Ymchwil a datblygu deunyddiau a thechnolegau aloi titaniwm gwrthfacterol

1 Rhagymadrodd

Mae gan ditaniwm (Ti) a'i aloion nodweddion dwysedd isel, cryfder uchel, a gwrthiant cyrydiad rhagorol, ac fe'u defnyddiwyd yn wreiddiol yn y diwydiant hedfan. Yn gynnar yn y 1940au, cyflwynwyd titaniwm a'i aloion i'r maes meddygol am y tro cyntaf. Ar ôl mwy na hanner canrif o ddatblygiad, mae titaniwm pur ac aloi Ti6A14V, fel y deunyddiau metel meddygol mwyaf cynrychioliadol sy'n seiliedig ar ditaniwm, wedi'u defnyddio mewn llawer o glinigau meddygol, yn enwedig ym meysydd orthopaedeg a deintyddiaeth, gan ddisodli dur di-staen a seiliedig ar cobalt. aloion mewn symiau mawr. Fodd bynnag, mae aloi titaniwm yn fath o ddeunydd anadweithiol yn fiolegol nad oes ganddo briodweddau gwrthfacterol ac sy'n ddi-rym yn erbyn problemau heintiau a achosir gan fewnblaniadau. Ar hyn o bryd, mae sputtering magnetron, dyddodiad electrocemegol, mewnblannu ïon, ocsidiad micro-arc a dulliau eraill yn cael eu defnyddio fel arfer i lwytho asiantau gwrthfacterol anorganig neu organig ar wyneb aloion titaniwm meddygol, a thrwy hynny roi priodweddau gwrthfacterol iddynt. Mae manteision haenau gwrthfacterol a baratowyd trwy addasu wyneb yn amlwg, ond mae diffygion o hyd, megis y broses cotio gymharol gymhleth, costau cynhyrchu cynyddol, bondio gwael rhwng y cotio a'r swbstrad, gwisgo'r cotio yn hawdd, a hirdymor gwael. perfformiad gwrthfacterol aros. Mewn ymateb i'r problemau haint a achosir gan aloion titaniwm wedi'u mewnblannu a diffyg haenau gwrthfacterol, mae pobl wedi dechrau ceisio datblygu aloion titaniwm gwrthfacterol newydd gyda'u swyddogaethau gwrthfacterol eu hunain trwy addasu'r cyfansoddiad aloi.

2. mecanwaith gwrthfacterol aloi titaniwm gwrthfacterol

Mae lledaeniad bacteria yn gysylltiedig yn agos â ffurfio bioffilmiau bacteriol. Dangosir proses ffurfio bioffilmiau bacteriol yn Ffigur 1. Mae bacteria planctonig yn tyfu ac yn lluosi ar ôl glanio ar y matrics deunydd, gan ffurfio biofilm bacteriol. Mae wyneb y biofilm yn haen o fatrics allgellog trwchus. Mae gan yr haen hon o fatrics allgellog strwythur cadarn a chryfder uchel. Mae'r bacteria sydd wedi'u lapio y tu mewn mewn cysylltiad agos, sy'n gwella'r rhyngweithio a'r cyfnewid deunydd rhwng bacteria, tra'n atal mynediad sylweddau niweidiol allanol. Felly, ar ôl i biofilm gael ei ffurfio, nid yw gwrthfiotigau, cadwolion a chemegau allanol eraill yn tarfu arno'n hawdd, felly mae'n anodd cael ei ddileu gan wrthfiotigau a ddefnyddir yn gyffredin.

Ffigur 1 Proses ffurfio biofilm bacteriol

Gellir rhannu'r mecanwaith gwrthfacterol o aloion titaniwm gwrthfacterol yn y pedwar cam canlynol: ① Mae'r wyneb metel gwrthfacterol yn rhyddhau ïonau metel â swyddogaethau gwrthfacterol; ② Mae celloedd bacteriol â gwefr negyddol ac ïonau metel â gwefr bositif yn cael eu denu at ei gilydd, ac mae'r ïonau metel yn cael eu hamsugno i'r bacteria ③ Mae ïonau metel yn dinistrio wal gell a cellbilen bacteria, neu'n dinistrio eu strwythur protein, gan achosi i'r cytoplasm ollwng; ④ Mae ïonau metel yn treiddio ymhellach i'r cellfur bacteriol ac yn cyfuno â DNA bacteriol, gan arwain at ddadnatureiddio bacteriol a cholli gallu atgynhyrchu. P'un a yw'n ddifrod i'r wal gell neu ddeunydd genetig, bydd y bacteria yn marw.

3. Cynnydd ymchwil

3.1 Ti-Ag aloi titaniwm gwrthfacterol

Gall Arian (Ag), fel elfen aloi, wella ymwrthedd cyrydiad a phriodweddau mecanyddol metelau sy'n seiliedig ar ditaniwm. Mae Takahashi et al. canfuwyd y gall ychwanegu 20wt% Ag wella cryfder a gwisgo ymwrthedd aloion titaniwm bwrw tra'n cynnal elongation uchel. Mae Shim et al. profi bod gan aloi Ti-Ag ymwrthedd cyrydiad gwell na thitaniwm pur. Mae gan Ag hefyd biocompatibility da, ac mae aloi Ag-Hg wedi'i ddefnyddio fel deunydd deintyddol. Mae llawer o astudiaethau wedi cadarnhau priodweddau gwrthfacterol rhagorol haenau sy'n cynnwys Ag. Felly, trwy ychwanegu Ag priodol i ditaniwm a'i aloion, mae'n bosibl cael aloion titaniwm sy'n cynnwys Ag gyda rhai eiddo gwrthfacterol. Fodd bynnag, er bod y cynnwys Ag mewn rhai aloion Ti-Ag yn uchel iawn, hyd yn oed yn cyrraedd 20wt%, nid ydynt yn dangos effeithiau gwrthfacterol sylweddol, sy'n nodi nad yw effeithiau gwrthfacterol aloion titaniwm sy'n cynnwys Ag yn cael eu pennu gan y cynnwys Ag yn unig.

Mae Zheng et al. ychwanegodd 2.9wt% Ag i aloi cof siâp TiNi, a dangosodd y cast aloi TiNi a gafwyd eiddo gwrthfacterol penodol, a chyrhaeddodd y gyfradd gwrthfacterol yn erbyn Staphylococcus aureus 86.3%. Roedd Chen et al. defnyddio powdr Ag gyda gwahanol gynnwys a meintiau gronynnau gwahanol i sinter ynghyd â phowdr titaniwm pur i gael cyfres o aloion Ti-xAg (x=1,3,5). Eu priodweddau mecanyddol, priodweddau cyrydiad, priodweddau gwrthfacterol a chyfnod celloedd in vitro Cafodd y cynhwysedd ei nodweddu a'i werthuso. Fel y dangosir yn Ffigur 2, mae gweithgaredd gwrthfacterol yr aloi Ti-Ag gyda maint gronynnau Ag o 10 μm yn uwch na'r aloi Ti-Ag gyda maint gronynnau Ag o 75 μm. Yn groes i gyfraith rhyddhau ïon Ag, yr aloi Ti-Ag gyda maint gronynnau Ag o 10 μm Mae swm rhyddhau ïon yr aloi yn is na'r aloi Ti-Ag gyda maint gronynnau powdr Ag o 75 μm, gan nodi y dylai perfformiad gwrthfacterol yr aloi Ti-Ag fod â chysylltiad agos â'r gronynnau arian cyfansawdd nano / micron sy'n bresennol ar y matrics.

Ffigur 2 Cytrefi bacteriol ar wyneb aloi Ti a Ti-Ag pur

3.2 Ti-Cu aloi titaniwm gwrthfacterol

Yn 2009, Shirai et al. astudiodd gyntaf effaith gwrthfacterol aloi Ti-xCu(x=1,5). Dangosodd y canlyniadau fod gan Ti-1Cu briodweddau gwrthfacterol sylweddol yn erbyn E. coli a bod ganddo ddiogelwch biolegol da, gan agor y bwlch rhwng bacteria sy'n cynnwys copr ac mae aloion Titaniwm yn llen ar gyfer ymchwil meddygol i ddeunyddiau metel. Yn dilyn hynny, mae Zhang et al. defnyddio meteleg powdr i baratoi aloi Ti-10wt% Cu, ac astudio priodweddau gwrthfacterol, priodweddau mecanyddol a phriodweddau cyrydiad yr aloi. Fel y dangosir yn Ffigur 3, mae Ti-10 aloi Cu yn gallu gwrthsefyll Staphylococcus aureus a Staphylococcus aureus. Mae gan E. coli effeithiau lladd sylweddol. Mae canlyniadau'r prawf mewnblannu mewngroesol o aloi Ti-10Cu yn dangos bod gan aloi Ti-10Cu gydnawsedd celloedd esgyrn da. Mae canlyniadau ymchwil pellach yn dangos y bydd ychwanegu o leiaf 5% Cu i ditaniwm yn cael effaith gwrthfacterol sylweddol. At ddibenion gwrthfacterol a gwrth-haint, mae Sefydliad Ymchwil Metel, Academi y Gwyddorau Tsieineaidd wedi datblygu cyfres o aloion titaniwm sy'n cynnwys copr gyda swyddogaethau gwrthfacterol, ac wedi cynnal nifer fawr o ymchwil arbrofol anifeiliaid in vitro ac in vivo. Mae hydoddedd solet Cu yn Ti yn isel iawn. Pan gaiff ei oeri o dymheredd uchel i 790 gradd, mae Cu supersaturated yn gwaddodi fel cyfansoddyn rhyngfetelaidd Ti2Cu. Bydd y gwahaniaeth posibl rhyngddo a'r matrics yn hyrwyddo'r aloi i ryddhau symiau hybrin o ïonau copr mewn amgylchedd ffisiolegol. , a thrwy hynny gael effaith bactericidal cryf.

Ffigur 3 Effaith ladd Ti-10Cu ar Staphylococcus aureus ac Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu aloi titaniwm gwrthfacterol

Mae Peng et al. cynnal optimeiddio perfformiad cynhwysfawr ar yr aloi Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) a broseswyd yn thermol. Mae canlyniadau'r ymchwil yn dangos, er mwyn cael yr eiddo mecanyddol gorau, ymwrthedd cyrydiad a gwrthsefyll gwisgo'r aloi, bod y prosesau trin gwres gorau posibl ar ôl prosesu thermol y tri grŵp o aloion i'w dal ar 720 gradd, 740 gradd a 760 gradd ar gyfer 1 awr ac yna aer-oer. Yn Ffigur 4, cânt eu cynrychioli gan 4.5Cu-720, 6Cu-740 a 7.5Cu-760 yn y drefn honno. Dangosir canlyniadau prawf gwrthfacterol a phrofion cytotoxicity y tri grŵp o aloion yn Ffigur 4. O Ffigur 4(a)-(d), gellir gweld bod mwy o gytrefi bacteriol ar ôl cyd-ddiwylliant ag aloi Ti6Al4V, ac ar ôl cyd-ddiwylliant ag aloi Ti6A14V-Cu Mae nifer y cytrefi bacteriol yn fach, sy'n dangos bod gan yr aloi titaniwm sy'n cynnwys copr briodweddau gwrthfacterol cryf. Mae Ffigur 4(e) yn dangos cyfradd gwrthfacterol aloi Ti6Al4V-xCu. Gellir gweld bod cyfradd gwrthfacterol y sampl 4.5Cu{-720 tua 80%. Wrth i'r cynnwys Cu gynyddu, mae cyfradd gwrthfacterol yr aloi yn cynyddu ychydig, sy'n dangos bod y perfformiad gwrthfacterol wedi gwella. Fel y gwelir yn Ffigur 4(f), wrth gyd-ddiwyllio â chelloedd am 1 a 3 diwrnod, nid yw gwerthoedd amsugno aloi Ti6A14V-Cu ac aloi Ti6A14V yn llawer gwahanol; ond ar 7 diwrnod, mae gwerth 7.5Cu-760 yn sylweddol is na gwerth aloi Ti6A14V, sy'n dangos bod ganddo sytowenwyndra penodol ar 7 diwrnod. Gellir gweld, ar gyfer aloi Ti6A14V-xCu, na ddylai'r cynnwys Cu fod yn uwch na 6%, fel arall bydd yr aloi yn dangos rhywfaint o sytowenwyndra ar ôl amser hir.

Ffigur 4 Ti6A14V (a) 4.5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7.5Cu-760; (ch) Morffoleg twf bacteriol ar ôl cyd-ddiwylliant aloi; (e) Cymharu cyfraddau gwrthfacterol aloi Ti6Al4V; (f) Gwerthoedd amsugno celloedd sydd wedi'u cyd-ddiwyllio â gwahanol aloion am 1, 3 a 7 diwrnod