Aliajul de titan este utilizat pe scară largă în domeniul biomedical datorită proprietăților sale mecanice excelente și a biocompatibilității. Dar aliajul de titan și titanul au inerție biologică, în principal prin chimismul fizic în organism, ceea ce este ușor de cauzat slăbirea și căderea în timpul utilizării pe termen lung. În plus, din cauza diferenței de coeficient de dilatare termică dintre titan și os, este cauzată și instabilitatea legăturii. Prin urmare, au fost propuse diferite tehnici de modificare a suprafeței titanului pentru a răspunde nevoilor de aplicare clinică. Metodele obișnuite de modificare a suprafeței materialelor de implant includ în principal: tratamentul de suprafață liber și aspru al materialelor de implant; Stratul de acoperire a suprafeței materialului implantat este încărcat cu molecule sau materiale bioactive pentru modificarea suprafeței.

Studiile au arătat că principalii factori care afectează biocompatibilitatea și capacitatea de osteointegrare a materialelor pentru implanturi includ, în principal, umectabilitatea suprafeței materialului, rugozitatea, compoziția și tipul de cristal. În mediul umoral, o bună umectabilitate a suprafeței materialului de implant este mai favorabilă adsorbției proteinelor și adeziunii celulare. În plus, condițiile specifice de suprafață sunt mai favorabile diferențierii și creșterii celulelor. Prin procesul de modificare a suprafeței aliajului de titan, se poate construi un strat modificat corespunzător pe suprafața aliajului pentru a optimiza structura de suprafață, compoziția și umectabilitatea aliajului, menținând în același timp rezistența la coroziune și proprietățile mecanice ale aliajului, astfel încât să se obțină îmbunătățirea compatibilității și a capacității de integrare osoasă.

În prezent, acoperirile comune de modificare a suprafeței aliajului de titan medical pentru implantarea osoasă includ în principal acoperirea cu hidroxiapatită (HA), acoperirea cu grafene, acoperirea cu chitosan și acoperirea cu matrice de nanotuburi TiO2, printre care matricea de nanotuburi TiO2 poate fi combinată cu alte acoperiri pentru a obține funcții mai bune datorită acoperirii sale cu structură poroasă cu creștere automată in situ. În viitor, principala direcție a modificării suprafeței aliajelor de titan în scopuri medicale este îmbunătățirea capacității de integrare osoasă a implanturilor prin pregătirea de acoperiri modificate la suprafață și combinarea diferitelor metode de modificare a suprafeței.

Acoperire cu hidroxiapatită (HA)

Ca principală componentă anorganică a osului uman, hidroxiapatita (HA) are o bună biocompatibilitate. La contactul cu fluidele corporale, ionii de la suprafața HA pot fi schimbați cu ionii dintr-o soluție apoasă, iar molecule precum colagenul și proteinele sau ionii sunt adsorbite pe suprafața lor pentru a produce biofilme și acoperiri. Acoperirea HA nu numai că combină legăturile chimice pe os/implant îndeaproape, dar și ca o barieră între fluid și implanturile metalice, care depinde de metodele sale de preparare și de tehnologie, influențând rezistența de lipire, cristalinitatea și densitatea matricei, combinația de intensitate scăzută poate duce la modificarea eșecului, Desprinderea acoperirii HA poate provoca inflamații și alte probleme. Rezultatele arată că rezistența de aderență a acoperirii HA prin pulverizare magnetronică poate ajunge la 80 MPa, care este mai mare decât rezistența de aderență a acoperirii preparate prin presare izostatică la cald, depunere cu laser cu impulsuri, pulverizare cu plasmă și metoda sol-gel (aproximativ 14MPa, 16MPa, 25MPa și, respectiv, 26 MPa).

În prezent, pulverizarea cu plasmă și depunerea electroforetică sunt utilizate în mod obișnuit pentru a pregăti acoperirea cu HA, aceasta din urmă putând fi utilizată pentru acoperirea matricelor complexe. Stratul de HA preparat prin pulverizare termică a fost recoaptă pentru a reduce tensiunea reziduală, iar rezistența de lipire a stratului de HA a crescut în mod evident deoarece tensiunea reziduală a fost redusă prin tratament termic. Pentru a îmbunătăți rezistența de aderență a acoperirii HA, suprafața aliajului de titan poate fi aspră prin diferite tehnici de pretratare, cum ar fi gravarea cu fascicul de electroni, sablarea cu microsfere, gravarea cu acid și șlefuirea cu șmirghel, sau se poate depune stratul de tranziție între acoperirea HA și substratul din aliaj de titan.

Cristalinitatea stratului de HA afectează comportamentul celulelor. În comparație cu acoperirea cu HA de cristalinitate ridicată, acoperirea cu HA de cristalinitate scăzută prezintă o rată de proliferare mai mică a osteoblastelor. S-a constatat că nanoacoperirea HA și acoperirea de microni cu cristalinitate diferită au prezentat caracteristici diferite de dizolvare și reprecipitare, iar HA necalitativ a prezentat o solubilitate ridicată in vivo. Se speculează că cinetica formării osoase timpurii este legată de solubilitatea acoperirii HA. Cristalizarea controlată a stratului de HA poate fi realizată prin recoacere sau depunere la temperaturi ridicate (700~800 ℃). O parte din stratul amorf se transformă în strat cristalin în timpul procesului de recoacere și se poate obține un strat de HA cu o anumită cristalinitate sau o structură substituită de ioni. În comparație cu stratul de HA în foiță, stratul cu structură aciculară este dens și uniform, oferind o suprafață de contact mai mare cu fluidul înconjurător și, prin urmare, mai potrivit pentru depunerea apatitei. Microstructura acoperirii HA poate fi, de asemenea, modificată prin încălzire și sinterizare. Hulbert et al. au arătat că structura poroasă necesită ceramică de oxid cu o dimensiune minimă a porilor de interconectare de aproximativ 100 μm pentru ca noul țesut osos să se dezvolte în interior și să ofere spațiu pentru circulația fluidelor. Ei au constatat că dimensiunea mai mică a porilor permite o mineralizare incompletă a țesutului permeabil. Acoperirea complet densă de HA nu este favorabilă proliferării și diferențierii celulare, utilizată în principal ca schelă de formare osoasă, ceea ce duce la capacitatea sa limitată de a induce formarea de os.

Acoperire cu grafen

În 2004, fizicianul britanic de la Universitatea din Manchester Geim și Novoselov grafitul de bandă de separare micro-mecanică a izolat cu succes monostrat de atomi de carbon în structură, și anume punctele de grafenă fac materialul de piatră cu o suprafață specifică mare, conductivitate termică conductivă ridicată, densitate scăzută, proprietăți fizice excelente, cei doi oameni de știință au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 2010. Oamenii de știință au descoperit că moleculele mici prin diferite grupuri de modificare chimică pot forma diferiți derivați de grafenă, cum ar fi oxidul de grafenă, reducerea oxidului de grafenă, nanotuburi de carbon etc., aceste materiale cu proprietăți diferite ale familiei de materiale de grafenă, adesea folosite pentru modificarea materialelor biologice sunt derivați de grafenă oxidată. Într-un număr mare de studii privind materialele compozite modificate cu grafene și derivații săi care promovează osteogeneza, cercetătorii au constatat că materialele de schelă încărcate cu grafene au prezentat o citocompatibilitate mai bună și o capacitate de inducere a osteoregenerării și au explorat mecanismul de promovare a regenerării osoase. Kumar et al. au demonstrat că grafenul a crescut absorbția factorilor osteogeni în celulele stem mezenchimale umane in vitro, promovând astfel diferențierea osteogenă a celulelor stem. S-a demonstrat că grafenul concentrează dexametazona și 0-glicerofosfatul, doi inductori osteogenici clasici, în cultură pentru a promova diferențierea celulelor stem mezenchimale din măduva osoasă umană în osteoblaste. În plus, compozitul de apatită ușoară rGO poate regla expresia proteinelor legate de os și poate promova maturarea matricei și calcifierea.

Înveliș de chitosan

Fiind un compus organic natural, chitosanul are avantajele unei bune biocompatibilități, non-toxicitate, o bună antibacterianitate și promovarea proliferării și diferențierii celulare și este adesea folosit ca acoperire de modificare a suprafeței pentru implanturile din aliaj de titan. Chitosanul are, de asemenea, o bună capacitate de adsorbție, poate fi biodegradabil in vivo și poate fi combinat cu hidroxiapatită și alte substanțe ca suport. Grosimea stratului de chitosan poate fi controlată pentru a controla concentrația locală a medicamentelor pentru tratarea infecției și inflamației postoperatorii, astfel încât implantul să poată obține o mai bună integrare osoasă și o vindecare rapidă. Chitosanul poate interacționa cu celulele bacteriene încărcate negativ pentru a obține efectul antibacterian, dar este puțin mai puțin antibacterian decât ionii metalici, ceea ce reduce riscul de eșec al implantului.

Acoperire cu nanotuburi TiO2 Array

Structura nanotuburilor de TiO2 poate preveni eliberarea ionilor metalici (cum ar fi Al, V etc.) și poate atenua reacția de implantare, demonstrând o rezistență la coroziune și o biocompatibilitate mai bune decât materialele de TiO2 în vrac. Prin urmare, sinteza acoperirii cu matrice de nanotuburi de TiO2 pe suprafața aliajului de titan devine o măsură eficientă pentru îmbunătățirea performanțelor medicale ale acestuia.

Oxidarea anodică este adesea utilizată pentru rețelele de nanotuburi de TiO2 pe suprafața materialelor din titan, astfel încât să se formeze un strat de acoperire de oxid de TiO2 cu o structură poroasă aproximativ scheletică. Prin modificarea tensiunii și a duratei de oxidare anodică, se pot regla lungimea și diametrul tuburilor din rețelele de nanotuburi de TiO2. Rețelele de nanotuburi de TiO2 pregătite prin oxidare anodică au fost amorfe și ar putea trece de la amorf la faza anatază sau la faza rutilă după recoacerea la 300-500 ℃, iar după recoacerea la 600 ℃ au trecut treptat la faza rutilă. Odată cu creșterea cristalinității suprafeței, se îmbunătățește umectabilitatea suprafeței matricei de nanotuburi, ceea ce facilitează adsorbția proteinelor și aderența celulară. Efectul sinergic al nanotuburilor și al structurii cristaline accelerează depunerea de hidroxiapatită. Rezultatele arată că faza de anatază este superioară fazei rutilale în ceea ce privește inducerea diferențierii sau proliferării celulare, iar prima fază are mai multe șanse să depună hidroxiapatită. Atunci când tensiunea de oxidare anodică se situează într-un anumit interval, lungimea și diametrul nanotuburilor cresc odată cu creșterea tensiunii. Pe măsură ce timpul de oxidare crește, rugozitatea suprafeței crește și unghiul de contact scade.

Aliajul Ti-6Al-4V este un material biomedical utilizat pe scară relativ largă, care este compus din faza α+β. În timpul oxidării anodice, solubilitatea celor două faze este diferită, iar lungimea nanotuburilor este, de asemenea, diferită în diferite regiuni de fază. Mansoorianfar et al. au preparat cu succes rețele de nanotuburi de TiO2 cu o bună uniformitate pe Aliaj Ti-6Al-4V prin oxidare anodică secundară la o tensiune de 50-75 V. Lungimea medie a tubului și diametrul nanotubului au crescut odată cu creșterea tensiunii (așa cum se arată în figura de mai jos). Studiul a constatat că proba preparată la o tensiune de 60 V a prezentat cea mai bună activitate celulară.

Pregătirea stratului de nanotuburi de TiO2 pe un aliaj de biotitaniu cu modul de elasticitate scăzut nu numai că asigură proprietățile mecanice ale materialului de implant, dar îmbunătățește și biocompatibilitatea. Li et al. au preparat un strat de matrice de nanotuburi de TiO2 pe suprafața aliajului de titan Ti-24Nb-4Zr-7,9Sn (Ti2448) și au comparat Ti pur, nanotuburi-Ti (NT) și Ti2448. Nanotuburile-ti2448 (NTi2448) au prezentat o mai mare umectabilitate, rezistență la coroziune, citocompatibilitate și capacitate de integrare osoasă. Datorită adaosului de Nb, Zr și alte elemente în aliajul de titan cu modul de elasticitate scăzut, filmul de oxidare format după oxidarea anodică îmbunătățește rezistența la coroziune. În plus, adăugarea de elemente de aliere reduce gradul de ordonare a matricei de nanotuburi, iar unele studii au arătat că matricele cu grad scăzut de ordonare prezintă o mai bună compatibilitate.

În ultimul

Tehnologia de modificare a suprafeței este o modalitate mai eficientă de îmbunătățire a activității biologice, a rezistenței la uzură și a proprietăților antibacteriene ale titanului și ale aliajelor de titan, precum și de îmbunătățire a biomaterialelor convenționale existente pentru a răspunde nevoilor clinice actuale în evoluție. Cercetătorii au făcut numeroase încercări de îmbunătățire a designului și a biocompatibilității noilor aliaje medicale de titan. Modulul de elasticitate al aliajelor de titan medicale nou dezvoltate este din ce în ce mai aproape de valoarea modulului de elasticitate al țesutului osos uman. Construirea unui strat modificat pe suprafața aliajelor de titan a îmbunătățit considerabil biocompatibilitatea, capacitatea de integrare osoasă și capacitatea antibacteriană a aliajelor. În plus, o varietate de metode fizice și chimice au fost utilizate pentru a îmbunătăți performanța la uzură a suprafețelor aliajelor de titan, prin depunerea unui strat de acoperire ceramică cu o rezistență excelentă la uzură pe suprafața titanului, cum ar fi pelicula de carbon asemănătoare cu diamantul (DLC), acoperirea cu nitrură de titan (TiN).