Antibakteriyel titanyum alaşımlı malzeme ve teknolojilerin araştırılması ve geliştirilmesi

1. Giriş

Titanyum (Ti) ve alaşımları düşük yoğunluk, yüksek mukavemet ve mükemmel korozyon direnci özelliklerine sahiptir ve ilk olarak havacılık endüstrisinde kullanılmıştır. 1940'ların başında titanyum ve alaşımları ilk kez tıp alanına girdi. Yarım yüzyılı aşkın bir süredir devam eden geliştirme sürecinin ardından saf titanyum ve Ti6A14V alaşımı, en temsili titanyum bazlı tıbbi metal malzemeler olarak, birçok tıbbi klinikte, özellikle ortopedi ve diş hekimliği alanlarında, paslanmaz çelik ve kobalt bazlı malzemelerin yerini alarak kullanılmıştır. büyük miktarlarda alaşımlar. Ancak titanyum alaşımı, antibakteriyel özelliği olmayan, implantların neden olduğu enfeksiyon sorunlarına karşı güçsüz, biyolojik olarak inert bir malzeme türüdür. Şu anda, magnetron püskürtme, elektrokimyasal biriktirme, iyon implantasyonu, mikro ark oksidasyonu ve diğer yöntemler genellikle tıbbi titanyum alaşımlarının yüzeyine inorganik veya organik antibakteriyel maddeler yüklemek ve böylece onlara antibakteriyel özellikler kazandırmak için kullanılmaktadır. Yüzey modifikasyonu yoluyla hazırlanan antibakteriyel kaplamaların avantajları açıktır ancak nispeten karmaşık kaplama işlemi, artan üretim maliyetleri, kaplama ile alt tabaka arasındaki zayıf bağlanma, kaplamanın kolay aşınması ve uzun vadede zayıf olması gibi hala eksiklikler vardır. antibakteriyel performans bekleyin. İmplante edilen titanyum alaşımlarının neden olduğu enfeksiyon sorunlarına ve antibakteriyel kaplamaların eksikliğine yanıt olarak, insanlar alaşım bileşimini ayarlayarak kendi antibakteriyel işlevlerine sahip yeni antibakteriyel titanyum alaşımları geliştirmeye başladılar.

2. Antibakteriyel titanyum alaşımının antibakteriyel mekanizması

Bakterilerin yayılması bakteriyel biyofilmlerin oluşumuyla yakından ilişkilidir. Bakteriyel biyofilmlerin oluşum süreci Şekil 1'de gösterilmektedir. Planktonik bakteriler, malzeme matrisine indikten sonra büyür ve çoğalarak bakteriyel bir biyofilm oluşturur. Biyofilmin yüzeyi yoğun hücre dışı matris tabakasıdır. Bu hücre dışı matris tabakası sağlam bir yapıya ve yüksek dayanıklılığa sahiptir. İçerisine sarılan bakteriler yakın temas halindedir, bu da bakteriler arasındaki etkileşimi ve malzeme alışverişini artırırken, dışarıdan zararlı maddelerin girişini de engeller. Bu nedenle biyofilm oluştuktan sonra antibiyotikler, koruyucular ve diğer dış kimyasallar tarafından kolayca bozulmaz, dolayısıyla yaygın olarak kullanılan antibiyotikler tarafından uzaklaştırılması zordur.

Şekil 1 Bakteriyel biyofilmin oluşum süreci

Antibakteriyel titanyum alaşımlarının antibakteriyel mekanizması aşağıdaki dört aşamaya ayrılabilir: ① Antibakteriyel metal yüzey, antibakteriyel işlevlere sahip metal iyonlarını serbest bırakır; ② Negatif yüklü bakteri hücreleri ve pozitif yüklü metal iyonları birbirine çekilir ve metal iyonları bakteriler tarafından emilir. ③ Metal iyonları bakterilerin hücre duvarını ve hücre zarını yok eder veya protein yapılarını yok ederek sitoplazmanın sızmasına neden olur; ④ Metal iyonları bakteri hücre duvarına daha fazla nüfuz eder ve bakteriyel DNA ile birleşerek bakteriyel denatürasyona ve replikasyon yeteneğinin kaybına yol açar. İster hücre duvarına ister genetik materyale zarar versin, bakteriler ölecektir.

3. Araştırma ilerlemesi

3.1 Ti-Ag antibakteriyel titanyum alaşımı

Bir alaşım elementi olarak gümüş (Ag), titanyum bazlı metallerin korozyon direncini ve mekanik özelliklerini geliştirebilir. Takahashi ve ark. ağırlıkça %20 Ag eklemenin, yüksek uzamayı korurken dökme titanyum alaşımlarının mukavemetini ve aşınma direncini artırabildiğini buldu. Shim ve ark. Ti-Ag alaşımının saf titanyumdan daha iyi korozyon direncine sahip olduğunu kanıtladı. Ag ayrıca iyi bir biyouyumluluğa sahiptir ve Ag-Hg alaşımı diş malzemesi olarak kullanılmaktadır. Ag içeren kaplamaların mükemmel antibakteriyel özellikleri birçok çalışma ile doğrulanmıştır. Bu nedenle titanyum ve alaşımlarına uygun Ag eklenerek belirli antibakteriyel özelliklere sahip Ag içeren titanyum alaşımları elde etmek mümkündür. Bununla birlikte, bazı Ti-Ag alaşımlarındaki Ag içeriği çok yüksek olmasına, hatta ağırlıkça %20'ye ulaşmasına rağmen önemli antibakteriyel etkiler göstermezler; bu da Ag içeren titanyum alaşımlarının antibakteriyel etkilerinin yalnızca Ag içeriği tarafından belirlenmediğini gösterir.

Zheng ve diğerleri. TiNi şekil hafızalı alaşıma ağırlıkça %2,9 Ag ekledi ve elde edilen döküm TiNi alaşımı belirli antibakteriyel özellikler gösterdi ve Staphylococcus aureus'a karşı antibakteriyel oran %86,3'e ulaştı. Chen ve diğerleri. bir dizi Ti-xAg alaşımı (x=1,3,5) elde etmek amacıyla saf titanyum tozuyla birlikte sinterlemek için farklı içeriklere ve farklı parçacık boyutlarına sahip Ag tozu kullandı. Mekanik özellikleri, korozyon özellikleri, antibakteriyel özellikleri ve in vitro hücre fazı kapasitansı karakterize edildi ve değerlendirildi. Şekil 2'de gösterildiği gibi, 10 μm Ag parçacık boyutuna sahip Ti-Ag alaşımının antibakteriyel aktivitesi, 75 μm Ag parçacık boyutuna sahip Ti-Ag alaşımından daha yüksektir. Ag iyon salınımı yasasının aksine, Ag parçacık boyutu 10 μm olan Ti-Ag alaşımı Alaşımın iyon salınım miktarı, Ag toz parçacık boyutu 75 μm olan Ti-Ag alaşımından daha düşüktür; Ti-Ag alaşımının antibakteriyel performansının, matris üzerinde bulunan nano/mikron ölçekli kompozit gümüş parçacıklarıyla yakından ilişkili olması gerektiği ortaya çıktı.

Şekil 2 Saf Ti ve Ti-Ag alaşımının yüzeyindeki bakteri kolonileri

3.2 Ti-Cu antibakteriyel titanyum alaşımı

2009 yılında Shirai ve ark. ilk olarak Ti-xCu(x=1,5) alaşımının antibakteriyel etkisini inceledi. Sonuçlar, Ti-1Cu'nun E. coli'ye karşı önemli antibakteriyel özelliklere sahip olduğunu ve iyi bir biyolojik güvenliğe sahip olduğunu, bakır içeren bakteriler ile Titanyum alaşımları arasındaki boşluğun tıbbi metal malzeme araştırmaları için perde görevi gördüğünü gösterdi. Daha sonra Zhang ve ark. Ti-10ağırlıkça %Cu alaşımını hazırlamak için toz metalurjisini kullandı ve alaşımın antibakteriyel özelliklerini, mekanik özelliklerini ve korozyon özelliklerini inceledi. Şekil 3'te gösterildiği gibi Ti-10 Cu alaşımı Staphylococcus aureus ve Staphylococcus aureus'a dayanıklıdır. E. coli'nin hepsinin önemli öldürücü etkileri vardır. Ti-10Cu alaşımının intraosseöz implantasyon testinin sonuçları, Ti-10Cu alaşımının iyi bir kemik hücresi uyumluluğuna sahip olduğunu göstermektedir. Daha ileri araştırma sonuçları, titanyuma en az %5 Cu eklenmesinin önemli bir antibakteriyel etkiye sahip olacağını göstermektedir. Antibakteriyel ve anti-enfeksiyon amacıyla, Çin Bilimler Akademisi Metal Araştırma Enstitüsü, antibakteriyel işlevlere sahip bir dizi bakır içeren titanyum alaşımı geliştirmiş ve çok sayıda in vitro ve in vivo hayvan deney araştırması yürütmüştür. Cu'nun Ti içindeki katı çözünürlüğü çok düşüktür. Yüksek sıcaklıktan 790 dereceye kadar soğutulduğunda aşırı doymuş Cu, Ti2Cu intermetalik bileşik olarak çöker. Kendisi ile matris arasındaki potansiyel fark, alaşımın fizyolojik bir ortamda eser miktarda bakır iyonu salmasını teşvik edecektir. Böylece güçlü bir bakterisidal etki gösterir.

Şekil 3 Ti-10Cu'nun Staphylococcus aureus ve Escherichia coli üzerindeki öldürücü etkisi

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakteriyel titanyum alaşımı

Peng ve diğerleri. termal olarak işlenmiş Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) alaşımı üzerinde kapsamlı performans optimizasyonu gerçekleştirdi. Araştırma sonuçları, alaşımın en iyi mekanik özelliklerini, korozyon direncini ve aşınma direncini elde etmek için, üç grup alaşımın ısıl işleminden sonra en uygun ısıl işlem proseslerinin 720 derece, 740 derece ve 760 derecede tutulması gerektiğini göstermektedir. 1 saat ve ardından havayla soğutulur. Şekil 4'te sırasıyla 4,5Cu-720, 6Cu-740 ve 7,5Cu-760 ile temsil edilmektedirler. Üç grup alaşımın antibakteriyel test ve sitotoksisite testi sonuçları Şekil 4'te gösterilmektedir. Şekil 4(a)-(d)'den Ti6Al4V alaşımı ile ortak kültür sonrası daha fazla bakteri kolonisinin olduğu ve sonrasında daha fazla bakteri kolonisinin olduğu görülmektedir. Ti6A14V-Cu alaşımı ile ortak kültür Bakteri kolonilerinin sayısının az olması, bakır içeren titanyum alaşımının güçlü antibakteriyel özelliklere sahip olduğunu gösterir. Şekil 4(e), Ti6Al4V-xCu alaşımının antibakteriyel oranını göstermektedir. 4.5Cu-720 örneğinin antibakteriyel oranının %80 civarında olduğu görülmektedir. Cu içeriği arttıkça alaşımın antibakteriyel oranı bir miktar artıyor, bu da antibakteriyel performansın arttığını gösteriyor. Şekil 4(f)'den görülebileceği gibi hücrelerle 1 ve 3 gün boyunca birlikte kültür yapıldığında Ti6A14V-Cu alaşımı ve Ti6A14V alaşımının absorbans değerleri çok farklı değildir; ancak 7. günde 7.5Cu-760'nun değeri Ti6A14V alaşımından önemli ölçüde daha düşüktür, bu da 7. günde belirli bir sitotoksisiteye sahip olduğunu gösterir. Ti6A14V-xCu alaşımı için Cu içeriğinin %6'dan yüksek olmaması gerektiği, aksi takdirde alaşımın uzun bir süre sonra belirli derecede sitotoksisite göstereceği görülmektedir.

Şekil 4 Ti6A14V(a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5Cu-760; (d) Alaşım ortak kültüründen sonra bakteriyel büyüme morfolojisi; (e) Ti6Al4V alaşımının antibakteriyel oranlarının karşılaştırılması; (f) 1, 3 ve 7 gün boyunca farklı alaşımlarla birlikte kültürlenen hücrelerin absorbans değerleri