Forskning och utveckling av antibakteriella titanlegeringsmaterial och teknologier

1. Introduktion

Titan (Ti) och dess legeringar har egenskaperna låg densitet, hög hållfasthet och utmärkt korrosionsbeständighet, och användes ursprungligen inom flygindustrin. I början av 1940-talet introducerades titan och dess legeringar först inom det medicinska området. Efter mer än ett halvt sekel av utveckling har rent titan och Ti6A14V-legering, som de mest representativa titanbaserade medicinska metallmaterialen, använts på många medicinska kliniker, särskilt inom ortopedi och tandvård, som ersätter rostfritt stål och koboltbaserade legeringar i stora mängder. Emellertid är titanlegering en typ av biologiskt inert material som inte har några antibakteriella egenskaper och som är maktlös mot infektionsproblem orsakade av implantat. För närvarande används vanligtvis magnetronförstoftning, elektrokemisk avsättning, jonimplantation, mikrobågeoxidation och andra metoder för att ladda oorganiska eller organiska antibakteriella medel på ytan av medicinska titanlegeringar, vilket ger dem antibakteriella egenskaper. Fördelarna med antibakteriella beläggningar framställda genom ytmodifiering är uppenbara, men det finns fortfarande brister, såsom den relativt komplexa beläggningsprocessen, ökade produktionskostnader, dålig bindning mellan beläggningen och substratet, lätt slitage av beläggningen och dålig långsiktighet antibakteriell prestanda vänta. Som svar på infektionsproblemen orsakade av implanterade titanlegeringar och avsaknaden av antibakteriella beläggningar har man börjat försöka utveckla nya antibakteriella titanlegeringar med sina egna antibakteriella funktioner genom att justera legeringens sammansättning.

2. Antibakteriell mekanism av antibakteriell titanlegering

Spridningen av bakterier är nära relaterad till bildandet av bakteriella biofilmer. Bildningsprocessen av bakteriella biofilmer visas i figur 1. Planktonbakterier växer och förökar sig efter landning på materialmatrisen och bildar en bakteriell biofilm. Ytan på biofilmen är ett lager av tät extracellulär matris. Detta lager av extracellulär matris har en solid struktur och hög hållfasthet. Bakterierna som är inlindade inuti är i nära kontakt, vilket förbättrar interaktionen och materialutbytet mellan bakterier, samtidigt som det förhindrar att externa skadliga ämnen kommer in. Därför, efter att biofilmen bildats, störs den inte lätt av antibiotika, konserveringsmedel och andra externa kemikalier, så det är svårt att avlägsnas med vanliga antibiotika.

Figur 1 Bildningsprocessen av bakteriell biofilm

Den antibakteriella mekanismen hos antibakteriella titanlegeringar kan delas in i följande fyra steg: ① Den antibakteriella metallytan frigör metalljoner med antibakteriella funktioner; ② Negativt laddade bakterieceller och positivt laddade metalljoner attraheras till varandra, och metalljonerna absorberas i bakterierna ③ Metalljoner förstör bakteriers cellvägg och cellmembran, eller förstör deras proteinstruktur, vilket får cytoplasman att läcka; ④ Metalljoner penetrerar ytterligare den bakteriella cellväggen och kombineras med bakteriellt DNA, vilket leder till bakteriell denaturering och förlust av replikationsförmåga. Oavsett om det är skador på cellväggen eller genetiskt material kommer bakterierna att dö.

3. Forskningsframsteg

3.1 Ti-Ag antibakteriell titanlegering

Silver (Ag), som ett legeringselement, kan förbättra korrosionsbeständigheten och de mekaniska egenskaperna hos titanbaserade metaller. Takahashi et al. fann att tillsats av 20 viktprocent Ag kan förbättra styrkan och slitstyrkan hos gjutna titanlegeringar samtidigt som en hög töjning bibehålls. Shim et al. bevisat att Ti-Ag-legering har bättre korrosionsbeständighet än rent titan. Ag har också god biokompatibilitet och Ag-Hg-legering har använts som dentalmaterial. De utmärkta antibakteriella egenskaperna hos Ag-innehållande beläggningar har bekräftats av många studier. Genom att tillsätta lämplig Ag till titan och dess legeringar är det därför möjligt att erhålla Ag-innehållande titanlegeringar med vissa antibakteriella egenskaper. Men även om Ag-innehållet i vissa Ti-Ag-legeringar är mycket högt, till och med når 20 viktprocent, visar de inte signifikanta antibakteriella effekter, vilket indikerar att de antibakteriella effekterna av Ag-innehållande titanlegeringar inte enbart bestäms av Ag-innehållet.

Zheng et al. tillsatte 2,9 vikt% Ag till TiNi formminneslegering, och den erhållna gjutna TiNi-legeringen visade vissa antibakteriella egenskaper, och den antibakteriella graden mot Staphylococcus aureus nådde 86,3%. Chen et al. använt Ag-pulver med olika innehåll och olika partikelstorlekar för att sintra ihop med rent titanpulver för att erhålla en serie Ti-xAg-legeringar (x=1,3,5). Deras mekaniska egenskaper, korrosionsegenskaper, antibakteriella egenskaper och in vitro cellfas Kapacitansen karakteriserades och utvärderades. Som visas i figur 2 är den antibakteriella aktiviteten hos Ti-Ag-legeringen med en Ag-partikelstorlek på 10 μm högre än den hos Ti-Ag-legeringen med en Ag-partikelstorlek på 75 μm. Tvärtemot lagen för Ag-jonfrisättning är Ti-Ag-legeringen med en Ag-partikelstorlek på 10 μm. Jonfrigöringsmängden för legeringen är lägre än den för Ti-Ag-legeringen med en Ag-pulverpartikelstorlek på 75 μm, vilket indikerar att den antibakteriella prestandan hos Ti-Ag-legeringen bör vara nära relaterad till de sammansatta silverpartiklarna i nano/mikronskala som finns på matrisen.

Figur 2 Bakteriekolonier på ytan av ren Ti- och Ti-Ag-legering

3.2 Ti-Cu antibakteriell titanlegering

År 2009, Shirai et al. studerade först den antibakteriella effekten av Ti-xCu(x=1,5)-legering. Resultaten visade att Ti-1Cu har betydande antibakteriella egenskaper mot E. coli och har god biologisk säkerhet, vilket öppnar upp klyftan mellan kopparinnehållande bakterier och titanlegeringar fungerar som ridån för forskning om medicinska metallmaterial. Därefter har Zhang et al. använde pulvermetallurgi för att framställa Ti-10wt%Cu-legering, och studerade legeringens antibakteriella egenskaper, mekaniska egenskaper och korrosionsegenskaper. Som visas i figur 3 är Ti-10 Cu-legeringen resistent mot Staphylococcus aureus och Staphylococcus aureus. E. coli har alla betydande dödande effekter. Resultaten av det intraossösa implantationstestet av Ti-10Cu-legering visar att Ti-10Cu-legering har god bencellskompatibilitet. Ytterligare forskningsresultat visar att tillsats av minst 5 % Cu till titan kommer att ha en betydande antibakteriell effekt. För antibakteriella och anti-infektionsändamål har Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences utvecklat en serie kopparhaltiga titanlegeringar med antibakteriella funktioner och har genomfört ett stort antal djurexperimentell forskning in vitro och in vivo. Den fasta lösligheten av Cu i Ti är mycket låg. När den kyls från hög temperatur till 790 grader fälls övermättad Cu ut som en Ti2Cu intermetallisk förening. Potentialskillnaden mellan den och matrisen kommer att främja legeringen att frigöra spårmängder av kopparjoner i en fysiologisk miljö. , vilket utövar en stark bakteriedödande effekt.

Figur 3 Den dödande effekten av Ti-10Cu på Staphylococcus aureus och Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakteriell titanlegering

Peng et al. genomfört omfattande prestandaoptimering på den termiskt bearbetade Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) legeringen. Forskningsresultaten visar att för att få de bästa mekaniska egenskaperna, korrosionsbeständigheten och slitstyrkan hos legeringen, är de optimala värmebehandlingsprocesserna efter termisk bearbetning av de tre grupperna av legeringar att hålla vid 720 grader, 740 grader och 760 grader för 1 timme och sedan luftkyla. I figur 4 representeras de av 4.5Cu-720, 6Cu-740 respektive 7.5Cu-760. De antibakteriella test- och cytotoxicitetstestresultaten för de tre grupperna av legeringar visas i figur 4. Från figur 4(a)-(d) kan man se att det finns fler bakteriekolonier efter samodling med Ti6Al4V-legering, och efter samodling med Ti6A14V-Cu-legering Antalet bakteriekolonier är litet, vilket tyder på att den kopparhaltiga titanlegeringen har starka antibakteriella egenskaper. Figur 4(e) visar den antibakteriella graden av Ti6Al4V-xCu-legering. Det kan ses att den antibakteriella graden av 4,5 Cu-720-provet är cirka 80 %. När Cu-halten ökar, ökar den antibakteriella hastigheten hos legeringen något, vilket indikerar att den antibakteriella prestandan har förbättrats. Såsom kan ses från figur 4(f), när de samodlades med celler under 1 och 3 dagar, är absorbansvärdena för Ti6A14V-Cu-legering och Ti6A14V-legering inte mycket olika; men efter 7 dagar är värdet på 7,5Cu-760 betydligt lägre än för Ti6A14V-legering, vilket indikerar att den har viss cytotoxicitet efter 7 dagar. Det kan ses att för legering Ti6A14V-xCu bör Cu-halten inte vara högre än 6%, annars kommer legeringen att visa en viss grad av cytotoxicitet efter lång tid.

Figur 4 Ti6A14V (a) 4,5 Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; (d) Bakterietillväxtmorfologi efter legeringssamodling; (e) Jämförelse av antibakteriella mängder av Ti6Al4V-legering; (f) Absorbansvärden för celler samodlade med olika legeringar under 1, 3 och 7 dagar