Pokrok ve výzkumu aplikace materiálů ze slitin titanu v ortopedii

Titanová slitinase stal běžně používaným materiálem v ortopedické klinické praxi (jako jsou ocelové dlahy pro vnitřní fixaci a umělé klouby) díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem a osteogenní schopnosti, ale má omezení, jako je inertnost kovu a uvolňování iontů. Nová slitina titanu optimalizuje fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti pomocí materiálových věd. Tento článek shrnuje pokrok ve výzkumu ortopedické aplikace a poskytuje reference pro vývoj oboru.

Materiály ortopedických implantátů jsou především kovy, včetně nerezové oceli, kobalt a jeho slitiny, titan a jeho slitiny atd. Mezi nimi jsou slitiny titanu široce používány v klinické praxi pro své vynikající přednosti, jako je biokompatibilita, vysoká pevnost, odolnost proti korozi a nízká hustota. V posledních letech provedlo mnoho vědců-hloubkový výzkum v oblasti metod zpracování a výroby, modifikace povrchu, velikosti pórů a pórovitosti titanových slitin s cílem vyřešit problémy vysokého modulu pružnosti, povrchové inertnosti a uvolňování kovových iontů, kterým čelí slitiny titanu v klinických aplikacích. Tyto studie nejen pomohou zlepšit biologický aplikační účinek titanových slitin, ale také zlepší osseointegrační vlastnosti, antibakteriální vlastnosti a bezpečnostní vlastnosti in vivo. V tomto článku jsou stručně zhodnoceny povrchové modifikace a modifikace, strukturní vlastnosti a různé typy titanových slitin titanových slitin s cílem získat-hloubkové porozumění současnému stavu, výhodám a nevýhodám titanových slitin v biologických aplikacích, stejně jako pokroku v jejich výzkumu a budoucích směrech vývoje.

1. Stavba kosti a výhody a nevýhody slitiny titanu
Kost má vrstvenou strukturu na makroskopické, mikroskopické a nanoúrovni a obsahuje organické i anorganické minerály. Podle stavby a hustoty ji lze rozdělit na trabekulární kost a kortikální kost. Trabekulární kost je složena z porézní sítě s porozitou 50%~90% a modulem pružnosti 0,02~2 GPa, zatímco kortikální kost je pevná, s porozitou 3%~5% a modulem pružnosti 3~30 GPa. Kost se neustále mění kvůli různým aplikovaným tlakům, takže jakýkoli nesoulad modulu mezi implantátem a kostí může vést k resorpci kosti spojené s Wolffovým zákonem. Ideální ortopedický implantát by měl podporovat regeneraci kosti v poškozené oblasti a zároveň obnovit fyzickou funkci kosti. Obecně by měly být blízké přirozeným kostem a měly by se řídit následujícími základními vlastnostmi:
(1) biokompatibilita;
(2) přizpůsobení mechanických vlastností;
(3) Vysoce porézní struktura.
Kromě toho jsou důležité také antibakteriální vlastnosti.

V ortopedii se titanové implantáty používají v široké škále aplikací, včetně náhrad kyčelních a kolenních protéz pro léčbu různých typů artritidy, zařízení pro spinální fúzi pro zajištění stability degenerativních a nestabilních obratlů a různých zařízení pro fixaci zlomenin, jako jsou kovové dlahy, šrouby a nitrodřeňové hřeby. Vzhledem k tomu, že počet implantačních procedur neustále narůstá, pacienti čelí mnoha rizikům, jako je bakteriální infekce, špatná osseointegrace a aseptický zánět. Ačkoli jsou titanové slitiny známé svou vynikající biokompatibilitou a odolností proti korozi, nelze ignorovat jejich potenciální nedostatky: za prvé, neošetřené implantáty z titanové slitiny mají biologicky inertní povrch, který ovlivňuje jejich interakci s živými organismy; za druhé, slitina titanu sama o sobě nemá antibakteriální vlastnosti; Za třetí, i přes jeho dobrou biokompatibilitu, jakmile je oxidový film na povrchu poškozen, mohou se škodlivé kovové ionty uvolňovat do krevního řečiště, což může způsobit vážné zdravotní problémy.

2. Povrchová úprava a modifikace slitiny titanu
Špatné časné hojení kosti na rozhraní kostního-implantátu je považováno za jednu z hlavních příčin pooperačního selhání. V posledních letech vývoj technologie povrchových úprav přinesl nové nápady pro řešení výše uvedených problémů. Výzkumníci přidávají na povrch titanových slitin určité látky, aby dosáhli anti-infekčních, osteogenních,-odolných proti opotřebení, korozi-a anti-oxidačních účinků. Techniky chemické úpravy povrchu zahrnují eloxování, mikro-oxidaci elektrickým obloukem, elektroforetické nanášení, chemické nanášení par, alkalické zahřívání a nanášení atomové vrstvy.
Vytvářením chemických vazeb se připojují nové látky se silnými vazebnými silami. Technologie chemické povrchové úpravy byla navíc přizpůsobena tvarově složitým implantátům, což má velkou perspektivu uplatnění při úpravách titanových slitin pro 3D tisk. Na rozdíl od chemických metod technologie fyzikální modifikace povrchu nemění chemické vlastnosti materiálů, ale spoléhá na laser, vysokoenergetické částice, ultrazvuk a další technologie k úpravě vzhledu povrchu a mikroskopické morfologie titanových slitin.
Tradiční techniky pískování zvyšují drsnost povrchu titanových slitin a zlepšují tak ranou stabilitu implantátů. Laser je relativně nová technologie, která mění strukturu materiálů na úrovni nanometrů a mikrometrů. Brane⁃mark a kol. použili laserovou technologii k povrchové úpravě implantátu na konkrétním místě a poté jej umístili do tibie a femuru a výsledky ukázaly, že tato technika zlepšila ukotvení kostního-rozhraní implantátu. Gittens a kol. vyvinuli metodu povrchové modifikace pro vytvoření nanoměřítek na titanových destičkách, což vede ke zvýšené diferenciaci osteoblastů. Porézní titanová struktura byla potažena vícevrstvou želatinou a chitosanem obsahujícím kostní morfogenetický protein nebo vankomycin, který vykazoval silnou antimikrobiální aktivitu proti planktonickým a adherentním bakteriím.

Mezi různými povrchovými povlaky je nejrozšířenější plazmový nástřik hydroxyapatitu (HA) díky svým výhodám, jako je snadná obsluha a nízká cena. Kromě toho mikro-oblouková oxidace, hydrotermální zpracování, elektroforetické nanášení a další technologie mohou úspěšně vytvářet HA povlaky na porézních titanových površích. Studie porovnávaly povlaky HA stříkané plazmou s povlaky HA nanášenými elektrochemicky a výsledky ukazují, že tyto povlaky mají vyšší drsnost povrchu a smáčivost.
Biokompatibilitu lze zlepšit povlakováním keramiky a jiných oxidů alkalických kovů. Urbanski a kol. [18] potáhli Ti6Al4V oxidem titaničitým a oxidem křemičitým a umístili jej do stehenní kosti krys a zjistili, že zánětlivá reakce materiálu byla mírná. Novou metodou je potahování slitin titanu zemědělským odpadem, jako je popel z rýžových slupek, popel z listů cukrové třtiny, arašídy a kukuřičné slupky, protože tyto materiály obsahují velké množství oxidů oxidu křemičitého a dalších příbuzných nanočástic nebo mikročástic. Tato metoda byla použita v bioskle a keramice, kde se místo oxidu křemičitého používají rýžové slupky jako povlak na biosklo.
3. Strukturní charakteristiky slitiny titanu
Drsný povrch materiálu přitahuje k adhezi více zánětlivých buněk, jako jsou makrofágy, což je známé jako fenomén „drsnosti“. Bylo zjištěno, že průměrná drsnost materiálu byla 0,51~1,36μm, což by mohlo podporovat polarizaci adherentních makrofágů do fenotypu M2. Olivares-Navarrete a kol. zjistili, že Ti6Al4V na drsném povrchu zlepšil místní zánětlivé prostředí ve srovnání s Ti6Al4V s hladkým povrchem a buňky rostoucí na jeho povrchu snižovaly hladiny pro-zánětlivých interleukinů. Slitiny titanu se specifickou drsností povrchu proto nejen přispívají k regulaci raného zánětu makrofágy, ale také k osseointegraci v pozdějším stádiu.
Kromě drsnosti s růstem kostí souvisí i další fyzikální vlastnosti povrchů titanových slitin, jako je smáčivost, zeta potenciál a povrchová energie. Kromě toho povlak fosforečnanu vápenatého dopovaný na 3D tištěném porézním titanu zlepšuje časnou osseointegraci a zkracuje dobu hojení. Výzkumný tým vyvinul modifikaci pasivace chemického činidla, která selektivně podporuje adsorpci proteinů a tím zvyšuje adhezi osteoblastů na titanovém povrchu, která nezahrnuje vytvoření bioaktivní vrstvy, ale mění povrchové podmínky, aby se usnadnila biofixace a zkrátila se doba růstu kosti kolem titanových implantátů.

Fyzikální a chemické vlastnosti a morfologie materiálu přímo ovlivňují smáčivost, která následně reguluje adsorpci biomolekul a uchycení buněk. Hydrofilita povrchu snižuje ulpívání bakterií (oslabením van der Waalsových sil), čímž se snižuje riziko infekce implantátu a podporuje se časná osseointegrace. Tradiční titanové slitiny jsou náchylné k napěťové okluzi a kostní resorpci díky svému vysokému modulu pružnosti a je obtížné reprodukovat vrstvenou strukturu kostní tkáně. Porézní titanový materiál snižuje modul přes strukturu pórů a posiluje kotvící efekt pomocí růstu kostí. Techniky jeho přípravy (např. slinování, 3D tisk) mohou přesně řídit velikost pórů a pórovitost propojených pórů.

Technologie 3D tisku má oproti tradiční výrobě dvojí výhody: mikroskopické přizpůsobení přirozeného modulu kosti prostřednictvím předem nastavených pórů, aby se snížilo riziko maskování a uvolňování napětí; Na makroskopické úrovni se CT skenování používá k dosažení dvojí mechanické a morfologické adaptace komplexních kostních defektů.

Nová slinutá porézní titanová slitina úspěšně simuluje neuspořádanou strukturu a modul pružnosti spongiózní kosti díky 75% porozitě. Experimenty in vitro ukázaly, že tato struktura významně podporovala adhezi a proliferaci osteoblastů a její osseointegrační výkon byl lepší než u 3D tištěného porézního titanu. Jeho strukturní charakteristiky (velikost pórů, pórovitost, prostorová distribuce atd.) ovlivňují osseointegraci prostřednictvím tří mechanismů: (1) přizpůsobení mechanických vlastností; (2) Spojení pórů pro podporu migrace kostních progenitorových buněk; (3) Optimalizujte transport živin/kyslíku a vaskulární infiltraci.

Velikost pórů a pórovitost jsou základními regulačními parametry: selektivní studie tavení laserem ukazují, že válcová velikost pórů 632 μm přispívá k růstu kostí více než 309 μm/956 μm a velikost pórů 801 μm může zlepšit počáteční stabilitu. Kritický práh ukázal, že < 400 μm bránilo pronikání do buněk, > 900 μm mělo za následek nedostatečný kontakt s kostí a rozmezí porozity 75 %-85 % bylo optimální.

Pokud jde o typ slitiny titanu, na trhu dominuje Ti6Al4V, ale existuje cytotoxické riziko uvolňování Al/V iontů. Nové slitiny jako Ti-15Ta-10.5Zr a Ti-13Nb-13Zr snižují modul při zachování pevnosti úpravou elementárního složení. Za pozornost stojí inovativní směry jako superelasticita slitin niklu a titanu a antibakteriální vlastnosti mědi/stříbra Ti6Al4V.

Současné výzvy se zaměřují na: (1) přesnou transformaci slitinové mřížkové struktury technologií aditivní výroby; (2) Je nezbytné posílit ověřování celého řetězce in vitro, in vivo a klinicky. Budoucí výzkum by se měl zaměřit na kvantitativní vztah mezi strukturálními parametry a biologickou aktivitou, aby se podpořil vývoj personalizovaných implantátů pro opravu kosti.

4. Shrnutí a výhled
Titanové slitiny se jako osazovací materiály používají od 60. let 20. století. Od té doby vědci zkoumají změny složení slitiny a povrchových vlastností, aby vyvinuli materiál s nejlepší kombinací mechanických a chemických vlastností. Různé moderní procesy zpracování, stejně jako vhodné povrchové nátěry a úpravy, k dosažení požadovaných vlastností titanových implantátů. K vývoji slitiny titanu, která je houževnatá, biokompatibilní, odolná proti korozi-a opotřebení-, je zapotřebí více zdrojů a výzkumu.
Na základě pochopení různých charakteristik titanových slitin jsou navržena různá řešení problémů vysokého modulu pružnosti a povrchové inertnosti titanových slitin a povrchová modifikace a povrchová modifikace jsou běžně používané metody pro zvýšení povrchové aktivity titanových slitin. Výroba porézních titanových slitin nejen řeší problém vysokého modulu pružnosti, ale také zvyšuje biologickou výkonnost osseointegrace. Stále však existuje mnoho problémů, které je třeba prodiskutovat a vyřešit v procesu výroby různých porézních slitin titanu. Aplikace funkcionalizovaných povlaků porézních struktur a objev trabekulárních biomimetických struktur poskytují lepší možnosti pro pokrok v biologických aplikacích titanových slitin. Do budoucna lze doufat, že při zlepšování mechanické struktury a dalších vlastností titanových slitin se bude neustále zlepšovat nanášení biologických funkčních povlaků na povrch titanových slitin a bude dosahováno nových pokroků a objevů ve zvyšování lokálního růstu kostí, osseointegrace, antibakteriálních a anti-infekcí.