inferior al de l'aliatge Ti6A14V, cosa que indica que té certa citotoxicitat als 7 dies. Es pot veure que per a l'aliatge Ti6A14V-xCu, el contingut de Cu no hauria de ser superior al 6%, en cas contrari, l'aliatge mostrarà un cert grau de citotoxicitat després de molt de temps.
Figura 4 Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5Cu-760; (d) Morfologia del creixement bacterià després del cocultiu d'aliatges; (e) Comparació de les taxes antibacterianes de l'aliatge Ti6Al4V; ( f ) Valors d'absorbància de cèl·lules cocultivades amb diferents aliatges durant 1, 3 i 7 dies
