Дослідження та розробка антибактеріальних матеріалів і технологій титанових сплавів

1. Введення

Титан (Ti) і його сплави мають низьку щільність, високу міцність і відмінну стійкість до корозії, і спочатку використовувалися в авіаційній промисловості. На початку 1940-х років титан і його сплави вперше були введені в медицину. Після більш ніж півстолітнього розвитку чистий титан і сплав Ti6A14V, як найбільш типові медичні металеві матеріали на основі титану, використовувалися в багатьох медичних клініках, особливо в галузі ортопедії та стоматології, замінюючи нержавіючу сталь і кобальт на основі сплави у великій кількості. Однак титановий сплав є типом біологічно інертного матеріалу, який не має антибактеріальних властивостей і безсилий проти інфекційних проблем, викликаних імплантатами. В даний час магнетронне розпилення, електрохімічне осадження, іонна імплантація, мікродугове окислення та інші методи зазвичай використовуються для завантаження неорганічних або органічних антибактеріальних агентів на поверхню медичних титанових сплавів, що надає їм антибактеріальних властивостей. Переваги антибактеріальних покриттів, отриманих шляхом модифікації поверхні, очевидні, але все ще існують недоліки, такі як відносно складний процес покриття, підвищені витрати на виробництво, погане зчеплення між покриттям і основою, легке зношування покриття та низька довготривалість антибактеріальну дію чекати. У відповідь на проблеми з інфекцією, викликані імплантованими титановими сплавами та відсутністю антибактеріальних покриттів, люди почали намагатися розробити нові антибактеріальні титанові сплави з власними антибактеріальними функціями, регулюючи склад сплаву.

2. Антибактеріальний механізм антибактеріального титанового сплаву

Поширення бактерій тісно пов'язане з утворенням бактеріальних біоплівок. Процес утворення бактеріальних біоплівок показано на малюнку 1. Планктонні бактерії ростуть і розмножуються після потрапляння на матрицю матеріалу, утворюючи бактеріальну біоплівку. Поверхня біоплівки являє собою шар щільного позаклітинного матриксу. Цей шар позаклітинного матриксу має тверду структуру і високу міцність. Бактерії, загорнуті всередину, знаходяться в тісному контакті, що покращує взаємодію та обмін речовин між бактеріями, одночасно запобігаючи проникненню зовнішніх шкідливих речовин. Таким чином, після формування біоплівки її важко порушити антибіотиками, консервантами та іншими зовнішніми хімічними речовинами, тому її важко видалити антибіотиками, які зазвичай застосовують.

Рисунок 1 Процес утворення бактеріальної біоплівки

Антибактеріальний механізм антибактеріальних титанових сплавів можна розділити на такі чотири етапи: ① Антибактеріальна поверхня металу вивільняє іони металу з антибактеріальними функціями; ② Негативно заряджені бактеріальні клітини та позитивно заряджені іони металів притягуються один до одного, і іони металів поглинаються бактеріями. ③ Іони металу руйнують клітинну стінку та клітинну мембрану бактерій або руйнують їх білкову структуру, викликаючи витік цитоплазми; ④ Іони металу далі проникають через клітинну стінку бактерій і з’єднуються з бактеріальною ДНК, що призводить до денатурації бактерій і втрати здатності до реплікації. Незалежно від пошкодження клітинної стінки чи генетичного матеріалу, бактерії загинуть.

3. Хід дослідження

3.1 Антибактеріальний титановий сплав Ti-Ag

Срібло (Ag), як легуючий елемент, може покращити стійкість до корозії та механічні властивості металів на основі титану. Такахаші та ін. виявили, що додавання 20 мас.% Ag може підвищити міцність і зносостійкість литих титанових сплавів, зберігаючи високе подовження. Шим та ін. доведено, що сплав Ti-Ag має кращу стійкість до корозії, ніж чистий титан. Ag також має хорошу біосумісність, а сплав Ag-Hg використовується як стоматологічний матеріал. Чудові антибактеріальні властивості Ag-вмісних покриттів підтверджені багатьма дослідженнями. Таким чином, шляхом додавання відповідного Ag до титану та його сплавів можна отримати Ag-вмісні титанові сплави з певними антибактеріальними властивостями. Однак, навіть незважаючи на те, що вміст Ag у деяких сплавах Ti-Ag дуже високий, навіть досягаючи 20 мас.%, вони не виявляють значних антибактеріальних ефектів, що вказує на те, що антибактеріальні ефекти Ag-вмісних титанових сплавів не визначаються виключно вмістом Ag.

Чжен та ін. додав 2,9 мас.% Ag до TiNi сплаву з пам’яттю форми, і отриманий литий TiNi сплав продемонстрував певні антибактеріальні властивості, а рівень антибактеріальної дії проти Staphylococcus aureus досяг 86.3%. Чен та ін. використовували порошок Ag з різним вмістом і різними розмірами частинок для спікання разом із порошком чистого титану для отримання серії сплавів Ti-xAg (x=1,3,5). Були охарактеризовані та оцінені їх механічні властивості, корозійні властивості, антибактеріальні властивості та клітинна фаза in vitro. Як показано на малюнку 2, антибактеріальна активність сплаву Ti-Ag з розміром частинок Ag 10 мкм вища, ніж у сплаву Ti-Ag з розміром частинок Ag 75 мкм. Всупереч закону вивільнення іонів Ag, сплав Ti-Ag з розміром частинок Ag 10 мкм Кількість вивільнення іонів сплавом нижча, ніж у сплаві Ti-Ag з розміром частинок порошку Ag 75 мкм, що вказує на що антибактеріальні властивості сплаву Ti-Ag мають бути тісно пов’язані з нано/мікронними композитними частинками срібла, присутніми на матриці.

Рисунок 2 Бактеріальні колонії на поверхні чистого Ti та Ti-Ag сплаву

3.2 Ti-Cu антибактеріальний титановий сплав

У 2009 році Shirai та ін. вперше дослідив антибактеріальну дію сплаву Ti-xCu(x=1,5). Результати показали, що Ti-1Cu має значні антибактеріальні властивості проти E. coli та має добру біологічну безпеку, відкриваючи прогалину між мідьвмісними бактеріями та титановими сплавами, які служать завісою для досліджень медичних металевих матеріалів. Згодом Zhang et al. використовував порошкову металургію для отримання сплаву Ti-10wt%Cu, а також вивчав антибактеріальні властивості, механічні властивості та корозійні властивості сплаву. Як показано на малюнку 3, сплав Ti-10 Cu стійкий до Staphylococcus aureus і Staphylococcus aureus. Всі кишкові палички мають значний вбивчий ефект. Результати випробування внутрішньокісткової імплантації сплаву Ti-10Cu показують, що сплав Ti-10Cu має добру сумісність із кістковими клітинами. Результати подальших досліджень показують, що додавання принаймні 5% Cu до титану матиме значний антибактеріальний ефект. З метою антибактеріального та протиінфекційного захисту Інститут дослідження металів Китайської академії наук розробив серію мідьвмісних титанових сплавів з антибактеріальними функціями та провів велику кількість експериментальних досліджень на тваринах in vitro та in vivo. Тверда розчинність Cu в Ti дуже низька. При охолодженні від високої температури до 790 градусів перенасичена Cu випадає в осад у вигляді інтерметалічної сполуки Ti2Cu. Різниця потенціалів між ним і матрицею сприятиме вивільненню сплавом слідових кількостей іонів міді у фізіологічному середовищі. , таким чином надаючи сильну бактерицидну дію.

Рисунок 3 Вбивча дія Ti-10Cu на Staphylococcus aureus і Escherichia coli

3.3 Антибактеріальний титановий сплав Ti6Al4V-Cu

Peng та ін. провели комплексну оптимізацію продуктивності термічно обробленого сплаву Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5). Результати досліджень показують, що для отримання найкращих механічних властивостей, стійкості до корозії та зносостійкості сплаву оптимальні процеси термічної обробки після термічної обробки трьох груп сплавів повинні проводитися при 720 градусах, 740 градусах і 760 градусах для 1 годину, а потім охолодити на повітрі. На малюнку 4 вони представлені 4,5Cu-720, 6Cu-740 та 7,5Cu-760 відповідно. Результати антибактеріального випробування та випробування на цитотоксичність трьох груп сплавів показані на малюнку 4. На рисунку 4(a)-(d) видно, що після спільного культивування зі сплавом Ti6Al4V і після спільна культура зі сплавом Ti6A14V-Cu Кількість бактеріальних колоній невелика, що вказує на те, що титановий сплав, що містить мідь, має сильні антибактеріальні властивості. На малюнку 4(e) показана антибактеріальна швидкість сплаву Ti6Al4V-xCu. Можна побачити, що антибактеріальний рівень зразка 4,5Cu-720 становить близько 80%. Зі збільшенням вмісту Cu антибактеріальна швидкість сплаву трохи збільшується, що вказує на покращення антибактеріальних характеристик. Як видно з рисунка 4(f), при спільному культивуванні з клітинами протягом 1 і 3 днів значення поглинання сплаву Ti6A14V-Cu та сплаву Ti6A14V не сильно відрізняються; але через 7 днів значення 7,5 Cu-760 значно нижче, ніж у сплаву Ti6A14V, що вказує на те, що він має певну цитотоксичність через 7 днів. Можна побачити, що для сплаву Ti6A14V-xCu вміст Cu не повинен перевищувати 6%, інакше сплав буде демонструвати певний ступінь цитотоксичності через тривалий час.

Рисунок 4 Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; (d) Морфологія росту бактерій після спільного культивування сплаву; (e) Порівняння антибактеріальних показників сплаву Ti6Al4V; (f) Значення поглинання клітин, культивованих спільно з різними сплавами протягом 1, 3 та 7 днів