Titanyum alaşımı, mükemmel mekanik özellikleri ve biyouyumluluğu nedeniyle biyomedikal alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak titanyum alaşımı ve titanyum, esas olarak vücuttaki fiziksel kimerizm yoluyla biyolojik atalete sahiptir, bu da uzun süreli kullanımda gevşemeye ve düşmeye neden olması kolaydır. Buna ek olarak, titanyum ve kemik arasındaki termal genleşme katsayısındaki fark nedeniyle, bağın kararsızlığına da neden olur. Bu nedenle, klinik uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için farklı titanyum yüzey modifikasyon teknikleri önerilmiştir. İmplant malzemelerinin yaygın yüzey modifikasyon yöntemleri temel olarak şunları içerir: implant malzemelerinin gevşek ve pürüzlü yüzey işlemi; İmplante edilen malzemenin yüzey kaplaması, yüzey modifikasyonu için biyoaktif moleküller veya malzemelerle yüklenir.

Çalışmalar, implant malzemelerinin biyouyumluluğunu ve osteointegrasyon yeteneğini etkileyen ana faktörlerin temel olarak malzeme yüzey ıslanabilirliği, pürüzlülüğü, bileşimi ve kristal tipini içerdiğini göstermiştir. Humoral ortamda, implant malzemesinin iyi yüzey ıslanabilirliği, protein adsorpsiyonu ve hücre yapışması için daha elverişlidir. Buna ek olarak, belirli yüzey koşulları hücre farklılaşması ve büyümesi için daha elverişlidir. Titanyum alaşımının yüzey modifikasyon işlemi sayesinde, alaşımın yüzey yapısını, bileşimini ve ıslanabilirliğini optimize etmek için alaşım yüzeyinde uygun şekilde modifiye edilmiş bir kaplama inşa edilebilirken, alaşımın korozyon direnci ve mekanik özellikleri korunarak uyumluluk ve kemik entegrasyon kabiliyetinin iyileştirilmesi sağlanabilir.

Şu anda, kemik implantasyonu için tıbbi titanyum alaşımının yaygın yüzey modifikasyon kaplamaları esas olarak hidroksiapatit (HA) kaplama, Grafen kaplama, kitosan kaplama ve TiO2 nanotüp dizisi kaplamayı içerir; bunların arasında TiO2 nanotüp dizisi, yerinde kendi kendine büyüyen gözenekli yapı kaplaması nedeniyle daha iyi işlevler elde etmek için diğer kaplamalarla birleştirilebilir. Gelecekte, tıbbi titanyum alaşım yüzey modifikasyonunun ana yönü, yüzey modifiye kaplamalar hazırlayarak ve çeşitli yüzey modifikasyon yöntemlerini birleştirerek implantların kemik entegrasyon yeteneğini geliştirmektir.

Hidroksiapatit (HA) Kaplama

İnsan kemiğinin ana inorganik bileşeni olan hidroksiapatit (HA) iyi bir biyouyumluluğa sahiptir. Vücut sıvılarıyla temas ettiğinde, HA yüzey iyonları sulu bir çözeltideki iyonlarla değiş tokuş edilebilir ve kolajen ve proteinler gibi moleküller veya iyonlar biyofilmler ve kaplamalar üretmek için yüzeylerine adsorbe edilir. HA kaplama sadece kemik/implant üzerindeki kimyasal bağları yakından birleştirmekle kalmaz, aynı zamanda sıvı ve metal implantlar arasında bir bariyer görevi görür, bu da hazırlama yöntemlerine ve teknolojisine bağlıdır, bağlanma gücünü, kristalliği ve yoğunluk matrisini etkiler, düşük yoğunluk kombinasyonu başarısızlığın modifikasyonuna yol açabilir, HA kaplamanın dökülmesi iltihaplanmaya ve diğer sorunlara neden olabilir. Sonuçlar, magnetron püskürtme ile HA kaplamanın yapışma mukavemetinin, sıcak izostatik presleme, darbeli lazer biriktirme, plazma püskürtme ve sol-jel yöntemiyle hazırlanan kaplamanın yapışma mukavemetinden daha yüksek olan 80 MPa'ya ulaşabileceğini göstermektedir (sırasıyla yaklaşık 14MPa, 16MPa, 25MPa ve 26 MPa).

Şu anda, plazma püskürtme ve elektroforetik biriktirme HA kaplama hazırlamak için yaygın olarak kullanılmaktadır, ikincisi karmaşık matris kaplama için kullanılabilir. Termal püskürtme ile hazırlanan HA kaplama, artık gerilimi azaltmak için tavlanmış ve HA kaplamanın yapışma mukavemeti açıkça artmıştır çünkü artık gerilim ısıl işlemle azaltılmıştır. HA kaplamanın yapışma mukavemetini artırmak için, titanyum alaşımının yüzeyi elektron ışını aşındırma, mikroküre patlatma, asitleme aşındırma ve zımpara taşlama gibi çeşitli ön işlem teknikleriyle pürüzlendirilebilir veya HA kaplama ile titanyum alaşımlı alt tabaka arasında geçiş tabakası biriktirilebilir.

HA kaplamanın kristalliği hücre davranışını etkiler. Yüksek kristaliniteli HA kaplama ile karşılaştırıldığında, düşük kristaliniteli HA kaplama osteoblastların daha düşük proliferasyon oranını göstermektedir. Farklı kristaliniteye sahip HA nano-kaplama ve mikron kaplamanın farklı çözünme ve yeniden çökelme özellikleri gösterdiği ve inqualitative HA'nın in vivo yüksek çözünürlük gösterdiği bulunmuştur. Erken kemik oluşum kinetiğinin HA kaplamanın çözünürlüğü ile ilişkili olduğu tahmin edilmektedir. HA kaplamanın kontrollü kristalizasyonu, yüksek sıcaklıklarda (700~800 ℃) tavlama veya biriktirme ile gerçekleştirilebilir. Amorf kaplamanın bir kısmı tavlama işlemi sırasında kristalin kaplamaya dönüşür ve belirli kristallik veya iyon ikameli yapıya sahip HA kaplama elde edilebilir. Tabaka HA kaplama ile karşılaştırıldığında, asiküler yapıdaki kaplama yoğun ve üniformdur, çevreleyen sıvı ile daha fazla temas alanı sağlar ve bu nedenle apatit birikimi için daha uygundur. HA kaplamanın mikroyapısı ısıtma ve sinterleme ile de değiştirilebilir. Hulbert ve arkadaşları, gözenekli yapının, yeni kemik dokusunun içe doğru büyümesi ve sıvı dolaşımı için alan sağlaması için yaklaşık 100 μm'lik minimum ara bağlantı gözenek boyutuna sahip oksit seramikler gerektirdiğini göstermiştir. Daha küçük gözenek boyutunun geçirgen dokunun tam olmayan mineralizasyonuna izin verdiğini bulmuşlardır. Tamamen yoğun HA kaplama, esas olarak kemik oluşumu iskelesi olarak kullanılan hücre çoğalmasına ve farklılaşmasına elverişli değildir, bu da kemik oluşumunu indükleme kabiliyetinin sınırlı olmasına neden olur.

Grafen Kaplama

2004 yılında Manchester Üniversitesi'nden İngiliz fizikçi Geim ve Novoselov grafiti bant mikro mekanik ayırma yöntemiyle yapıdaki karbon atomlarının tek katmanını, yani grafen noktalarını başarılı bir şekilde izole ederek yüksek özgül yüzey alanına, yüksek iletken termal iletkenliğe, düşük yoğunluğa, mükemmel fiziksel özelliklere sahip taş malzeme haline getirmiş, iki bilim insanı 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü kazanmıştır. Bilim insanları, farklı kimyasal modifikasyon grupları tarafından küçük moleküllerin grafen oksit, grafen oksidin indirgenmesi, karbon nanotüpler vb. gibi farklı grafen türevleri oluşturabileceğini, grafen malzeme ailesinin farklı özelliklerine sahip bu malzemelerin, genellikle biyolojik malzeme modifikasyonu için kullanılan oksitlenmiş grafen türevleri olduğunu keşfettiler. Osteogenezi teşvik eden grafen ve türevleri ile modifiye edilmiş kompozit malzemeler üzerine yapılan çok sayıda çalışmada, araştırmacılar grafen yüklü iskele malzemelerinin daha iyi sitouyumluluk ve osteorejenerasyon indüksiyon yeteneği gösterdiğini bulmuş ve kemik rejenerasyonunu teşvik etme mekanizmasını araştırmışlardır. Kumar ve arkadaşları, go'nun insan mezenkimal kök hücrelerinde osteojenik faktörlerin alımını in vitro olarak artırdığını ve böylece kök hücrelerin osteojenik farklılaşmasını teşvik ettiğini göstermiştir. Grafenin, iki klasik osteojenik indükleyici olan deksametazon ve 0-gliserofosfatı kültürde yoğunlaştırarak insan kemik iliği mezenkimal kök hücrelerinin osteoblastlara farklılaşmasını teşvik ettiği gösterilmiştir. Ek olarak, rGO hafif apatit kompoziti kemikle ilgili proteinlerin ekspresyonunu düzenleyebilir ve matris olgunlaşmasını ve kalsifikasyonu teşvik edebilir.

Kitosan Kaplama

Doğal bir organik bileşik olan kitosan, iyi biyouyumluluk, toksik olmama, iyi antibakteriyel olma ve hücre çoğalmasını ve farklılaşmasını teşvik etme avantajlarına sahiptir ve genellikle titanyum alaşımlı implantlar için yüzey modifikasyon kaplaması olarak kullanılır. Kitosan ayrıca iyi adsorpsiyon kapasitesine sahiptir, in vivo olarak biyolojik olarak parçalanabilir ve taşıyıcı olarak hidroksiapatit ve diğer maddelerle birleştirilebilir. Kitosan kaplamanın kalınlığı, ameliyat sonrası enfeksiyon ve enflamasyonu tedavi etmek için ilaçların yerel konsantrasyonunu kontrol etmek için kontrol edilebilir, böylece implant daha iyi kemik entegrasyonu ve hızlı iyileşme sağlayabilir. Kitosan, antibakteriyel etki elde etmek için negatif yüklü bakteri hücreleriyle etkileşime girebilir, ancak metal iyonlarından biraz daha az antibakteriyeldir, bu da implantasyon başarısızlığı riskini azaltır.

TiO2 Nanotüp Dizi kaplama

TiO2 nanotüp yapısı, metal iyonlarının (Al, V, vb.) salınımını önleyebilir ve implantasyon reaksiyonunu hafifletebilir, TiO2 dökme malzemelerden daha iyi korozyon direnci ve biyouyumluluk gösterir. Bu nedenle, titanyum alaşım yüzeyinde TiO2 nanotüp dizisi kaplamasının sentezi, tıbbi performansını artırmak için etkili bir önlem haline gelir.

Anodik oksidasyon genellikle titanyum malzemelerin yüzeyinde TiO2 nanotüp dizileri için kullanılır, böylece yaklaşık iskelet gözenekli yapıya sahip TiO2 oksit tabakası kaplaması oluşturulur. Anodik oksidasyon voltajı ve süresi değiştirilerek, TiO2 nanotüp dizilerinin tüp uzunluğu ve çapı düzenlenebilir. Anodik oksidasyonla hazırlanan TiO2 nanotüp dizileri amorftur ve 300-500 ℃'de tavlamadan sonra amorftan anataz faza veya rutil faza değişebilir ve 600 ℃'de tavlamadan sonra kademeli olarak rutil faza değişebilir. Yüzey kristalliğinin artmasıyla nanotüp dizisinin yüzey ıslanabilirliği artar, bu da protein adsorpsiyonunu ve hücre yapışmasını kolaylaştırır. Nanotüp ve kristal yapının sinerjik etkisi hidroksiapatit birikimini hızlandırır. Sonuçlar, anataz fazının hücre farklılaşmasını veya hücre çoğalmasını indüklemede rutil fazından daha üstün olduğunu ve ilk fazın hidroksiapatit biriktirme olasılığının daha yüksek olduğunu göstermektedir. Anodik oksidasyon voltajı belirli bir aralıkta olduğunda, nanotüplerin uzunluğu ve çapı voltajın artmasıyla birlikte artar. Oksidasyon süresi arttıkça yüzey pürüzlülüğü artar ve temas açısı azalır.

Ti-6Al-4V alaşımı, α+β fazından oluşan ve nispeten yaygın olarak kullanılan bir biyomedikal malzemedir. Anodik oksidasyon sırasında, iki fazın çözünürlüğü farklıdır ve nanotüplerin uzunluğu da farklı faz bölgelerinde farklıdır. Mansoorianfar ve arkadaşları, TiO2 nanotüp dizilerini iyi bir homojenlikle başarılı bir şekilde hazırlamıştır. Ti-6Al-4V alaşımı Ortalama tüp uzunluğu ve nanotüp çapı voltajın artmasıyla birlikte artmıştır (Aşağıdaki şekilde gösterilmiştir). Çalışma, 60V voltajda hazırlanan numunenin en iyi hücre aktivitesini gösterdiğini ortaya koymuştur.

Düşük elastik modüllü biyotitanyum alaşımı üzerinde TiO2 nanotüp dizi tabakasının hazırlanması sadece implant malzemesinin mekanik özelliklerini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda biyouyumluluğu da geliştirir. Li ve arkadaşları Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn (Ti2448) titanyum alaşımı yüzeyinde TiO2 nanotüp dizi katmanı hazırlamış ve saf Ti, nanotüp-Ti (NT) ve Ti2448'i karşılaştırmıştır. Nanotüp-ti2448 (NTi2448) daha yüksek ıslanabilirlik, korozyon direnci, sitouyumluluk ve kemik entegrasyon yeteneği göstermiştir. Düşük elastik modüllü titanyum alaşımına Nb, Zr ve diğer elementlerin eklenmesi nedeniyle, anodik oksidasyondan sonra oluşan oksidasyon filmi korozyon direncini artırır. Buna ek olarak, alaşım elementlerinin eklenmesi nanotüp dizisinin düzenliliğini azaltır ve bazı çalışmalar düşük düzenliliğe sahip dizilerin daha iyi uyumluluk gösterdiğini ortaya koymuştur.

Sonunda

Yüzey modifikasyon teknolojisi, titanyum ve titanyum alaşımlarının biyolojik aktivitesini, aşınma direncini ve antibakteriyel özelliklerini iyileştirmek ve mevcut geleneksel biyomalzemeleri gelişen klinik ihtiyaçları karşılayacak şekilde geliştirmek için daha etkili bir yoldur. Araştırmacılar, yeni tıbbi titanyum alaşımlarının tasarımını ve biyouyumluluğunu geliştirmek için birçok girişimde bulunmuşlardır. Yeni geliştirilen tıbbi titanyum alaşımlarının elastik modülü, insan kemik dokusunun elastik modül değerine giderek daha fazla yaklaşmaktadır. Titanyum alaşımlarının yüzeyinde modifiye kaplama yapımı, alaşımların biyouyumluluğunu, kemik entegrasyon yeteneğini ve antibakteriyel yeteneğini büyük ölçüde geliştirmiştir. Buna ek olarak, titanyum alaşım yüzeylerinin aşınma performansını artırmak için, elmas benzeri karbon film (DLC), titanyum nitrür (TiN) kaplama gibi titanyum yüzeyinde mükemmel aşınma direncine sahip bir seramik kaplama tabakası biriktirerek çeşitli fiziksel ve kimyasal yöntemler kullanılmıştır.