Antibakterial titanium qotishma materiallari va texnologiyalarini tadqiq qilish va ishlab chiqish

1.Kirish

Titan (Ti) va uning qotishmalari past zichlik, yuqori quvvat va mukammal korroziyaga chidamlilik xususiyatlariga ega va dastlab aviatsiya sanoatida ishlatilgan. 1940-yillarning boshlarida titan va uning qotishmalari birinchi marta tibbiyot sohasiga kiritildi. Yarim asrdan ko'proq davom etgan rivojlanishdan so'ng, sof titan va Ti6A14V qotishmasi titanga asoslangan tibbiy metall materiallarining eng vakili sifatida ko'plab tibbiy klinikalarda, ayniqsa ortopediya va stomatologiya sohalarida zanglamaydigan po'lat va kobalt asosidagi materiallar o'rnini bosgan holda ishlatilgan. katta miqdorda qotishmalar. Biroq, titanium qotishmasi antibakterial xususiyatga ega bo'lmagan va implantlar keltirib chiqaradigan infektsiya muammolariga qarshi kuchsiz biologik inert material turidir. Hozirgi vaqtda tibbiy titanium qotishmalari yuzasiga noorganik yoki organik antibakterial vositalarni yuklash uchun odatda magnetronli püskürtme, elektrokimyoviy cho'kma, ion implantatsiyasi, mikro-ark oksidlanish va boshqa usullar qo'llaniladi va shu bilan ularga antibakterial xususiyatlar beradi. Sirtni o'zgartirish orqali tayyorlangan antibakterial qoplamalarning afzalliklari aniq, ammo nisbatan murakkab qoplama jarayoni, ishlab chiqarish xarajatlarining oshishi, qoplama va substrat o'rtasidagi yomon bog'lanish, qoplamaning oson aşınması va yomon uzoq muddatli kabi kamchiliklar mavjud. antibakterial samaradorlikni kutish. Implantatsiya qilingan titanium qotishmalari va antibakterial qoplamalar yo'qligi sababli infektsiya muammolariga javoban, odamlar qotishma tarkibini sozlash orqali o'zlarining antibakterial funktsiyalari bilan yangi antibakterial titanium qotishmalarini ishlab chiqishga harakat qila boshladilar.

2. Antibakterial titan qotishmasining antibakterial mexanizmi

Bakteriyalarning tarqalishi bakterial biofilmlarning shakllanishi bilan chambarchas bog'liq. Bakterial bioplyonkalarning hosil bo'lish jarayoni 1-rasmda ko'rsatilgan. Planktonik bakteriyalar moddiy matritsaga tushgandan so'ng o'sadi va ko'payadi, bakterial bioplyonka hosil qiladi. Biofilmning yuzasi zich hujayradan tashqari matritsa qatlamidir. Hujayradan tashqari matritsaning bu qatlami mustahkam tuzilishga va yuqori quvvatga ega. Ichkarida o'ralgan bakteriyalar yaqin aloqada bo'lib, bu bakteriyalar o'rtasidagi o'zaro ta'sirni va material almashinuvini kuchaytiradi, shu bilan birga tashqi zararli moddalarning kirib kelishini oldini oladi. Shuning uchun, biofilm hosil bo'lgandan so'ng, antibiotiklar, konservantlar va boshqa tashqi kimyoviy moddalar tomonidan osonlikcha bezovtalanmaydi, shuning uchun tez-tez ishlatiladigan antibiotiklar bilan olib tashlanishi qiyin.

1-rasm Bakterial biofilmning hosil bo'lish jarayoni

Antibakterial titan qotishmalarining antibakterial mexanizmini quyidagi to'rt bosqichga bo'lish mumkin: ① Antibakterial metall yuzasi antibakterial funktsiyalarga ega bo'lgan metall ionlarini chiqaradi; ② Salbiy zaryadlangan bakteriya hujayralari va musbat zaryadlangan metall ionlari bir-biriga tortiladi va metall ionlari bakteriyalarga singib ketadi ③ Metall ionlari bakteriyalarning hujayra devori va hujayra membranasini buzadi yoki ularning oqsil tuzilishini buzadi, bu esa sitoplazmaning oqishiga olib keladi; ④ Metall ionlari bakteriya hujayra devoriga yanada kirib boradi va bakterial DNK bilan birlashadi, bu bakterial denaturatsiyaga va replikatsiya qobiliyatini yo'qotishiga olib keladi. Hujayra devoriga yoki genetik materialga zarar yetkaziladimi, bakteriyalar nobud bo'ladi.

3. Tadqiqotning borishi

3.1 Ti-Ag antibakterial titanium qotishmasi

Kumush (Ag) qotishma element sifatida titan asosidagi metallarning korroziyaga chidamliligini va mexanik xususiyatlarini yaxshilashi mumkin. Takahashi va boshqalar. 20wt% Ag qo'shilishi yuqori cho'zilishni saqlab, quyma titanium qotishmalarining mustahkamligi va aşınma qarshiligini oshirishi mumkinligini aniqladi. Shim va boshqalar. Ti-Ag qotishmasi sof titanga qaraganda yaxshiroq korroziyaga chidamliligini isbotladi. Ag ham yaxshi biologik muvofiqlikka ega va Ag-Hg qotishmasi stomatologik material sifatida ishlatilgan. Ag o'z ichiga olgan qoplamalarning mukammal antibakterial xususiyatlari ko'plab tadqiqotlar bilan tasdiqlangan. Shuning uchun titan va uning qotishmalariga tegishli Ag qo'shib, ma'lum antibakterial xususiyatlarga ega Ag o'z ichiga olgan titanium qotishmalarini olish mumkin. Biroq, ba'zi Ti-Ag qotishmalarida Ag miqdori juda yuqori bo'lsa-da, hatto 20wt% ga yetsa ham, ular sezilarli antibakterial ta'sir ko'rsatmaydi, bu Ag o'z ichiga olgan titanium qotishmalarining antibakterial ta'siri faqat Ag tarkibi bilan belgilanmaganligini ko'rsatadi.

Zheng va boshqalar. TiNi shakl xotirasi qotishmasiga 2,9 wt% Ag qo'shildi va olingan quyma TiNi qotishmasi ma'lum antibakterial xususiyatlarni ko'rsatdi va Staphylococcus aureusga qarshi antibakterial darajasi 86,3% ga etdi. Chen va boshqalar. bir qator Ti-xAg qotishmalarini (x=1,3,5) olish uchun sof titan kukuni bilan sinterlash uchun turli xil tarkibli va har xil zarracha o'lchamli Ag kukunidan foydalangan. Ularning mexanik xususiyatlari, korroziyaga qarshi xususiyatlari, antibakterial xususiyatlari va in vitro hujayra fazasi Kapasitans tavsiflangan va baholangan. 2-rasmda ko'rsatilganidek, Ag zarrachalarining o'lchami 10 mkm bo'lgan Ti-Ag qotishmasining antibakterial faolligi Ag zarrachalarining o'lchami 75 mkm bo'lgan Ti-Ag qotishmasidan yuqori. Ag ionining ajralib chiqish qonunidan farqli o'laroq, Ag zarrachalarining o'lchami 10 mkm bo'lgan Ti-Ag qotishmasi Qotishmaning ion chiqarish miqdori Ag kukuni zarrachalarining o'lchami 75 mkm bo'lgan Ti-Ag qotishmasidan pastroqdir. Ti-Ag qotishmasining antibakterial ishlashi matritsada mavjud bo'lgan nano/mikron o'lchovli kompozit kumush zarralari bilan chambarchas bog'liq bo'lishi kerak.

2-rasm Sof Ti va Ti-Ag qotishmasi yuzasida bakteriya koloniyalari

3.2 Ti-Cu antibakterial titanium qotishmasi

2009 yilda Shirai va boshqalar. dastlab Ti-xCu(x=1,5) qotishmasining antibakterial ta'sirini o'rgandi. Natijalar shuni ko'rsatdiki, Ti{4}}Cu E. coli ga qarshi sezilarli antibakterial xususiyatlarga ega va yaxshi biologik xavfsizlikka ega, mis o'z ichiga olgan bakteriyalar va titanium qotishmalari o'rtasidagi bo'shliqni ochib, tibbiy metall materiallarini o'rganish uchun parda bo'lib xizmat qiladi. Keyinchalik, Zhang va boshqalar. Ti{6}}wt%Cu qotishmasini tayyorlash uchun kukunli metallurgiyadan foydalangan va qotishmaning antibakterial xossalari, mexanik xossalari va korroziyaga qarshi xususiyatlarini o‘rgangan. 3-rasmda ko'rsatilganidek, Ti-10 Cu qotishmasi Staphylococcus aureus va Staphylococcus aureusga chidamli. E. coli hammasi sezilarli o'ldirish ta'siriga ega. Ti-10Cu qotishmasining suyak ichidagi implantatsiya sinovi natijalari shuni ko'rsatadiki, Ti-10Cu qotishmasi suyak hujayralariga yaxshi mos keladi. Keyingi tadqiqot natijalari shuni ko'rsatadiki, titanga kamida 5% Cu qo'shilishi sezilarli antibakterial ta'sirga ega bo'ladi. Antibakterial va infektsiyaga qarshi kurashish maqsadida Xitoy Fanlar akademiyasi Metall tadqiqot instituti antibakterial funktsiyalarga ega mis o'z ichiga olgan titanium qotishmalari seriyasini ishlab chiqdi va ko'plab in vitro va in vivo hayvonlar eksperimental tadqiqotlarini o'tkazdi. Cu ning Ti tarkibida qattiq eruvchanligi juda past. Yuqori haroratdan 790 darajagacha sovutilganda, o'ta to'yingan Cu Ti2Cu intermetalik birikma sifatida cho'kadi. U va matritsa o'rtasidagi potentsial farq qotishmani fiziologik muhitda mis ionlarining iz miqdorini chiqarishga yordam beradi. , shuning uchun kuchli bakteritsid ta'sir ko'rsatadi.

3-rasm Ti-10Cu ning Staphylococcus aureus va Escherichia coli ga o'ldiradigan ta'siri

3.3 Ti6Al4V-Cu antibakterial titanium qotishmasi

Peng va boshqalar. termal qayta ishlangan Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) qotishmasi bo'yicha kompleks ish faoliyatini optimallashtirishni o'tkazdi. Tadqiqot natijalari shuni ko'rsatadiki, qotishmaning eng yaxshi mexanik xususiyatlarini, korroziyaga chidamliligi va aşınma qarshiligini olish uchun uch guruhli qotishmalarni termal qayta ishlashdan keyin optimal issiqlik bilan ishlov berish jarayonlari 720 daraja, 740 daraja va 760 daraja haroratda ushlab turilishi kerak. 1 soat va keyin havo bilan sovutib oling. 4-rasmda ular mos ravishda 4,5Cu-720, 6Cu-740 va 7,5Cu-760 bilan ifodalangan. Uch guruh qotishmalarning antibakterial sinovi va sitotoksiklik sinovi natijalari 4-rasmda ko'rsatilgan. 4(a)-(d)-rasmdan Ti6Al4V qotishmasi bilan birgalikda kulturadan keyin va undan keyin bakteriya koloniyalari ko'proq ekanligini ko'rish mumkin. Ti6A14V-Cu qotishmasi bilan birgalikda madaniyat Bakterial koloniyalar soni kichik, bu mis o'z ichiga olgan titanium qotishmasining kuchli antibakterial xususiyatlarga ega ekanligini ko'rsatadi. Shakl 4(e) Ti6Al4V-xCu qotishmasining antibakterial tezligini ko'rsatadi. Ko'rinib turibdiki, 4,5Cu-720 namunaning antibakterial darajasi taxminan 80% ni tashkil qiladi. Cu tarkibi oshgani sayin, qotishmaning antibakterial darajasi biroz oshadi, bu antibakterial ko'rsatkichning yaxshilanganligini ko'rsatadi. 4(f)-rasmdan ko'rinib turibdiki, hujayralar bilan 1 va 3 kun davomida birgalikda kultivatsiya qilinganda, Ti6A14V-Cu qotishmasi va Ti6A14V qotishmasining absorbans qiymatlari unchalik farq qilmaydi; ammo 7 kun ichida 7,5Cu-760 qiymati Ti6A14V qotishmasidan sezilarli darajada past bo'lib, 7 kun ichida ma'lum sitotoksiklikka ega ekanligini ko'rsatadi. Ko'rinib turibdiki, Ti6A14V-xCu qotishmasi uchun Cu miqdori 6% dan yuqori bo'lmasligi kerak, aks holda qotishma uzoq vaqtdan keyin ma'lum darajada sitotoksiklikni ko'rsatadi.

4-rasm Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; (d) qotishma kokulturasidan keyin bakteriya o'sishi morfologiyasi; (e) Ti6Al4V qotishmasining antibakterial stavkalarini solishtirish; (f) 1, 3 va 7 kun davomida turli qotishmalar bilan birgalikda o'stirilgan hujayralarning yutilish qiymatlari