Paduan titanium banyak digunakan di bidang biomedis karena sifat mekanik dan biokompatibilitasnya yang sangat baik. Tetapi paduan titanium dan titanium memiliki kelembaman biologis, terutama melalui chimerisme fisik dalam tubuh, yang mudah menyebabkan pelonggaran dan rontok dalam penggunaan jangka panjang. Selain itu, karena perbedaan koefisien muai panas antara titanium dan tulang, ketidakstabilan ikatan juga disebabkan. Oleh karena itu, teknik modifikasi permukaan titanium yang berbeda telah diusulkan untuk memenuhi kebutuhan aplikasi klinis. Metode modifikasi permukaan umum dari bahan implan terutama meliputi: perawatan permukaan yang longgar dan kasar pada bahan implan; Lapisan permukaan bahan implan sarat dengan molekul bioaktif atau bahan untuk modifikasi permukaan.

Penelitian telah menunjukkan bahwa faktor utama yang memengaruhi biokompatibilitas dan kemampuan osteointegrasi bahan implan terutama meliputi keterbasahan permukaan bahan, kekasaran, komposisi, dan jenis kristal. Dalam lingkungan humoral, keterbasahan permukaan material implan yang baik lebih kondusif untuk adsorpsi protein dan perlekatan sel. Selain itu, kondisi permukaan yang spesifik lebih kondusif untuk diferensiasi dan pertumbuhan sel. Melalui proses modifikasi permukaan paduan titanium, lapisan yang dimodifikasi secara tepat dapat dibuat pada permukaan paduan untuk mengoptimalkan struktur permukaan, komposisi dan keterbasahan paduan dengan tetap menjaga ketahanan korosi dan sifat mekanik paduan, sehingga dapat mencapai peningkatan kompatibilitas dan kemampuan integrasi tulang.

Saat ini, lapisan modifikasi permukaan umum dari paduan titanium medis untuk implantasi tulang terutama mencakup lapisan hidroksiapatit (HA), lapisan Graphene, lapisan kitosan dan lapisan susunan tabung nano TiO2, di antaranya, susunan tabung nano TiO2 dapat dikombinasikan dengan lapisan lain untuk mencapai fungsi yang lebih baik karena lapisan struktur berpori yang tumbuh sendiri di tempat. Di masa depan, arah utama modifikasi permukaan paduan titanium medis adalah untuk meningkatkan kemampuan integrasi tulang implan dengan menyiapkan pelapis yang dimodifikasi permukaan dan menggabungkan berbagai metode modifikasi permukaan.

Lapisan Hidroksiapatit (HA)

Sebagai komponen anorganik utama tulang manusia, hidroksiapatit (HA) memiliki biokompatibilitas yang baik. Setelah kontak dengan cairan tubuh, ion permukaan HA dapat ditukar dengan ion dalam larutan air, dan molekul seperti kolagen dan protein atau ion teradsorpsi pada permukaannya untuk menghasilkan biofilm dan lapisan. Lapisan HA tidak hanya menggabungkan ikatan kimia pada tulang / implan secara erat tetapi juga sebagai penghalang antara cairan dan implan logam, yang tergantung pada metode persiapan dan teknologinya, yang mempengaruhi kekuatan ikatan, kristalinitas dan matriks kepadatan, kombinasi intensitas rendah dapat menyebabkan modifikasi kegagalan, pengelupasan lapisan HA dapat menyebabkan peradangan dan masalah lainnya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan rekat lapisan HA dengan magnetron sputtering dapat mencapai 80 MPa, yang lebih tinggi dari kekuatan rekat lapisan yang dibuat dengan pengepresan isostatik panas, deposisi laser pulsa, penyemprotan plasma, dan metode sol-gel (masing-masing sekitar 14MPa, 16MPa, 25MPa, dan 26MPa).

Saat ini, penyemprotan plasma dan deposisi elektroforesis umumnya digunakan untuk menyiapkan lapisan HA, yang terakhir dapat digunakan untuk pelapisan matriks kompleks. Lapisan HA yang dibuat dengan penyemprotan termal dianil untuk mengurangi tegangan sisa, dan kekuatan ikatan lapisan HA meningkat dengan jelas karena tegangan sisa dikurangi dengan perlakuan panas. Untuk meningkatkan kekuatan adhesi lapisan HA, permukaan paduan titanium dapat dikeraskan dengan berbagai teknik pretreatment seperti etsa berkas elektron, peledakan mikrosfer, etsa pengasaman dan pengamplasan amplas, atau lapisan transisi dapat diendapkan antara lapisan HA dan substrat paduan titanium.

Kristalinitas lapisan HA mempengaruhi perilaku sel. Dibandingkan dengan lapisan HA dengan kristalinitas tinggi, lapisan HA dengan kristalinitas rendah menunjukkan tingkat proliferasi osteoblas yang lebih rendah. Ditemukan bahwa lapisan nano HA dan lapisan mikron dengan kristalinitas yang berbeda menunjukkan karakteristik pelarutan dan pengendapan yang berbeda, dan HA yang tidak memenuhi syarat menunjukkan kelarutan yang tinggi secara in vivo. Diperkirakan bahwa kinetika pembentukan tulang awal terkait dengan kelarutan lapisan HA. Kristalisasi terkontrol dari lapisan HA dapat direalisasikan dengan anil atau pengendapan pada suhu tinggi (700 ~ 800 ℃). Bagian dari lapisan amorf diubah menjadi lapisan kristal selama proses anil dan lapisan HA dengan kristalinitas tertentu atau struktur tersubstitusi ion dapat diperoleh. Dibandingkan dengan lapisan HA lembaran, lapisan struktur acicular padat dan seragam, menyediakan lebih banyak area kontak dengan cairan di sekitarnya dan oleh karena itu lebih cocok untuk pengendapan apatit. Struktur mikro lapisan HA juga dapat diubah dengan pemanasan dan sintering. Hulbert dkk. menunjukkan bahwa struktur berpori membutuhkan keramik oksida dengan ukuran pori yang saling berhubungan minimum sekitar 100 μm agar jaringan tulang baru dapat tumbuh ke dalam dan menyediakan ruang untuk sirkulasi cairan. Mereka menemukan bahwa ukuran pori yang lebih kecil memungkinkan mineralisasi yang tidak sempurna pada jaringan permeabel. Lapisan HA yang benar-benar padat tidak kondusif untuk proliferasi dan diferensiasi sel, terutama digunakan sebagai perancah pembentukan tulang, yang mengakibatkan kemampuannya yang terbatas untuk menginduksi pembentukan tulang.

Pelapisan Grafena

Pada tahun 2004, fisikawan Inggris di University of Manchester Geim dan grafit Novoselov dengan pita pemisahan mekanis mikro berhasil mengisolasi monolayer atom karbon dalam struktur, yaitu titik-titik graphene membuat bahan batu dengan luas permukaan spesifik yang tinggi, konduktivitas termal konduktif yang tinggi, kepadatan rendah, sifat fisik yang sangat baik, kedua ilmuwan tersebut memenangkan Hadiah Nobel untuk fisika pada tahun 2010. Para ilmuwan menemukan bahwa molekul kecil oleh kelompok modifikasi kimia yang berbeda dapat membentuk turunan graphene yang berbeda, seperti graphene oksida, reduksi graphene oksida, tabung nano karbon, dll., Bahan-bahan ini dengan sifat yang berbeda dari keluarga bahan graphene, yang sering digunakan untuk modifikasi bahan biologis adalah turunan graphene teroksidasi. Dalam sejumlah besar penelitian tentang graphene dan turunannya yang dimodifikasi bahan komposit yang mempromosikan osteogenesis, para peneliti menemukan bahwa bahan perancah yang dimuat graphene menunjukkan sitokompatibilitas yang lebih baik dan kemampuan induksi osteoregenerasi, dan mengeksplorasi mekanisme yang mempromosikan regenerasi tulang. Kumar dkk. menunjukkan bahwa go meningkatkan penyerapan faktor osteogenik pada sel punca mesenkim manusia secara in vitro, sehingga mendorong diferensiasi osteogenik sel punca. Graphene telah terbukti memusatkan deksametason dan 0-gliserofosfat, dua penginduksi osteogenik klasik, dalam kultur untuk mendorong diferensiasi sel punca mesenkimal sumsum tulang manusia menjadi osteoblas. Selain itu, komposit apatit ringan rGO dapat mengatur ekspresi protein terkait tulang dan mendorong pematangan dan kalsifikasi matriks.

Pelapisan Kitosan

Sebagai senyawa organik alami, kitosan memiliki keunggulan biokompatibilitas yang baik, tidak beracun, antibakteri yang baik dan mendorong proliferasi dan diferensiasi sel, serta sering digunakan sebagai lapisan modifikasi permukaan untuk implan paduan titanium. Kitosan juga memiliki kapasitas adsorpsi yang baik, dapat terurai secara hayati secara in vivo, dan dapat dikombinasikan dengan hidroksiapatit dan zat lain sebagai pembawa. Ketebalan lapisan kitosan dapat dikontrol untuk mengontrol konsentrasi obat lokal untuk mengobati infeksi dan peradangan pasca operasi, sehingga implan dapat mencapai integrasi tulang yang lebih baik dan penyembuhan yang cepat. Kitosan dapat berinteraksi dengan sel bakteri bermuatan negatif untuk mencapai efek antibakteri, tetapi sedikit lebih sedikit antibakterinya dibandingkan ion logam, yang mengurangi risiko kegagalan implantasi.

Lapisan TiO2 Nanotube Array

Struktur tabung nano TiO2 dapat mencegah pelepasan ion logam (seperti Al, V, dll.) dan meringankan reaksi implantasi, menunjukkan ketahanan korosi dan biokompatibilitas yang lebih baik daripada bahan curah TiO2. Oleh karena itu, sintesis lapisan susunan tabung nano TiO2 pada permukaan paduan titanium menjadi langkah yang efektif untuk meningkatkan kinerja medisnya.

Oksidasi anodik sering digunakan untuk susunan tabung nano TiO2 pada permukaan bahan titanium, sehingga dapat membentuk lapisan lapisan oksida TiO2 dengan struktur berpori yang kurang lebih seperti kerangka. Dengan mengubah tegangan dan durasi oksidasi anodik, panjang tabung dan diameter susunan tabung nano TiO2 dapat diatur. Susunan tabung nano TiO2 yang dibuat dengan oksidasi anodik bersifat amorf dan dapat berubah dari amorf menjadi fase anatase atau fase rutil setelah anil pada 300-500 ℃, dan secara bertahap berubah menjadi fase rutil setelah anil pada 600 ℃. Dengan peningkatan kristalinitas permukaan, keterbasahan permukaan susunan tabung nano ditingkatkan, yang membuat adsorpsi protein dan adhesi sel lebih mudah. Efek sinergis dari tabung nano dan struktur kristal mempercepat pengendapan hidroksiapatit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa fase anatase lebih unggul daripada fase rutil dalam menginduksi diferensiasi sel atau proliferasi sel dan fase pertama lebih mungkin untuk menyimpan hidroksiapatit. Ketika tegangan oksidasi anodik berada dalam kisaran tertentu, panjang dan diameter tabung nano meningkat seiring dengan peningkatan tegangan. Dengan bertambahnya waktu oksidasi, kekasaran permukaan meningkat dan sudut kontak menurun.

Paduan Ti-6Al-4V adalah bahan biomedis yang relatif banyak digunakan, yang terdiri dari fase α + β. Selama oksidasi anodik, kelarutan kedua fase berbeda, dan panjang tabung nano juga berbeda di daerah fase yang berbeda. Mansoorianfar dkk. berhasil membuat susunan tabung nano TiO2 dengan keseragaman yang baik pada Paduan Ti-6Al-4V oleh oksidasi anodik sekunder pada tegangan 50-75 V. Rata-rata panjang tabung dan diameter tabung nano meningkat dengan meningkatnya tegangan (ditunjukkan pada gambar di bawah). Studi ini menemukan bahwa sampel yang disiapkan pada tegangan 60V menunjukkan aktivitas sel terbaik.

Pembuatan lapisan susunan tabung nano TiO2 pada paduan biotitanium dengan modulus elastisitas rendah tidak hanya menjamin sifat mekanik bahan implan tetapi juga meningkatkan biokompatibilitas. Li et al. menyiapkan lapisan susunan tabung nano TiO2 pada permukaan paduan titanium Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn (Ti2448), dan membandingkan Ti murni, tabung nano-Ti (NT), dan Ti2448. Nanotube-ti2448 (NTi2448) menunjukkan keterbasahan yang lebih tinggi, ketahanan terhadap korosi, sitokompatibilitas, dan kemampuan integrasi tulang. Karena penambahan Nb, Zr dan elemen lain dalam paduan titanium dengan modulus elastisitas rendah, lapisan oksidasi yang terbentuk setelah oksidasi anodik meningkatkan ketahanan korosinya. Selain itu, penambahan elemen paduan mengurangi keteraturan susunan tabung nano, dan beberapa penelitian menunjukkan bahwa susunan dengan keteraturan yang rendah menunjukkan kompatibilitas yang lebih baik.

Dalam The Last

Teknologi modifikasi permukaan adalah cara yang lebih efektif untuk meningkatkan aktivitas biologis, ketahanan aus dan sifat antibakteri dari titanium dan paduan titanium, dan untuk meningkatkan biomaterial konvensional yang ada untuk memenuhi kebutuhan klinis yang berkembang saat ini. Para peneliti telah melakukan banyak upaya untuk meningkatkan desain dan biokompatibilitas paduan titanium medis yang baru. Modulus elastisitas dari paduan titanium medis yang baru dikembangkan semakin mendekati nilai modulus elastisitas jaringan tulang manusia. Konstruksi lapisan yang dimodifikasi pada permukaan paduan titanium telah sangat meningkatkan biokompatibilitas, kemampuan integrasi tulang dan kemampuan antibakteri dari paduan tersebut. Selain itu, berbagai metode fisik dan kimia telah digunakan untuk meningkatkan kinerja keausan permukaan paduan titanium, dengan mengendapkan lapisan lapisan keramik dengan ketahanan aus yang sangat baik pada permukaan titanium, seperti lapisan karbon seperti berlian (DLC), lapisan titanium nitrida (TiN).