Rechèch ak devlopman nan materyèl alyaj anti-bakteri Titàn ak teknoloji

1. Entwodiksyon

Titàn (Ti) ak alyaj li yo gen karakteristik ki ba dansite, gwo fòs, ak ekselan rezistans korozyon, epi yo te orijinèlman itilize nan endistri aviyasyon an. Nan kòmansman ane 1940 yo, Titàn ak alyaj li yo te premye prezante nan domèn medikal la. Apre plis pase mwatye yon syèk nan devlopman, Titàn pi bon kalite ak Ti6A14V alyaj, kòm materyèl ki pi reprezantan Titàn ki baze sou metal medikal, yo te itilize nan anpil klinik medikal, espesyalman nan jaden yo nan òtopedik ak Dexter, ranplase Nerjaveèi asye ak Cobalt ki baze sou. alyaj nan gwo kantite. Sepandan, alyaj Titàn se yon kalite materyèl byolojik inaktif ki pa gen okenn pwopriyete anti-bakteri epi li pa gen fòs kont pwoblèm enfeksyon ki te koze pa implants. Kounye a, magnetron sputtering, depo elektwochimik, enplantasyon ion, oksidasyon mikwo-ark ak lòt metòd yo anjeneral yo itilize pou chaje ajan anti-bakteri inòganik oswa òganik sou sifas alyaj medikal Titàn, kidonk ba yo pwopriyete anti-bakteri. Avantaj ki genyen nan kouch anti-bakteri prepare nan modifikasyon sifas yo evidan, men gen toujou enpèfeksyon, tankou pwosesis la relativman konplèks kouch, ogmante pri pwodiksyon, lyezon pòv ant kouch la ak substra a, fasil mete nan kouch la, ak pòv alontèm. pèfòmans anti-bakteri tann. An repons a pwoblèm enfeksyon ki te koze pa alyaj Titàn implanté ak mank de kouch anti-bakteri, moun yo te kòmanse eseye devlope nouvo alyaj anti-bakteri Titàn ak pwòp fonksyon anti-bakteri pa ajiste konpozisyon alyaj la.

2. Anti-bakteri mekanis nan alyaj anti-bakteri Titàn

Pwopagasyon bakteri an pre relasyon ak fòmasyon biofilm bakteri. Pwosesis fòmasyon biofilm bakteri yo montre nan Figi 1. Bakteri planktonik grandi ak miltipliye apre yo fin ateri sou matris materyèl la, fòme yon biofilm bakteri. Sifas biofilm a se yon kouch matris ekstraselilè dans. Kouch sa a nan matris ekstraselilè gen yon estrikti solid ak gwo fòs. Bakteri yo vlope andedan yo nan kontak sere, ki amelyore entèraksyon an ak echanj materyèl ant bakteri, pandan y ap anpeche antre nan sibstans ekstèn domaje. Se poutèt sa, apre yo fin fòme biofilm, li pa fasil detounen pa antibyotik, préservatifs ak lòt pwodwi chimik ekstèn, kidonk li difisil yo dwe retire pa antibyotik souvan itilize.

Figi 1 Pwosesis fòmasyon biofilm bakteri

Mekanis anti-bakteri alyaj Titàn anti-bakteri yo ka divize an kat etap sa yo: ① Sifas metal anti-bakteri lage iyon metal ak fonksyon anti-bakteri; ② Selil bakteri ki chaje negatif ak iyon metal ki chaje pozitivman atire youn ak lòt, epi iyon metal yo absòbe nan bakteri yo ③ Iyon metal detwi miray selil la ak manbràn selilè bakteri, oswa detwi estrikti pwoteyin yo, sa ki lakòz sitoplasm la koule; ④ Iyon metal plis antre nan miray selil bakteri yo ak konbine avèk ADN bakteri, ki mennen nan denaturasyon bakteri ak pèt kapasite replikasyon. Kit se domaj nan miray selil la oswa materyèl jenetik, bakteri yo pral mouri.

3. Pwogrè rechèch

3.1 Ti-Ag anti-bakteri alyaj Titàn

Silver (Ag), kòm yon eleman alyaj, ka amelyore rezistans korozyon ak pwopriyete mekanik nan metal ki baze sou Titàn. Takahashi et al. te jwenn ke ajoute 20wt% Ag ka amelyore fòs la ak rezistans mete nan alyaj Titàn jete pandan w ap kenbe yon elongasyon segondè. Shim et al. pwouve ke alyaj Ti-Ag gen pi bon rezistans korozyon pase Titàn pi bon kalite. Ag tou te gen bon biocompatibility, ak alyaj Ag-Hg te itilize kòm yon materyèl dantè. Ekselan pwopriyete anti-bakteri nan kouch Ag ki gen yo te konfime pa anpil etid. Se poutèt sa, lè yo ajoute Ag ki apwopriye nan Titàn ak alyaj li yo, li posib jwenn Ag ki gen alyaj Titàn ak sèten pwopriyete anti-bakteri. Sepandan, menm si kontni an Ag nan kèk alyaj Ti-Ag se trè wo, menm rive nan 20wt%, yo pa montre efè anti-bakteri enpòtan, ki endike ke efè yo anti-bakteri nan Ag-ki gen alyaj Titàn yo pa sèlman detèmine pa kontni an Ag.

Zheng et al. te ajoute 2.9wt% Ag nan alyaj memwa fòm TiNi, ak alyaj TiNi jete yo te jwenn te montre sèten pwopriyete anti-bakteri, ak pousantaj anti-bakteri kont Staphylococcus aureus te rive nan 86.3%. Chen et al. itilize Ag poud ki gen diferan kontni ak diferan gwosè patikil pou Sinter ansanm ak pi bon kalite poud Titàn pou jwenn yon seri alyaj Ti-xAg (x=1,3,5). Pwopriyete mekanik yo, pwopriyete korozyon, pwopriyete anti-bakteri ak faz selil vitro yo te karakterize ak evalye kapasite yo. Jan yo montre nan Figi 2, aktivite anti-bakteri alyaj Ti-Ag ak yon gwosè patikil Ag 10 μm pi wo pase sa yo ki nan alyaj Ti-Ag ak yon gwosè patikil Ag 75 μm. Kontrèman ak lalwa Ag ion lage, alyaj Ti-Ag ak yon gwosè patikil Ag 10 μm Kantite lajan an lage ion nan alyaj la pi ba pase sa yo ki nan alyaj Ti-Ag ak yon gwosè patikil Ag poud nan 75 μm, ki endike ke pèfòmans nan anti-bakteri nan alyaj la Ti-Ag yo ta dwe byen ki gen rapò ak nano / mikron-echèl patikil yo ajan konpoze prezan sou matris la.

Figi 2 Koloni bakteri sou sifas alyaj Ti ak Ti-Ag pi bon kalite

3.2 Ti-Cu alyaj anti-bakteri Titàn

An 2009, Shirai et al. premye etidye efè a anti-bakteri nan alyaj Ti-xCu(x=1,5). Rezilta yo te montre ke Ti-1Cu gen pwopriyete anti-bakteri enpòtan kont E. coli e li gen bon sekirite byolojik, louvri espas sa a ant bakteri ki gen kwiv ak alyaj Titàn sèvi kòm rido pou rechèch materyèl metal medikal. Imedyatman, Zhang et al. itilize metaliji poud pou prepare Ti -10wt%Cu alyaj, epi etidye pwopriyete anti-bakteri, pwopriyete mekanik ak pwopriyete korozyon nan alyaj la. Jan yo montre nan Figi 3, Ti-10 Cu alyaj rezistan ak Staphylococcus aureus ak Staphylococcus aureus. E. coli tout gen gwo efè touye. Rezilta tès enplantasyon intraosseuz alyaj Ti-10Cu montre ke alyaj Ti-10Cu gen bon konpatibilite selil zo yo. Plis rezilta rechèch yo montre ke ajoute omwen 5% Cu nan Titàn pral gen yon efè anti-bakteri enpòtan. Nan bi pou yo anti-bakteri ak anti-enfeksyon, Enstiti a nan rechèch metal, Chinwa Akademi Syans te devlope yon seri de alyaj Titàn ki gen kwiv ak fonksyon anti-bakteri, e li te fè yon gwo kantite rechèch in vitro ak in vivo bèt eksperimantal. Solibilite solid nan Cu nan Ti trè ba. Lè refwadi soti nan tanperati ki wo a 790 degre, Cu supersaturated presipite kòm yon konpoze entèmetalik Ti2Cu. Diferans potansyèl ant li ak matris la pral ankouraje alyaj la lage kantite tras nan iyon kwiv nan yon anviwònman fizyolojik. , konsa egzèse yon efè bakterisid fò.

Figi 3 Efè touye Ti-10Cu sou Staphylococcus aureus ak Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu anti-bakteri Titàn alyaj

Peng et al. te fè optimize pèfòmans konplè sou alyaj Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) tèmik trete. Rezilta rechèch yo montre ke yo nan lòd yo jwenn pi bon pwopriyete yo mekanik, rezistans korozyon ak rezistans mete nan alyaj la, pwosesis yo tretman chalè optimal apre pwosesis tèmik nan twa gwoup yo alyaj yo dwe kenbe nan 720 degre, 740 degre ak 760 degre pou 1 èdtan ak Lè sa a, lè-fre. Nan Figi 4, yo reprezante pa 4.5Cu-720, 6Cu-740 ak 7.5Cu-760 respektivman. Tès anti-bakteri ak rezilta tès cytotoxicity nan twa gwoup alyaj yo montre nan Figi 4. Soti nan Figi 4(a)-(d), li ka wè ke gen plis koloni bakteri apre ko-kilti ak alyaj Ti6Al4V, epi apre yo fin. ko-kilti ak alyaj Ti6A14V-Cu Nimewo a nan koloni bakteri piti, ki endike ke alyaj la kwiv ki gen Titàn gen pwopriyete anti-bakteri fò. Figi 4 (e) montre pousantaj anti-bakteri alyaj Ti6Al4V-xCu. Li ka wè ke pousantaj la anti-bakteri nan echantiyon an 4.5Cu-720 se apeprè 80%. Kòm kontni an Cu ogmante, pousantaj la anti-bakteri nan alyaj la ogmante yon ti kras, ki endike ke pèfòmans nan anti-bakteri te amelyore. Kòm yo ka wè nan Figi 4 (f), lè ko-kilti ak selil pou 1 ak 3 jou, valè yo absòbe nan alyaj Ti6A14V-Cu ak alyaj Ti6A14V yo pa anpil diferan; men nan 7 jou, valè 7.5Cu -760 siyifikativman pi ba pase alyaj Ti6A14V, ki endike ke Li gen sèten cytotoxicity nan 7 jou. Li ka wè ke pou Ti6A14V-xCu alyaj, kontni an Cu pa ta dwe pi wo pase 6%, otreman alyaj la pral montre yon sèten degre nan sitotoksisite apre yon tan long.

Figi 4 Ti6A14V (a) 4.5Cu -720; (b) 6Cu-740; (c) 7.5Cu-760; (d) Mòfoloji kwasans bakteri apre ko-kilti alyaj; (e) Konparezon pousantaj anti-bakteri nan alyaj Ti6Al4V; (f) Valè absorpsyon selil ki kiltive ansanm ak diferan alyaj pou 1, 3 ak 7 jou