Το κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της βιοϊατρικής λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων και της βιοσυμβατότητάς του. Αλλά το κράμα τιτανίου και το τιτάνιο έχουν βιολογική αδράνεια, κυρίως μέσω φυσικού χιμαιρισμού στο σώμα, η οποία είναι εύκολο να προκαλέσει χαλάρωση και πτώση κατά τη μακροχρόνια χρήση. Επιπλέον, λόγω της διαφοράς του συντελεστή θερμικής διαστολής μεταξύ τιτανίου και οστού, προκαλείται επίσης η αστάθεια του δεσμού. Ως εκ τούτου, έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές τροποποίησης της επιφάνειας του τιτανίου για να καλυφθούν οι ανάγκες της κλινικής εφαρμογής. Οι συνήθεις μέθοδοι τροποποίησης της επιφάνειας των εμφυτευμάτων περιλαμβάνουν κυρίως: χαλαρή και τραχιά επεξεργασία της επιφάνειας των εμφυτευμάτων- Η επιφανειακή επίστρωση του εμφυτευμένου υλικού φορτώνεται με βιοδραστικά μόρια ή υλικά για την τροποποίηση της επιφάνειας.

Μελέτες έχουν δείξει ότι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τη βιοσυμβατότητα και την ικανότητα οστεοενσωμάτωσης των υλικών εμφυτευμάτων περιλαμβάνουν κυρίως την επιφανειακή διαβρεξιμότητα, την τραχύτητα, τη σύνθεση και τον τύπο των κρυστάλλων. Στο ανθρώπινο περιβάλλον, η καλή επιφανειακή διαβρεξιμότητα του υλικού εμφυτεύματος ευνοεί περισσότερο την προσρόφηση πρωτεϊνών και την προσκόλληση των κυττάρων. Επιπλέον, οι ειδικές συνθήκες επιφάνειας ευνοούν περισσότερο τη διαφοροποίηση και την ανάπτυξη των κυττάρων. Μέσω της διαδικασίας τροποποίησης της επιφάνειας του κράματος τιτανίου, μπορεί να κατασκευαστεί μια κατάλληλα τροποποιημένη επίστρωση στην επιφάνεια του κράματος για τη βελτιστοποίηση της επιφανειακής δομής, της σύνθεσης και της διαβρεξιμότητας του κράματος, διατηρώντας παράλληλα την αντοχή στη διάβρωση και τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος, ώστε να επιτευχθεί η βελτίωση της συμβατότητας και της ικανότητας ενσωμάτωσης των οστών.

Επί του παρόντος, οι κοινές επιφανειακές επικαλύψεις τροποποίησης του ιατρικού κράματος τιτανίου για την εμφύτευση οστών περιλαμβάνουν κυρίως την επικάλυψη υδροξυαπατίτη (HA), την επικάλυψη γραφενίου, την επικάλυψη χιτοζάνης και την επικάλυψη συστοιχίας νανοσωλήνων TiO2, μεταξύ των οποίων η συστοιχία νανοσωλήνων TiO2 μπορεί να συνδυαστεί με άλλες επικαλύψεις για την επίτευξη καλύτερων λειτουργιών λόγω της επί τόπου αυτοαναπτυσσόμενης επικάλυψης πορώδους δομής. Στο μέλλον, η κύρια κατεύθυνση της επιφανειακής τροποποίησης των ιατρικών κραμάτων τιτανίου είναι η βελτίωση της ικανότητας οστικής ενσωμάτωσης των εμφυτευμάτων με την προετοιμασία επιφανειακά τροποποιημένων επικαλύψεων και τον συνδυασμό διαφόρων μεθόδων επιφανειακής τροποποίησης.

Επίστρωση υδροξυαπατίτη (HA)

Ως κύριο ανόργανο συστατικό του ανθρώπινου οστού, ο υδροξυαπατίτης (HA) έχει καλή βιοσυμβατότητα. Κατά την επαφή με σωματικά υγρά, τα ιόντα της επιφάνειας του HA μπορούν να ανταλλάσσονται με ιόντα σε υδατικό διάλυμα και μόρια όπως το κολλαγόνο και οι πρωτεΐνες ή τα ιόντα προσροφώνται στις επιφάνειές τους για τη δημιουργία βιοϋμενίων και επικαλύψεων. Η επικάλυψη HA δεν συνδυάζει μόνο χημικούς δεσμούς στο οστό/εμφύτευμα στενά αλλά και ως φράγμα μεταξύ του υγρού και των μεταλλικών εμφυτευμάτων, το οποίο εξαρτάται από τις μεθόδους παρασκευής και την τεχνολογία του, επηρεάζοντας την αντοχή του δεσμού, την κρυσταλλικότητα και την πυκνότητα της μήτρας, ο συνδυασμός χαμηλής έντασης μπορεί να οδηγήσει σε τροποποίηση της αποτυχίας, η αποκόλληση της επικάλυψης HA μπορεί να προκαλέσει φλεγμονή και άλλα προβλήματα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αντοχή πρόσφυσης της επικάλυψης HA με σπατουλάρισμα μαγνητρονίων μπορεί να φθάσει τα 80 MPa, η οποία είναι υψηλότερη από την αντοχή πρόσφυσης της επικάλυψης που παρασκευάζεται με θερμή ισοστατική συμπίεση, εναπόθεση με παλμικό λέιζερ, ψεκασμό πλάσματος και μέθοδο sol-gel (περίπου 14MPa, 16MPa, 25MPa και 26 MPa αντίστοιχα).

Επί του παρόντος, ο ψεκασμός πλάσματος και η ηλεκτροφορητική εναπόθεση χρησιμοποιούνται συνήθως για την παρασκευή επικάλυψης HA, ενώ η τελευταία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικάλυψη σύνθετης μήτρας. Η επικάλυψη HA που παρασκευάστηκε με θερμικό ψεκασμό ανοπτήθηκε για να μειωθεί η υπολειπόμενη τάση και η αντοχή συγκόλλησης της επικάλυψης HA αυξήθηκε προφανώς επειδή η υπολειπόμενη τάση μειώθηκε με τη θερμική επεξεργασία. Προκειμένου να βελτιωθεί η αντοχή πρόσφυσης της επικάλυψης ΗΑ, η επιφάνεια του κράματος τιτανίου μπορεί να τραχυνθεί με διάφορες τεχνικές προεπεξεργασίας, όπως χάραξη με δέσμη ηλεκτρονίων, ανατίναξη με μικροσφαιρίδια, όξινη χάραξη και λείανση με γυαλόχαρτο, ή μπορεί να εναποτεθεί το μεταβατικό στρώμα μεταξύ της επικάλυψης ΗΑ και του υποστρώματος από κράμα τιτανίου.

Η κρυσταλλικότητα της επικάλυψης HA επηρεάζει τη συμπεριφορά των κυττάρων. Σε σύγκριση με την επίστρωση HA υψηλής κρυσταλλικότητας, η επίστρωση HA χαμηλής κρυσταλλικότητας παρουσιάζει χαμηλότερο ρυθμό πολλαπλασιασμού των οστεοβλαστών. Διαπιστώθηκε ότι η νανοεπίστρωση HA και η επίστρωση micron με διαφορετική κρυσταλλικότητα παρουσίασαν διαφορετικά χαρακτηριστικά διάλυσης και επανακατακρήμνισης και η μη ποιοτική HA παρουσίασε υψηλή διαλυτότητα in vivo. Εικάζεται ότι η κινητική του πρώιμου οστικού σχηματισμού σχετίζεται με τη διαλυτότητα της επικάλυψης HA. Η ελεγχόμενη κρυστάλλωση της επικάλυψης HA μπορεί να πραγματοποιηθεί με ανόπτηση ή εναπόθεση σε υψηλές θερμοκρασίες (700~800 ℃). Μέρος της άμορφης επικάλυψης μετατρέπεται σε κρυσταλλική επικάλυψη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανόπτησης και μπορεί να ληφθεί επικάλυψη HA με ορισμένη κρυσταλλικότητα ή δομή υποκατάστασης ιόντων. Σε σύγκριση με την επικάλυψη HA σε φύλλα, η επικάλυψη με ακτινωτή δομή είναι πυκνή και ομοιόμορφη, παρέχοντας μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με το περιβάλλον υγρό και επομένως πιο κατάλληλη για την εναπόθεση απατίτη. Η μικροδομή της επικάλυψης HA μπορεί επίσης να αλλάξει με θέρμανση και πυροσυσσωμάτωση. Οι Hulbert et al. έδειξαν ότι η πορώδης δομή απαιτεί κεραμικά οξείδια με ελάχιστο μέγεθος διασυνδετικών πόρων περίπου 100 μm για την ανάπτυξη νέου οστίτη ιστού προς τα μέσα και την παροχή χώρου για την κυκλοφορία του υγρού. Διαπίστωσαν ότι το μικρότερο μέγεθος πόρων επιτρέπει την ατελή ανοργανοποίηση του διαπερατού ιστού. Η εντελώς πυκνή επικάλυψη HA δεν ευνοεί τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση των κυττάρων, που χρησιμοποιούνται κυρίως ως ικρίωμα οστικού σχηματισμού, με αποτέλεσμα την περιορισμένη ικανότητά του να προκαλεί οστικό σχηματισμό.

Επίστρωση γραφενίου

Το 2004, ο Βρετανός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ Geim και Novoselov γραφίτη με ταινία μικρο μηχανικό διαχωρισμό απομονώθηκε επιτυχώς μονοστοιβάδα ατόμων άνθρακα στη δομή, δηλαδή τα σημεία του γραφενίου κάνουν πέτρα υλικό με υψηλή ειδική επιφάνεια, υψηλή αγώγιμη θερμική αγωγιμότητα, χαμηλή πυκνότητα, εξαιρετικές φυσικές ιδιότητες, οι δύο επιστήμονες κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τα μικρά μόρια από διαφορετικές ομάδες χημικής τροποποίησης μπορούν να σχηματίσουν διαφορετικά παράγωγα γραφενίου, όπως οξείδιο του γραφενίου, μείωση του οξειδίου του γραφενίου, νανοσωλήνες άνθρακα, κ.λπ., αυτά τα υλικά με διαφορετικές ιδιότητες της οικογένειας υλικών γραφενίου, που χρησιμοποιούνται συχνά για την τροποποίηση βιολογικών υλικών είναι οξειδωμένα παράγωγα γραφενίου. Σε ένα μεγάλο αριθμό μελετών σχετικά με το γραφένιο και τα παράγωγα του τροποποιημένα σύνθετα υλικά που προάγουν την οστεογένεση, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα υλικά ικριωμάτων που είναι φορτωμένα με γραφένιο έδειξαν καλύτερη κυτταροσυμβατότητα και ικανότητα επαγωγής οστεοαναγέννησης και διερεύνησαν τον μηχανισμό της προώθησης της οστικής αναγέννησης. Οι Kumar et al. έδειξαν ότι το γκο αύξησε την πρόσληψη οστεογενετικών παραγόντων σε ανθρώπινα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα in vitro, προωθώντας έτσι την οστεογενετική διαφοροποίηση των βλαστικών κυττάρων. Έχει αποδειχθεί ότι το γκο συγκεντρώνει δεξαμεθαζόνη και 0-γλυκεροφωσφορικό, δύο κλασικούς οστεογενετικούς επαγωγείς, σε καλλιέργεια για την προώθηση της διαφοροποίησης των ανθρώπινων μεσεγχυματικών βλαστικών κυττάρων του μυελού των οστών σε οστεοβλάστες. Επιπλέον, το σύνθετο υλικό από ελαφρύ απατίτη rGO μπορεί να ρυθμίσει την έκφραση πρωτεϊνών που σχετίζονται με τα οστά και να προωθήσει την ωρίμανση της μήτρας και την ασβεστοποίηση.

Επίστρωση χιτοζάνης

Ως φυσική οργανική ένωση, η χιτοζάνη έχει τα πλεονεκτήματα της καλής βιοσυμβατότητας, της μη τοξικότητας, της καλής αντιβακτηριδιακής δράσης και της προώθησης του κυτταρικού πολλαπλασιασμού και της διαφοροποίησης και χρησιμοποιείται συχνά ως επίστρωση τροποποίησης επιφάνειας για εμφυτεύματα από κράμα τιτανίου. Η χιτοζάνη έχει επίσης καλή ικανότητα προσρόφησης, μπορεί να είναι βιοαποικοδομήσιμη in vivo και μπορεί να συνδυαστεί με υδροξυαπατίτη και άλλες ουσίες ως φορέας. Το πάχος της επίστρωσης χιτοζάνης μπορεί να ελεγχθεί για τον έλεγχο της τοπικής συγκέντρωσης φαρμάκων για τη θεραπεία της μετεγχειρητικής λοίμωξης και φλεγμονής, έτσι ώστε το εμφύτευμα να επιτύχει καλύτερη οστική ενσωμάτωση και ταχεία επούλωση. Η χιτοζάνη μπορεί να αλληλεπιδράσει με αρνητικά φορτισμένα βακτηριακά κύτταρα για να επιτύχει το αντιβακτηριακό αποτέλεσμα, αλλά είναι ελαφρώς λιγότερο αντιβακτηριακό από τα μεταλλικά ιόντα, γεγονός που μειώνει τον κίνδυνο αποτυχίας του εμφυτεύματος.

Επίστρωση TiO2 Nanotube Array

Η δομή των νανοσωλήνων TiO2 μπορεί να αποτρέψει την απελευθέρωση ιόντων μετάλλων (όπως Al, V κ.λπ.) και να μετριάσει την αντίδραση εμφύτευσης, παρουσιάζοντας καλύτερη αντοχή στη διάβρωση και βιοσυμβατότητα από τα υλικά TiO2 χύμα. Ως εκ τούτου, η σύνθεση επίστρωσης συστοιχίας νανοσωλήνων TiO2 στην επιφάνεια κράματος τιτανίου αποτελεί αποτελεσματικό μέτρο για τη βελτίωση των ιατρικών επιδόσεών του.

Η ανοδική οξείδωση χρησιμοποιείται συχνά για συστοιχίες νανοσωλήνων TiO2 στην επιφάνεια υλικών τιτανίου, έτσι ώστε να σχηματιστεί επίστρωση στρώματος οξειδίου TiO2 με περίπου σκελετική πορώδη δομή. Αλλάζοντας την τάση και τη διάρκεια της ανοδικής οξείδωσης, μπορεί να ρυθμιστεί το μήκος και η διάμετρος του σωλήνα των συστοιχιών νανοσωλήνων TiO2. Οι συστοιχίες νανοσωλήνων TiO2 που παρασκευάστηκαν με ανοδική οξείδωση ήταν άμορφες και μπορούσαν να μεταβληθούν από άμορφες σε φάσεις ανατάσης ή ρουτιλίου μετά από ανόπτηση στους 300-500 ℃ και σταδιακά να μεταβληθούν σε φάση ρουτιλίου μετά από ανόπτηση στους 600 ℃. Με την αύξηση της επιφανειακής κρυσταλλικότητας, η επιφανειακή διαβρεξιμότητα της συστοιχίας νανοσωλήνων βελτιώνεται, γεγονός που καθιστά ευκολότερη την προσρόφηση πρωτεϊνών και την προσκόλληση κυττάρων. Η συνεργιστική επίδραση του νανοσωλήνα και της κρυσταλλικής δομής επιταχύνει την εναπόθεση υδροξυαπατίτη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η φάση ανατάσης υπερτερεί της φάσης ρουτιλίου στην επαγωγή της κυτταρικής διαφοροποίησης ή του κυτταρικού πολλαπλασιασμού και η πρώτη φάση είναι πιο πιθανό να εναποθέσει υδροξυαπατίτη. Όταν η τάση ανοδικής οξείδωσης βρίσκεται εντός ενός ορισμένου εύρους, το μήκος και η διάμετρος των νανοσωλήνων αυξάνονται με την αύξηση της τάσης. Καθώς αυξάνεται ο χρόνος οξείδωσης, η τραχύτητα της επιφάνειας αυξάνεται και η γωνία επαφής μειώνεται.

Το κράμα Ti-6Al-4V είναι ένα σχετικά ευρέως χρησιμοποιούμενο βιοϊατρικό υλικό, το οποίο αποτελείται από τη φάση α+β. Κατά την ανοδική οξείδωση, η διαλυτότητα των δύο φάσεων είναι διαφορετική και το μήκος των νανοσωλήνων είναι επίσης διαφορετικό σε διαφορετικές περιοχές φάσεων. Οι Mansoorianfar et al. παρασκεύασαν με επιτυχία συστοιχίες νανοσωλήνων TiO2 με καλή ομοιομορφία σε Κράμα Ti-6Al-4V με δευτερογενή ανοδική οξείδωση σε τάση 50-75 V. Το μέσο μήκος του σωλήνα και η διάμετρος του νανοσωλήνα αυξήθηκαν με την αύξηση της τάσης (φαίνεται στο παρακάτω σχήμα). Η μελέτη διαπίστωσε ότι το δείγμα που παρασκευάστηκε σε τάση 60 V παρουσίασε την καλύτερη κυτταρική δραστηριότητα.

Η παρασκευή στρώματος συστοιχίας νανοσωλήνων TiO2 σε κράμα βιοτιτανίου με χαμηλό μέτρο ελαστικότητας όχι μόνο εξασφαλίζει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού εμφυτεύματος αλλά βελτιώνει επίσης τη βιοσυμβατότητα. Οι Li et al. παρασκεύασαν στρώμα συστοιχίας νανοσωλήνων TiO2 στην επιφάνεια κράματος τιτανίου ti-24Nb-4Zr-7,9Sn (Ti2448) και συνέκριναν το καθαρό Ti, το νανοσωλήνα-Ti (NT) και το Ti2448. Ο νανοσωλήνας-ti2448 (NTi2448) έδειξε υψηλότερη διαβρεξιμότητα, αντοχή στη διάβρωση, κυτταροσυμβατότητα και ικανότητα ενσωμάτωσης οστών. Λόγω της προσθήκης Nb, Zr και άλλων στοιχείων σε κράμα τιτανίου με χαμηλό μέτρο ελαστικότητας, το φιλμ οξείδωσης που σχηματίζεται μετά από ανοδική οξείδωση βελτιώνει την αντοχή του στη διάβρωση. Επιπλέον, η προσθήκη κραματικών στοιχείων μειώνει την ευταξία της συστοιχίας νανοσωλήνων και ορισμένες μελέτες έχουν δείξει ότι οι συστοιχίες με χαμηλή ευταξία παρουσιάζουν καλύτερη συμβατότητα.

Στο τελευταίο

Η τεχνολογία τροποποίησης της επιφάνειας είναι ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη βελτίωση της βιολογικής δραστηριότητας, της αντοχής στη φθορά και των αντιβακτηριακών ιδιοτήτων του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου, καθώς και για τη βελτίωση των υφιστάμενων συμβατικών βιοϋλικών ώστε να ανταποκρίνονται στις τρέχουσες εξελισσόμενες κλινικές ανάγκες. Οι ερευνητές έχουν κάνει πολλές προσπάθειες για τη βελτίωση του σχεδιασμού και της βιοσυμβατότητας των νέων ιατρικών κραμάτων τιτανίου. Το μέτρο ελαστικότητας των νεοαναπτυχθέντων ιατρικών κραμάτων τιτανίου πλησιάζει όλο και περισσότερο την τιμή του μέτρου ελαστικότητας του ανθρώπινου οστικού ιστού. Η κατασκευή τροποποιημένης επικάλυψης στην επιφάνεια των κραμάτων τιτανίου έχει βελτιώσει σημαντικά τη βιοσυμβατότητα, την ικανότητα ενσωμάτωσης των οστών και την αντιβακτηριακή ικανότητα των κραμάτων. Επιπλέον, μια ποικιλία φυσικών και χημικών μεθόδων έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της απόδοσης φθοράς των επιφανειών των κραμάτων τιτανίου, με την εναπόθεση ενός στρώματος κεραμικής επίστρωσης με εξαιρετική αντοχή στη φθορά στην επιφάνεια του τιτανίου, όπως η μεμβράνη άνθρακα τύπου διαμαντιού (DLC), η επίστρωση νιτριδίου του τιτανίου (TiN).