Stop tytanu jest szeroko stosowany w biomedycynie ze względu na jego doskonałe właściwości mechaniczne i biokompatybilność. Jednak stop tytanu i tytan mają biologiczną bezwładność, głównie poprzez fizyczny chimeryzm w organizmie, który łatwo powoduje obluzowanie i odpadanie podczas długotrwałego użytkowania. Ponadto, ze względu na różnicę współczynnika rozszerzalności cieplnej między tytanem a kością, powodowana jest również niestabilność wiązania. W związku z tym zaproponowano różne techniki modyfikacji powierzchni tytanu, aby zaspokoić potrzeby zastosowań klinicznych. Typowe metody modyfikacji powierzchni materiałów implantacyjnych obejmują głównie: luźną i szorstką obróbkę powierzchni materiałów implantacyjnych; Powłoka powierzchniowa wszczepionego materiału jest obciążona bioaktywnymi cząsteczkami lub materiałami do modyfikacji powierzchni.

Badania wykazały, że główne czynniki wpływające na biokompatybilność i zdolność do osteointegracji materiałów implantacyjnych obejmują głównie zwilżalność powierzchni materiału, chropowatość, skład i rodzaj kryształu. W środowisku humoralnym dobra zwilżalność powierzchni materiału implantu bardziej sprzyja adsorpcji białek i adhezji komórek. Ponadto specyficzne warunki powierzchniowe bardziej sprzyjają różnicowaniu i wzrostowi komórek. Dzięki procesowi modyfikacji powierzchni stopu tytanu można stworzyć odpowiednio zmodyfikowaną powłokę na powierzchni stopu, aby zoptymalizować strukturę powierzchni, skład i zwilżalność stopu przy jednoczesnym zachowaniu odporności na korozję i właściwości mechanicznych stopu, tak aby osiągnąć poprawę kompatybilności i zdolności integracji kości.

Obecnie powszechne powłoki modyfikujące powierzchnię medycznego stopu tytanu do implantacji kości obejmują głównie powłokę hydroksyapatytową (HA), powłokę grafenową, powłokę chitozanową i powłokę nanorurkową TiO2, wśród których macierz nanorurkowa TiO2 może być łączona z innymi powłokami w celu uzyskania lepszych funkcji dzięki samorosnącej porowatej strukturze powłoki in situ. W przyszłości głównym kierunkiem modyfikacji powierzchni medycznych stopów tytanu jest poprawa zdolności integracji implantów z kością poprzez przygotowanie powłok modyfikowanych powierzchniowo i łączenie różnych metod modyfikacji powierzchni.

Powłoka z hydroksyapatytu (HA)

Jako główny nieorganiczny składnik ludzkiej kości, hydroksyapatyt (HA) charakteryzuje się dobrą biokompatybilnością. W kontakcie z płynami ustrojowymi jony powierzchniowe HA mogą być wymieniane z jonami w roztworze wodnym, a cząsteczki takie jak kolagen i białka lub jony są adsorbowane na ich powierzchni, tworząc biofilmy i powłoki. Powłoka HA nie tylko łączy wiązania chemiczne na kości / implancie ściśle, ale także jako bariera między płynem a metalowymi implantami, co zależy od jej metod przygotowania i technologii, wpływając na siłę wiązania, krystaliczność i gęstość matrycy, połączenie niskiej intensywności może prowadzić do modyfikacji awarii, łuszczenie się powłoki HA może powodować stan zapalny i inne problemy. Wyniki pokazują, że wytrzymałość adhezyjna powłoki HA wytworzonej metodą rozpylania magnetronowego może osiągnąć 80 MPa, co jest wartością wyższą niż wytrzymałość adhezyjna powłoki wytworzonej metodą prasowania izostatycznego na gorąco, osadzania laserem impulsowym, natryskiwania plazmowego i metodą zol-żel (odpowiednio około 14 MPa, 16 MPa, 25 MPa i 26 MPa).

Obecnie natryskiwanie plazmowe i osadzanie elektroforetyczne są powszechnie stosowane do przygotowania powłoki HA, przy czym ta ostatnia może być stosowana do powlekania złożonych matryc. Powłoka HA przygotowana przez natryskiwanie termiczne została wyżarzona w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych, a siła wiązania powłoki HA wyraźnie wzrosła, ponieważ naprężenia szczątkowe zostały zmniejszone przez obróbkę cieplną. W celu poprawy przyczepności powłoki HA, powierzchnia stopu tytanu może być chropowata za pomocą różnych technik obróbki wstępnej, takich jak trawienie wiązką elektronów, piaskowanie mikrosferami, trawienie kwasem i szlifowanie papierem ściernym, lub warstwa przejściowa może być osadzona między powłoką HA a podłożem ze stopu tytanu.

Krystaliczność powłoki HA wpływa na zachowanie komórek. W porównaniu z powłoką HA o wysokiej krystaliczności, powłoka HA o niskiej krystaliczności wykazuje niższy wskaźnik proliferacji osteoblastów. Stwierdzono, że nanopowłoka HA i mikronowa powłoka o różnej krystaliczności wykazywały różne właściwości rozpuszczania i reprecypitacji, a niekrystaliczny HA wykazywał wysoką rozpuszczalność in vivo. Spekuluje się, że kinetyka wczesnego tworzenia kości jest związana z rozpuszczalnością powłoki HA. Kontrolowana krystalizacja powłoki HA może być realizowana przez wyżarzanie lub osadzanie w wysokich temperaturach (700 ~ 800 ℃). Część powłoki amorficznej jest przekształcana w powłokę krystaliczną podczas procesu wyżarzania i można uzyskać powłokę HA o określonej krystaliczności lub strukturze podstawionej jonami. W porównaniu z arkuszową powłoką HA, powłoka o strukturze igiełkowej jest gęsta i jednolita, zapewniając większy obszar kontaktu z otaczającym płynem, a zatem bardziej odpowiednia do osadzania apatytu. Mikrostrukturę powłoki HA można również zmieniać poprzez ogrzewanie i spiekanie. Hulbert i wsp. wykazali, że porowata struktura wymaga ceramiki tlenkowej o minimalnym rozmiarze porów łączących około 100 μm, aby nowa tkanka kostna mogła rosnąć do wewnątrz i zapewniać przestrzeń dla cyrkulacji płynów. Stwierdzili oni, że mniejszy rozmiar porów pozwala na niepełną mineralizację przepuszczalnej tkanki. Całkowicie gęsta powłoka HA nie sprzyja proliferacji i różnicowaniu komórek, stosowanych głównie jako rusztowanie do tworzenia kości, co skutkuje ograniczoną zdolnością do indukowania tworzenia kości.

Powłoka grafenowa

W 2004 roku brytyjski fizyk z Uniwersytetu w Manchesterze Geim i Novoselov grafitu przez taśmę mikromechanicznej separacji pomyślnie izolowane monowarstwy atomów węgla w strukturze, a mianowicie punkty grafenu zrobić kamień materiał o wysokiej powierzchni właściwej, wysokiej przewodności cieplnej, niskiej gęstości, doskonałe właściwości fizyczne, dwóch naukowców zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku. Naukowcy odkryli, że małe cząsteczki przez różne grupy modyfikacji chemicznej mogą tworzyć różne pochodne grafenu, takie jak tlenek grafenu, redukcja tlenku grafenu, nanorurki węglowe itp., te materiały o różnych właściwościach rodziny materiałów grafenowych, często stosowane do modyfikacji materiałów biologicznych są utlenionymi pochodnymi grafenu. W wielu badaniach nad modyfikowanymi grafenem i jego pochodnymi materiałami kompozytowymi promującymi osteogenezę, naukowcy odkryli, że materiały rusztowania obciążone grafenem wykazały lepszą cytokompatybilność i zdolność indukcji osteoregeneracji, a także zbadali mechanizm jego promowania regeneracji kości. Kumar i wsp. wykazali, że grafen zwiększa wychwyt czynników osteogennych w ludzkich mezenchymalnych komórkach macierzystych in vitro, promując w ten sposób różnicowanie osteogenne komórek macierzystych. Wykazano, że grafen koncentruje deksametazon i 0-glicerofosforan, dwa klasyczne induktory osteogenne, w hodowli w celu promowania różnicowania ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych szpiku kostnego w osteoblasty. Ponadto, lekki kompozyt apatytowy rGO może regulować ekspresję białek związanych z kością oraz promować dojrzewanie i zwapnienie macierzy.

Powłoka chitozanowa

Jako naturalny związek organiczny, chitozan ma zalety dobrej biokompatybilności, nietoksyczności, dobrego działania przeciwbakteryjnego i promowania proliferacji i różnicowania komórek, i jest często stosowany jako powłoka modyfikująca powierzchnię implantów ze stopu tytanu. Chitozan ma również dobrą zdolność adsorpcji, może być biodegradowalny in vivo i może być łączony z hydroksyapatytem i innymi substancjami jako nośnik. Grubość powłoki chitozanu można kontrolować w celu kontrolowania lokalnego stężenia leków stosowanych w leczeniu infekcji pooperacyjnych i stanów zapalnych, dzięki czemu implant może osiągnąć lepszą integrację kości i szybkie gojenie. Chitozan może wchodzić w interakcje z ujemnie naładowanymi komórkami bakteryjnymi, aby osiągnąć efekt antybakteryjny, ale jest nieco mniej antybakteryjny niż jony metali, co zmniejsza ryzyko niepowodzenia implantacji.

Powłoka TiO2 Nanotube Array

Struktura nanorurek TiO2 może zapobiegać uwalnianiu jonów metali (takich jak Al, V itp.) i łagodzić reakcję implantacji, wykazując lepszą odporność na korozję i biokompatybilność niż materiały masowe TiO2. Dlatego też synteza nanorurkowej powłoki TiO2 na powierzchni stopu tytanu staje się skutecznym środkiem poprawy jego właściwości medycznych.

Anodowe utlenianie jest często stosowane w przypadku układów nanorurek TiO2 na powierzchni materiałów tytanowych, tak aby utworzyć powłokę warstwy tlenku TiO2 o w przybliżeniu szkieletowej strukturze porowatej. Zmieniając napięcie utleniania anodowego i czas jego trwania, można regulować długość i średnicę nanorurek TiO2. Tablice nanorurek TiO2 przygotowane przez utlenianie anodowe były amorficzne i mogły zmieniać się z amorficznych w fazę anatazu lub rutylu po wyżarzaniu w temperaturze 300-500 ℃ i stopniowo zmieniały się w fazę rutylu po wyżarzaniu w temperaturze 600 ℃. Wraz ze wzrostem krystaliczności powierzchni poprawia się zwilżalność powierzchni nanorurek, co ułatwia adsorpcję białek i adhezję komórek. Synergiczny efekt nanorurek i struktury krystalicznej przyspiesza osadzanie hydroksyapatytu. Wyniki pokazują, że faza anatazowa jest lepsza od fazy rutylowej w indukowaniu różnicowania lub proliferacji komórek, a pierwsza faza jest bardziej podatna na osadzanie hydroksyapatytu. Gdy napięcie utleniania anodowego mieści się w pewnym zakresie, długość i średnica nanorurek zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia. Wraz ze wzrostem czasu utleniania zwiększa się chropowatość powierzchni, a kąt zwilżania maleje.

Stop Ti-6Al-4V jest stosunkowo szeroko stosowanym materiałem biomedycznym, który składa się z fazy α+β. Podczas utleniania anodowego rozpuszczalność obu faz jest różna, a długość nanorurek jest również różna w różnych obszarach fazowych. Mansoorianfar i in. z powodzeniem przygotowali tablice nanorurek TiO2 o dobrej jednorodności na Stop Ti-6Al-4V przez wtórne utlenianie anodowe przy napięciu 50-75 V. Średnia długość i średnica nanorurek wzrastała wraz ze wzrostem napięcia (pokazano na poniższym rysunku). Badanie wykazało, że próbka przygotowana przy napięciu 60 V wykazała najlepszą aktywność ogniwa.

Przygotowanie warstwy nanorurek TiO2 na stopie biotytanu o niskim module sprężystości nie tylko zapewnia właściwości mechaniczne materiału implantu, ale także poprawia biokompatybilność. Li i wsp. przygotowali warstwę nanorurek TiO2 na powierzchni stopu tytanu ti-24Nb-4Zr-7.9Sn (Ti2448) i porównali czysty Ti, nanorurki-Ti (NT) i Ti2448. Nanorurki Ti2448 (NTi2448) wykazały wyższą zwilżalność, odporność na korozję, cytokompatybilność i zdolność integracji kości. Dzięki dodaniu Nb, Zr i innych pierwiastków do stopu tytanu o niskim module sprężystości, warstwa utleniająca utworzona po utlenianiu anodowym poprawia jego odporność na korozję. Ponadto dodanie pierwiastków stopowych zmniejsza uporządkowanie macierzy nanorurek, a niektóre badania wykazały, że macierze o niskim uporządkowaniu wykazują lepszą kompatybilność.

W Ostatnim

Technologia modyfikacji powierzchni jest skuteczniejszym sposobem na poprawę aktywności biologicznej, odporności na zużycie i właściwości antybakteryjnych tytanu i stopów tytanu, a także na ulepszenie istniejących konwencjonalnych biomateriałów w celu zaspokojenia zmieniających się potrzeb klinicznych. Naukowcy podjęli wiele prób poprawy konstrukcji i biokompatybilności nowych medycznych stopów tytanu. Moduł sprężystości nowo opracowanych medycznych stopów tytanu jest coraz bardziej zbliżony do wartości modułu sprężystości ludzkiej tkanki kostnej. Konstrukcja zmodyfikowanej powłoki na powierzchni stopów tytanu znacznie poprawiła biokompatybilność, zdolność integracji kości i zdolność antybakteryjną stopów. Ponadto zastosowano szereg metod fizycznych i chemicznych w celu poprawy odporności na zużycie powierzchni stopów tytanu poprzez osadzanie warstwy powłoki ceramicznej o doskonałej odporności na zużycie na powierzchni tytanu, takiej jak diamentopodobna powłoka węglowa (DLC), powłoka azotku tytanu (TiN).