Napredek raziskav o uporabi materialov iz titanovih zlitin v ortopediji

Titanova zlitinaje postal pogosto uporabljen material v ortopedski klinični praksi (kot so jeklene plošče za notranjo fiksacijo in umetni sklepi) zaradi svojih odličnih mehanskih lastnosti in osteogene sposobnosti, vendar ima omejitve, kot sta inertnost kovin in sproščanje ionov. Nova titanova zlitina optimizira fizikalno-kemijske in biološke lastnosti s pomočjo znanosti o materialih. Ta članek pregleduje napredek raziskav ortopedske uporabe in ponuja referenco za razvoj področja.

Materiali za ortopedske vsadke so predvsem kovine, vključno z nerjavnim jeklom, kobaltom in njegovimi zlitinami, titanom in njegovimi zlitinami itd. Med njimi se titanove zlitine pogosto uporabljajo v klinični praksi zaradi svojih izjemnih prednosti, kot so biokompatibilnost, visoka trdnost, odpornost proti koroziji in nizka gostota. V zadnjih letih je veliko znanstvenikov izvedlo-poglobljene raziskave o metodah predelave in izdelave, površinski modifikaciji, velikosti por in poroznosti titanovih zlitin, da bi rešili probleme visokega elastičnega modula, površinske inertnosti in sproščanja kovinskih ionov, s katerimi se soočajo titanove zlitine v kliničnih aplikacijah. Te študije ne bodo le pomagale izboljšati učinka biološke uporabe titanovih zlitin, ampak bodo tudi izboljšale lastnosti osteointegracije, antibakterijske lastnosti in varnostne lastnosti in vivo. V tem prispevku so na kratko pregledane površinske modifikacije in modifikacije, strukturne lastnosti in različne vrste titanovih zlitin titanovih zlitin, da bi pridobili-poglobljeno razumevanje trenutnega stanja, prednosti in slabosti titanovih zlitin v bioloških aplikacijah, pa tudi njihov raziskovalni napredek in prihodnje razvojne smeri.

1. Struktura kosti ter prednosti in slabosti titanove zlitine
Kost ima večplastno strukturo na makroskopski, mikroskopski in nanometrski ravni, ki vsebuje tako organske kot anorganske minerale. Glede na zgradbo in gostoto jo lahko razdelimo na trabekularno kost in kortikalno kost. Trabekularna kost je sestavljena iz porozne mreže s poroznostjo 50–90 % in modulom elastičnosti 0,02–2 GPa, medtem ko je kortikalna kost trdna s poroznostjo 3–5 % in modulom elastičnosti 3–30 GPa. Kost se nenehno spreminja zaradi različnih uporabljenih pritiskov, zato lahko kakršno koli neujemanje modula med implantatom in kostjo povzroči resorpcijo kosti, povezano z Wolffovim zakonom. Idealen ortopedski vsadek mora pospeševati regeneracijo kosti na poškodovanem območju, hkrati pa ponovno vzpostaviti fizično funkcijo kosti. Na splošno morajo biti blizu naravnim kostem in jih urejajo naslednje osnovne lastnosti:
(1) biokompatibilnost;
(2) ujemanje mehanskih lastnosti;
(3) Zelo porozna struktura.
Poleg tega so pomembne tudi antibakterijske lastnosti.

V ortopediji se titanovi vsadki uporabljajo v številnih aplikacijah, vključno z nadomestki protez kolka in kolena za zdravljenje različnih vrst artritisa, napravami za spinalno fuzijo za zagotavljanje stabilnosti degenerativnih in nestabilnih vretenc ter različnimi napravami za fiksiranje zlomov, kot so kovinske plošče, vijaki in intramedularni žeblji. Ker število implantacijskih postopkov še naprej narašča, se bolniki soočajo s številnimi tveganji, kot so bakterijska okužba, slaba osteointegracija in aseptično vnetje. Čeprav so titanove zlitine znane po svoji odlični biokompatibilnosti in odpornosti proti koroziji, ni mogoče prezreti njihovih morebitnih pomanjkljivosti: prvič, neobdelani vsadki iz titanove zlitine imajo biološko inertno površino, kar vpliva na njihovo interakcijo z živimi organizmi; drugič, sama titanova zlitina nima antibakterijskih lastnosti; Tretjič, kljub dobri biokompatibilnosti, ko se oksidni film na površini poškoduje, se lahko škodljivi kovinski ioni sprostijo v krvni obtok, kar lahko povzroči resne zdravstvene težave.

2. Modifikacija površine in modifikacija titanove zlitine
Slabo zgodnje celjenje kosti na stiku-vsadka velja za enega glavnih vzrokov za pooperativno neuspeh. V zadnjih letih je razvoj tehnologije modifikacije površin ponudil nove ideje za reševanje zgornjih problemov. Raziskovalci dodajajo določene snovi na površino titanovih zlitin, da dosežejo učinke proti-okužbam, osteogene, odpornosti-na obrabo, odpornosti-na korozijo-in proti-oksidacije. Tehnike kemičnega modificiranja površine vključujejo eloksiranje, mikro-olok oksidacijo, elektroforetično nanašanje, kemično nanašanje s paro, alkalno segrevanje in nanašanje atomskih plasti.
S tvorbo kemičnih vezi se vežejo nove snovi z močnimi veznimi silami. Poleg tega je bila tehnologija kemične modifikacije površine prilagojena vsadkom s kompleksnimi oblikami, kar ima velike možnosti uporabe pri modifikaciji 3D tiskanja titanovih zlitin. Za razliko od kemičnih metod tehnologija fizikalne modifikacije površine ne spremeni kemičnih lastnosti materialov, ampak se opira na laser, visoko{3}}energijske delce, ultrazvok in druge tehnologije za spreminjanje videza površine in mikroskopske morfologije titanovih zlitin.
Tradicionalne tehnike peskanja povečajo površinsko hrapavost titanovih zlitin in izboljšajo zgodnjo stabilnost vsadkov. Laser je razmeroma nova tehnologija, ki spreminja strukturo materialov na nanometrski in mikrometrski ravni. Brane⁃mark idr. uporabil lasersko tehnologijo za površinsko modifikacijo vsadka na določenem mestu in ga nato namestil v golenico in stegnenico, rezultati pa so pokazali, da je ta tehnika izboljšala pritrjevanje vmesnika kost-vsadka. Gittens et al. razvil metodo površinske modifikacije za izdelavo nanometrskih značilnosti na titanovih ploščah, kar vodi do povečane diferenciacije osteoblastov. Porozna struktura titana je bila prevlečena z večplastno želatino in hitozanom, ki vsebuje kostni morfogenetski protein ali vankomicin, ki je pokazal močno protimikrobno delovanje proti planktonskim in adherentnim bakterijam.

Med različnimi površinskimi premazi se najbolj uporablja plazemsko razpršeni hidroksiapatit (HA) zaradi njegovih prednosti, kot sta enostavnost uporabe in nizka cena. Poleg tega lahko oksidacija z mikro-oblokom, hidrotermalna obdelava, elektroforetično nanašanje in druge tehnologije uspešno oblikujejo prevleke iz HA na poroznih površinah iz titana. Študije so primerjale plazemsko razpršene prevleke HA z elektrokemično nanesenimi prevlekami HA in rezultati kažejo, da ima slednji večjo površinsko hrapavost in omočljivost.
Biokompatibilnost je mogoče izboljšati s premazovanjem keramike in drugih oksidov alkalijskih kovin. Urbanski idr. [18] so Ti6Al4V prevlekli s titanovim dioksidom in silicijevim dioksidom ter ga postavili v stegnenico podgan in ugotovili, da je bil vnetni odziv materiala blag. Nova metoda je prevleka titanovih zlitin s kmetijskimi odpadki, kot so pepel riževih lupin, pepel listov sladkornega trsa, arašidi in koruzni luščini, saj ti materiali vsebujejo velike količine oksidov silicijevega dioksida in drugih sorodnih nanodelcev ali mikrodelcev. Ta metoda je bila uporabljena v biosteklu in keramiki, kjer se namesto silicijevega dioksida kot premaz za biosteklo uporabljajo riževe lupine.
3. Strukturne značilnosti titanove zlitine
Hrapava površina materiala pritegne več vnetnih celic, da se oprimejo, kot so makrofagi, kar je znano kot pojav "hrapavosti". Ugotovljeno je bilo, da je bila povprečna hrapavost materiala 0,51 ~ 1,36 μm, kar bi lahko spodbudilo polarizacijo adherentnih makrofagov v fenotip M2. Olivares-Navarrete et al. ugotovili, da je Ti6Al4V na hrapavi površini izboljšal lokalno vnetno okolje v primerjavi s Ti6Al4V z gladko površino, celice, ki rastejo na njegovi površini, pa so zmanjšale ravni pro-vnetnih interlevkinov. Zato titanove zlitine s specifično površinsko hrapavostjo ne prispevajo le k uravnavanju zgodnjega vnetja s strani makrofagov, temveč tudi k osteointegraciji v kasnejši fazi.
Poleg hrapavosti so z rastjo kosti povezane tudi druge fizikalne lastnosti površin iz titanove zlitine, kot so omočljivost, zeta potencial in površinska energija. Poleg tega prevleka iz kalcijevega fosfata, dopirana na 3D-natisnjenem poroznem titanu, izboljša zgodnjo osteointegracijo in skrajša čas celjenja. Raziskovalna skupina je razvila modifikacijo pasivacije s kemičnim sredstvom, ki selektivno spodbuja adsorpcijo beljakovin in s tem poveča adhezijo osteoblastov na površini titana, kar ne vključuje oblikovanja bioaktivne plasti, ampak spremeni pogoje na površini, da olajša biofiksacijo in skrajša čas rasti kosti okoli titanovih vsadkov.

Fizikalne in kemijske lastnosti ter morfologija materiala neposredno vplivajo na omočljivost, ta pa uravnava adsorpcijo biomolekul in pritrditev celic. Površinska hidrofilnost zmanjša bakterijsko adhezijo (z oslabitvijo van der Waalsovih sil), s čimer se zmanjša tveganje okužbe implantata in spodbuja zgodnja osteointegracija. Tradicionalne titanove zlitine so nagnjene k stresni okluziji in resorpciji kosti zaradi visokega modula elastičnosti, poleg tega je težko reproducirati večplastno strukturo kostnega tkiva. Porozni titanov material zmanjša modul skozi strukturo por in poveča učinek sidranja s pomočjo rasti kosti. Njegove tehnike priprave (npr. sintranje, 3D-tiskanje) lahko natančno nadzorujejo velikost por in poroznost med seboj povezanih por.

Tehnologija 3D-tiskanja ima dvojno prednost pred tradicionalno proizvodnjo: mikroskopsko ujemanje naravnega modula kosti skozi prednastavljene pore za zmanjšanje tveganja prikrivanja napetosti in zrahljanja; Na makroskopski ravni se CT skeniranje uporablja za doseganje dvojne mehanske in morfološke prilagoditve kompleksnih kostnih defektov.

Nova sintrana porozna titanova zlitina uspešno simulira neurejeno strukturo in modul elastičnosti gobaste kosti s 75-odstotno zasnovo poroznosti. Poskusi in vitro so pokazali, da je ta struktura znatno spodbujala adhezijo in proliferacijo osteoblastov, njena oseointegracijska zmogljivost pa je bila boljša kot pri 3D-natisnjenem poroznem titanu. Njegove strukturne značilnosti (velikost por, poroznost, prostorska porazdelitev itd.) vplivajo na osteointegracijo prek treh mehanizmov: (1) prilagoditev mehanskih lastnosti; (2) povezovalne pore za spodbujanje migracije matičnih celic kosti; (3) Optimizirajte transport hranil/kisika in vaskularno infiltracijo.

Velikost por in poroznost sta glavna regulatorna parametra: študije selektivnega laserskega taljenja kažejo, da je cilindrična velikost por 632 μm bolj ugodna za rast kosti kot 309 μm/956 μm, velikost por 801 μm pa lahko izboljša začetno stabilnost. Kritični prag je pokazal, da < 400 μm ovira prodiranje v celice, > 900 μm povzroči nezadosten stik s kostjo, razpon poroznosti 75 %–85 % pa je bil optimalen.

Kar zadeva vrsto titanove zlitine, Ti6Al4V prevladuje na trgu, vendar obstaja citotoksično tveganje za sproščanje ionov Al/V. Nove zlitine, kot sta Ti-15Ta-10,5Zr in Ti-13Nb-13Zr, zmanjšajo modul, hkrati pa ohranijo trdnost s prilagajanjem elementarne sestave. Inovativne usmeritve, kot so superelastičnost zlitin nikelj-titan in antibakterijske lastnosti bakra/srebra Ti6Al4V, so vredne pozornosti.

Trenutni izzivi so osredotočeni na: (1) natančno transformacijo mrežne strukture zlitine s tehnologijo aditivne proizvodnje; (2) Okrepiti je treba preverjanje celotne verige in vitro, in vivo in klinike. Prihodnje raziskave bi se morale osredotočiti na kvantitativno razmerje med strukturnimi parametri in biološko aktivnostjo, da bi spodbudili razvoj personaliziranih vsadkov za popravilo kosti.

4. Povzetek in pogled
Titanove zlitine se kot materiali za postavitev uporabljajo od leta 1960. Od takrat znanstveniki raziskujejo spreminjanje sestave zlitin in površinskih lastnosti, da bi razvili material z najboljšo kombinacijo mehanskih in kemičnih lastnosti. Različni sodobni postopki obdelave ter ustrezne površinske prevleke in modifikacije za doseganje želenih lastnosti titanovih vsadkov. Za razvoj titanove zlitine, ki je močna, biokompatibilna, odporna-na korozijo-in obrabo-, je potrebnih več virov in raziskav.
Z razumevanjem različnih značilnosti titanovih zlitin so predlagane različne rešitve za probleme visokega modula elastičnosti in površinske inertnosti titanovih zlitin, površinska modifikacija in površinska modifikacija pa sta pogosto uporabljeni metodi za povečanje površinske aktivnosti titanovih zlitin. Izdelava poroznih titanovih zlitin ne rešuje le problema visokega modula elastičnosti, ampak tudi poveča biološko učinkovitost osteointegracije. Vendar pa je še vedno veliko problemov, o katerih je treba razpravljati in jih rešiti v proizvodnem procesu različnih poroznih titanovih zlitin. Uporaba funkcionaliziranih prevlek poroznih struktur in odkritje trabekularnih biomimetičnih struktur zagotavljata boljše možnosti za napredek bioloških aplikacij titanovih zlitin. V prihodnosti upamo, da se bo ob izboljševanju mehanske strukture in drugih lastnosti titanovih zlitin nenehno izboljševala uporaba bioloških funkcionalnih prevlek na površini titanovih zlitin ter da bo dosežen nov napredek in odkritja pri povečanju lokalne rasti kosti, osteointegraciji, antibakterijski in anti{4}}okužbi.