מחקר ופיתוח של חומרים וטכנולוגיות מסגסוגת טיטניום אנטיבקטריאלית

1. הקדמה

טיטניום (Ti) וסגסוגותיו הם בעלי מאפיינים של צפיפות נמוכה, חוזק גבוה ועמידות מצוינת בפני קורוזיה, והם שימשו במקור בתעשיית התעופה. בתחילת שנות ה-40, טיטניום וסגסוגותיו הוכנסו לראשונה לתחום הרפואי. לאחר יותר מחצי מאה של פיתוח, נעשה שימוש בטיטניום טהור וסגסוגת Ti6A14V, כחומרי המתכת הרפואיים המייצגים ביותר על בסיס טיטניום, במרפאות רפואיות רבות, במיוחד בתחומי האורטופדיה ורפואת השיניים, החלפת נירוסטה וקובלט. סגסוגות בכמויות גדולות. עם זאת, סגסוגת טיטניום היא סוג של חומר אינרטי ביולוגית שאין לו תכונות אנטיבקטריאליות וחסרת אונים מפני בעיות זיהום הנגרמות על ידי שתלים. נכון להיום, בדרך כלל נעשה שימוש בקפיצת מגנטרון, שקיעה אלקטרוכימית, השתלת יונים, חמצון מיקרו-קשת ושיטות אחרות כדי להעמיס חומרים אנטיבקטריאליים אנאורגניים או אורגניים על פני השטח של סגסוגות טיטניום רפואיות, ובכך להעניק להם תכונות אנטיבקטריאליות. היתרונות של ציפויים אנטי-בקטריאליים שהוכנו באמצעות שינוי פני השטח ברורים, אך עדיין קיימים חסרונות, כגון תהליך הציפוי המורכב יחסית, עלויות ייצור מוגברות, הדבקה לקויה בין הציפוי למצע, בלאי קל של הציפוי ולטווח ארוך לקוי. ביצועים אנטיבקטריאליים לחכות. בתגובה לבעיות הזיהום הנגרמות מסגסוגות טיטניום מושתלות והיעדר ציפויים אנטיבקטריאליים, אנשים החלו לנסות לפתח סגסוגות טיטניום אנטיבקטריאליות חדשות עם פונקציות אנטיבקטריאליות משלהן על ידי התאמת הרכב הסגסוגת.

2. מנגנון אנטיבקטריאלי של סגסוגת טיטניום אנטיבקטריאלית

התפשטות החיידקים קשורה קשר הדוק ליצירת סרטי ביו-פילמים חיידקיים. תהליך היווצרותם של ביופילם חיידקי מוצג באיור 1. חיידקים פלנקטוניים גדלים ומתרבים לאחר נחיתה על מטריצת החומר, ויוצרים ביופילם חיידקי. פני השטח של הביופילם הם שכבה של מטריצה ​​חוץ תאית צפופה. לשכבה זו של מטריצה ​​חוץ-תאית יש מבנה מוצק וחוזק גבוה. החיידקים העטופים בפנים נמצאים במגע הדוק, מה שמשפר את האינטראקציה וחילופי החומרים בין החיידקים, תוך מניעת כניסת חומרים מזיקים חיצוניים. לכן, לאחר היווצרות ביופילם, הוא אינו מופרע בקלות על ידי אנטיביוטיקה, חומרים משמרים וכימיקלים חיצוניים אחרים, ולכן קשה להסירו על ידי אנטיביוטיקה נפוצה.

איור 1. תהליך היווצרות של ביופילם חיידקי

ניתן לחלק את המנגנון האנטיבקטריאלי של סגסוגות טיטניום אנטיבקטריאליות לארבעה השלבים הבאים: ① משטח המתכת האנטיבקטריאלי משחרר יוני מתכת בעלי פונקציות אנטיבקטריאליות; ② תאי חיידקים בעלי מטען שלילי ויוני מתכת טעונים חיובית נמשכים זה לזה, ויוני המתכת נספגים בחיידקים ③ יוני מתכת הורסים את דופן התא ואת קרום התא של החיידקים, או הורסים את מבנה החלבון שלהם, מה שגורם לדליפה של הציטופלזמה; ④ יוני מתכת חודרים עוד יותר את דופן התא החיידקי ומתחברים עם DNA חיידקי, מה שמוביל לדנטורציה חיידקית ואובדן יכולת השכפול. בין אם מדובר בפגיעה בדופן התא או בחומר גנטי, החיידקים ימותו.

3. התקדמות המחקר

סגסוגת טיטניום אנטיבקטריאלית 3.1 Ti-Ag

כסף (Ag), כאלמנט מתג, יכול לשפר את עמידות בפני קורוזיה ואת התכונות המכניות של מתכות מבוססות טיטניום. טקאהאשי וחב'. מצא שהוספת 20% Ag יכולה לשפר את החוזק ועמידות הבלאי של סגסוגות טיטניום יצוק תוך שמירה על התארכות גבוהה. שים ואח'. הוכיח שלסגסוגת Ti-Ag יש עמידות טובה יותר בפני קורוזיה מאשר טיטניום טהור. ל- Ag יש גם תאימות ביולוגית טובה, וסגסוגת Ag-Hg שימשה כחומר דנטלי. התכונות האנטיבקטריאליות המצוינות של ציפויים המכילים Ag אושרו על ידי מחקרים רבים. לכן, על ידי הוספת Ag מתאים לטיטניום וסגסוגותיו, ניתן להשיג סגסוגות טיטניום המכילות Ag בעלות תכונות אנטיבקטריאליות מסוימות. עם זאת, למרות שתכולת ה-Ag בסגסוגות Ti-Ag מסוימות גבוהה מאוד, אפילו מגיעה ל-20% משקל, הן אינן מציגות השפעות אנטיבקטריאליות משמעותיות, מה שמצביע על כך שההשפעות האנטיבקטריאליות של סגסוגות טיטניום המכילות Ag אינן נקבעות אך ורק על ידי תכולת ה-Ag.

Zheng et al. הוסיפו 2.9% Ag לסגסוגת זיכרון הצורה TiNi, וסגסוגת ה-TiNi היצוקה שהתקבלה הראתה תכונות אנטיבקטריאליות מסוימות, ושיעור האנטיבקטריאליות נגד Staphylococcus aureus הגיע ל-86.3%. חן וחב'. השתמשו באבקת Ag עם תכולה שונה וגדלים שונים של חלקיקים כדי לחטא יחד עם אבקת טיטניום טהורה לקבלת סדרה של סגסוגות Ti-xAg (x=1,3,5). תכונותיהם המכניות, תכונות הקורוזיה, התכונות האנטיבקטריאליות ושלב התא במבחנה הקיבול אופיינה והוערך. כפי שמוצג באיור 2, הפעילות האנטי-בקטריאלית של סגסוגת Ti-Ag עם גודל חלקיקי Ag של 10 מיקרומטר גבוהה מזו של סגסוגת Ti-Ag עם גודל חלקיקי Ag של 75 מיקרומטר. בניגוד לחוק שחרור יונים Ag, סגסוגת Ti-Ag עם גודל חלקיקי Ag של 10 מיקרומטר כמות שחרור היונים של הסגסוגת נמוכה מזו של סגסוגת Ti-Ag עם גודל חלקיקי אבקת Ag של 75 מיקרון, מה שמצביע על כך. שהביצועים האנטיבקטריאליים של סגסוגת ה-Ti-Ag צריכים להיות קשורים קשר הדוק לחלקיקי הכסף המרוכבים בקנה מידה ננו/מיקרוני הנמצאים על המטריצה.

איור 2 איור 2 מושבות חיידקים על פני השטח של סגסוגת Ti ו-Ti-Ag טהורה

סגסוגת טיטניום אנטיבקטריאלית 3.2 Ti-Cu

בשנת 2009, שיראי וחב'. חקר לראשונה את ההשפעה האנטיבקטריאלית של סגסוגת Ti-xCu(x=1,5). התוצאות הראו שלTi-1Cu תכונות אנטיבקטריאליות משמעותיות נגד E. coli ובעל בטיחות ביולוגית טובה, מה שפותח את הפער בין חיידקים המכילים נחושת וסגסוגות טיטניום משמשות כמסך למחקר חומרי מתכת רפואיים. לאחר מכן, Zhang et al. השתמש במטלורגיית אבקה להכנת סגסוגת Ti-10wt%Cu, וחקר את התכונות האנטיבקטריאליות, התכונות המכניות ותכונות הקורוזיה של הסגסוגת. כפי שמוצג באיור 3, סגסוגת Ti-10 Cu עמידה בפני Staphylococcus aureus ו- Staphylococcus aureus. ל-E. coli יש השפעות הרג משמעותיות. תוצאות בדיקת ההשתלה התוך אוססת של סגסוגת Ti-10Cu מראות שלסגסוגת Ti-10Cu יש תאימות טובה לתאי עצם. תוצאות מחקר נוספות מראות שלהוספת לפחות 5% Cu לטיטניום תהיה השפעה אנטיבקטריאלית משמעותית. למטרות אנטיבקטריאליות ואנטי זיהום, המכון לחקר מתכות, האקדמיה הסינית למדעים פיתחה סדרה של סגסוגות טיטניום המכילות נחושת עם פונקציות אנטיבקטריאליות, וביצעה מספר רב של מחקרים ניסויים בבעלי חיים במבחנה ובחיים. המסיסות המוצקה של Cu ב-Ti נמוכה מאוד. כאשר מקורר מטמפרטורה גבוהה ל-790 מעלות, Cu על רווי משקע כתרכובת בין-מתכתית Ti2Cu. ההבדל הפוטנציאלי בינו לבין המטריצה ​​יקדם את הסגסוגת לשחרר כמויות עקבות של יוני נחושת בסביבה פיזיולוגית. , ובכך מפעיל השפעה חיידקית חזקה.

איור 3 השפעת ההרג של Ti-10Cu על Staphylococcus aureus ו-Escherichia coli

סגסוגת טיטניום אנטיבקטריאלית 3.3 Ti6Al4V-Cu

פנג וחב'. ביצע אופטימיזציה מקיפה של ביצועים על סגסוגת Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) המעובדת תרמית. תוצאות המחקר מראות כי על מנת להשיג את התכונות המכניות הטובות ביותר, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני שחיקה של הסגסוגת, תהליכי טיפול החום האופטימליים לאחר עיבוד תרמי של שלוש קבוצות הסגסוגות הם להחזיק ב-720 מעלות, 740 מעלות ו-760 מעלות עבור שעה אחת ואז מצננים באוויר. באיור 4, הם מיוצגים על ידי 4.5Cu-720, 6Cu-740 ו-7.5Cu-760 בהתאמה. תוצאות הבדיקה האנטיבקטריאלית ובדיקת הציטוטוקסיות של שלוש קבוצות הסגסוגות מוצגות באיור 4. מאיור 4(א)-(ד), ניתן לראות שיש יותר מושבות חיידקים לאחר תרבות משותפת עם סגסוגת Ti6Al4V, ואחרי תרבות משותפת עם סגסוגת Ti6A14V-Cu מספר מושבות החיידקים קטן, מה שמעיד על כך שלסגסוגת הטיטניום המכילה נחושת תכונות אנטיבקטריאליות חזקות. איור 4(ה) מציג את השיעור האנטיבקטריאלי של סגסוגת Ti6Al4V-xCu. ניתן לראות ששיעור האנטיבקטריאליות של מדגם ה-4.5Cu-720 הוא כ-80%. ככל שתכולת ה-Cu עולה, קצב האנטיבקטריאליות של הסגסוגת עולה מעט, מה שמצביע על שיפור בביצועים האנטיבקטריאליים. כפי שניתן לראות מאיור 4(ו), כאשר תורבו יחד עם תאים במשך 1 ו-3 ימים, ערכי הספיגה של סגסוגת Ti6A14V-Cu וסגסוגת Ti6A14V אינם שונים בהרבה; אבל לאחר 7 ימים, הערך של 7.5Cu-760 נמוך משמעותית מזה של סגסוגת Ti6A14V, מה שמצביע על כך שיש לה ציטוטוקסיות מסוימת לאחר 7 ימים. ניתן לראות כי עבור סגסוגת Ti6A14V-xCu, תכולת Cu לא צריכה להיות גבוהה מ-6%, אחרת הסגסוגת תראה מידה מסוימת של ציטוטוקסיות לאחר זמן רב.

איור 4 Ti6A14V (א) 4.5Cu-720; (ב) 6Cu-740; (ג) 7.5Cu-760; (ד) מורפולוגיה של גידול חיידקים לאחר תרבית משותפת של סגסוגת; (ה) השוואה של שיעורים אנטיבקטריאליים של סגסוגת Ti6Al4V; (ו) ערכי ספיגה של תאים בתרבית משותפת עם סגסוגות שונות במשך 1, 3 ו-7 ימים