Progrés de la investigació sobre l'aplicació de materials d'aliatge de titani en ortopèdia
Aliatge de titanis'ha convertit en un material d'ús habitual en la pràctica clínica ortopèdica (com ara plaques d'acer de fixació interna i articulacions artificials) a causa de les seves excel·lents propietats mecàniques i capacitat osteogènica, però té limitacions com ara la inercia del metall i l'alliberament d'ions. El nou aliatge de titani optimitza les propietats fisicoquímiques i biològiques mitjançant la ciència dels materials. Aquest article revisa el progrés de la recerca de l'aplicació ortopèdica i proporciona referència per al desenvolupament del camp.
Els materials dels implants ortopèdics són principalment metalls, entre els quals destaquen l'acer inoxidable, el cobalt i els seus aliatges, el titani i els seus aliatges, etc. Entre ells, els aliatges de titani són molt utilitzats en la pràctica clínica pels seus avantatges destacats com la biocompatibilitat, l'alta resistència, la resistència a la corrosió i la baixa densitat. En els darrers anys, molts estudiosos han dut a terme-investigacions en profunditat sobre els mètodes de processament i fabricació, la modificació de la superfície, la mida dels porus i la porositat dels aliatges de titani, amb l'objectiu de resoldre els problemes d'alt mòdul elàstic, inercia superficial i alliberament d'ions metàl·lics als quals s'enfronten els aliatges de titani en aplicacions clíniques. Aquests estudis no només ajudaran a millorar l'efecte d'aplicació biològica dels aliatges de titani, sinó que també milloraran les propietats d'osteointegració, propietats antibacterianes i propietats de seguretat in vivo. En aquest article, es revisen breument la modificació i modificació de la superfície, les propietats estructurals i els diferents tipus d'aliatges de titani d'aliatges de titani, per tal d'obtenir una comprensió-en profunditat de l'estat actual, els avantatges i els inconvenients dels aliatges de titani en aplicacions biològiques, així com el seu progrés en la investigació i les direccions de desenvolupament futures.
1. L'estructura de l'os i els avantatges i desavantatges de l'aliatge de titani
L'os té una estructura en capes a nivell macroscòpic, microscòpic i nanoescala, que conté minerals tant orgànics com inorgànics. Segons l'estructura i la densitat, es pot dividir en os trabecular i os cortical. L'os trabecular està format per una xarxa porosa amb una porositat del 50% ~ 90% i un mòdul elàstic de 0,02 ~ 2 GPa, mentre que l'os cortical és sòlid, amb una porositat del 3% ~ 5% i un mòdul elàstic de 3 ~ 30 GPa. L'os està canviant constantment a causa de les diferents pressions aplicades, de manera que qualsevol desajust de mòdul entre l'implant i l'os pot provocar una reabsorció òssia associada a la llei de Wolff. L'implant ortopèdic ideal ha d'afavorir la regeneració òssia a la zona danyada alhora que restaura la funció física de l'os. En general, haurien d'estar propers als ossos naturals i regits per les següents propietats bàsiques:
(1) Biocompatibilitat;
(2) propietats mecàniques coincidents;
(3) Estructura altament porosa.
A més, les propietats antibacterianes també són importants.
En ortopèdia, els implants de titani s'utilitzen en una àmplia gamma d'aplicacions, com ara substitucions de pròtesis de maluc i genoll per al tractament de diversos tipus d'artritis, dispositius de fusió espinal per garantir l'estabilitat de vèrtebres degeneratives i inestables i diversos dispositius de fixació de fractures, com ara plaques metàl·liques, cargols i claus intramedul·lars. A mesura que el nombre de procediments d'implantació continua augmentant, els pacients s'enfronten a molts riscos com ara infecció bacteriana, mala osteointegració i inflamació asèptica. Tot i que els aliatges de titani són coneguts per la seva excel·lent biocompatibilitat i resistència a la corrosió, no es poden ignorar els seus possibles inconvenients: en primer lloc, els implants d'aliatge de titani no tractats tenen una superfície biològicament inert, que afecta la seva interacció amb els organismes vius; en segon lloc, l'aliatge de titani en si no té propietats antibacterianes; En tercer lloc, malgrat la seva bona biocompatibilitat, un cop danyada la pel·lícula d'òxid a la superfície, es poden alliberar ions metàl·lics nocius al torrent sanguini, cosa que pot causar greus problemes de salut.
2. Modificació superficial i modificació d'aliatge de titani
La mala cicatrització òssia precoç a la interfície-de l'implant òssia es considera una de les principals causes de fracàs postoperatori. En els últims anys, el desenvolupament de la tecnologia de modificació de superfícies ha proporcionat noves idees per resoldre els problemes anteriors. Els investigadors afegeixen determinades substàncies a la superfície dels aliatges de titani per aconseguir efectes anti-infeccions, osteogènics, resistents al desgast-, resistents a la corrosió- i anti-oxidació. Les tècniques de modificació química de la superfície inclouen l'anodització, l'oxidació de micro-arc, la deposició electroforètica, la deposició química de vapor, l'escalfament alcalí i la deposició de la capa atòmica.
En formar enllaços químics, s'uneixen noves substàncies amb fortes forces d'enllaç. A més, la tecnologia de modificació química de superfícies s'ha adaptat a implants amb formes complexes, la qual cosa té grans perspectives d'aplicació en la modificació d'aliatges de titani d'impressió 3D. A diferència dels mètodes químics, la tecnologia de modificació de superfícies físiques no canvia les propietats químiques dels materials, sinó que es basa en làser, partícules d'alta-energia, ultrasons i altres tecnologies per modificar l'aspecte superficial i la morfologia microscòpica dels aliatges de titani.
Les tècniques tradicionals de sorra augmenten la rugositat superficial dels aliatges de titani, millorant l'estabilitat primerenca dels implants. El làser és una tecnologia relativament nova que canvia l'estructura dels materials a nivell nanòmetre i micròmetre. Branemark et al. va utilitzar la tecnologia làser per modificar la superfície de l'implant en un lloc específic i després el va col·locar a la tíbia i el fèmur, i els resultats van mostrar que aquesta tècnica millorava l'ancoratge de la interfície-de l'implant òssia. Gittens et al. va desenvolupar un mètode de modificació de la superfície per produir característiques a nanoescala en plaques de titani, donant lloc a una millora de la diferenciació dels osteoblasts. L'estructura porosa de titani estava recoberta de gelatina multicapa i quitosà que contenia proteïna morfogenètica òssia o vancomicina, que presentava una forta activitat antimicrobiana contra bacteris planctònics i adherents.
Entre els diferents recobriments superficials, la hidroxiapatita per polvorització de plasma (HA) és la més utilitzada a causa dels seus avantatges com la facilitat d'operació i el baix preu. A més, l'oxidació de micro-arc, el tractament hidrotermal, la deposició electroforètica i altres tecnologies poden formar revestiments d'HA amb èxit a les superfícies poroses de titani. Els estudis han comparat els recobriments d'HA amb polvorització de plasma amb els recobriments d'HA dipositats electroquímicament, i els resultats mostren que aquests últims tenen una rugositat i humectabilitat superficials més elevades.
La biocompatibilitat es pot millorar revestint ceràmica i altres òxids de metalls alcalins. Urbanski et al. [18] va recobrir Ti6Al4V amb diòxid de titani i sílice i el va col·locar al fèmur de rates, i va trobar que la resposta inflamatòria del material era lleu. Un nou mètode és recobrir els aliatges de titani amb residus agrícoles com la cendra de la closca d'arròs, la cendra de la fulla de la canya de sucre, els cacauets i les closques de blat de moro, ja que aquests materials contenen grans quantitats d'òxids de sílice i altres nanopartícules o micropartícules relacionades. Aquest mètode s'ha utilitzat en biovidre i ceràmica, on s'utilitzen closques d'arròs en lloc de sílice com a recobriment per al biovidre.
3. Característiques estructurals de l'aliatge de titani
La superfície rugosa del material atrau més cèl·lules inflamatòries per adherir-se, com els macròfags, que es coneix com el fenomen de la "rugositat". Es va trobar que la rugositat mitjana del material era de 0,51 ~ 1,36 μm, cosa que podria promoure la polarització dels macròfags adherents al fenotip M2. Olivares-Navarrete et al. va trobar que el Ti6Al4V en una superfície rugosa millorava l'entorn inflamatori local en comparació amb el Ti6Al4V amb una superfície llisa, i les cèl·lules que creixen a la seva superfície reduïen els nivells d'interleucina pro-inflamatòria. Per tant, els aliatges de titani amb rugositat superficial específica no només afavoreixen la regulació de la inflamació primerenca dels macròfags, sinó també l'osteointegració en l'etapa posterior.
A més de la rugositat, altres propietats físiques de les superfícies d'aliatge de titani també estan relacionades amb el creixement ossi, com ara la humectabilitat, el potencial zeta i l'energia superficial. A més, el recobriment de fosfat de calci dopat en titani porós imprès en 3D millora l'osteointegració primerenca i escurça el temps de curació. Un equip d'investigació ha desenvolupat una modificació de passivació d'agents químics que promou selectivament l'adsorció de proteïnes i, per tant, millora l'adhesió dels osteoblasts a la superfície de titani, que no implica formar una capa bioactiva, sinó que altera les condicions de la superfície per facilitar la biofixació i escurçar el temps de creixement ossi al voltant dels implants de titani.
Les propietats físiques i químiques i la morfologia del material afecten directament la humectabilitat, que al seu torn regula l'adsorció de biomolècules i la fixació cel·lular. La hidrofilicitat superficial redueix l'adhesió bacteriana (afeblint les forces de van der Waals), reduint així el risc d'infecció de l'implant i afavorint l'osteointegració primerenca. Els aliatges tradicionals de titani són propensos a l'oclusió d'estrès i a la reabsorció òssia a causa del seu alt mòdul elàstic, i és difícil reproduir l'estructura en capes del teixit ossi. El material de titani porós redueix el mòdul a través de l'estructura del porus i millora l'efecte d'ancoratge amb l'ajuda del creixement ossi. Les seves tècniques de preparació (per exemple, sinterització, impressió 3D) poden controlar amb precisió la mida dels porus i la porositat dels porus interconnectats.
La tecnologia d'impressió 3D té dos avantatges respecte a la fabricació tradicional: la combinació microscòpica del mòdul ossi natural a través dels porus preestablerts per reduir el risc d'emmascarament i afluixament de l'estrès; A nivell macroscòpic, la TAC s'utilitza per aconseguir una adaptació dual mecànica i morfològica de defectes ossis complexos.
El nou aliatge de titani porós sinteritzat simula amb èxit l'estructura desordenada i el mòdul elàstic de l'os esponjoso mitjançant un disseny de porositat del 75%. Els experiments in vitro van demostrar que aquesta estructura va promoure significativament l'adhesió i la proliferació d'osteoblasts, i el seu rendiment d'osteointegració era millor que el del titani porós imprès en 3D. Les seves característiques estructurals (mida dels porus, porositat, distribució espacial, etc.) afecten l'osteointegració mitjançant tres mecanismes: (1) adaptació de propietats mecàniques; (2) Connectar els porus per promoure la migració de les cèl·lules progenitores òssies; (3) Optimitzar el transport de nutrients/oxigen i la infiltració vascular.
La mida dels porus i la porositat són els paràmetres reguladors bàsics: els estudis selectius de fusió làser mostren que la mida del porus cilíndric de 632 μm és més favorable al creixement ossi que 309 μm/956 μm, i la mida del porus de 801 μm pot millorar l'estabilitat inicial. El llindar crític va mostrar que < 400 μm dificultava la penetració cel·lular, > 900 μm van donar lloc a un contacte ossi insuficient i el rang de porositat del 75% al 85% era òptim.
Pel que fa al tipus d'aliatge de titani, Ti6Al4V domina el mercat, però hi ha un risc citotòxic d'alliberament d'ions Al/V. Els nous aliatges com el Ti-15Ta-10,5Zr i el Ti-13Nb-13Zr redueixen el mòdul alhora que mantenen la resistència ajustant la composició elemental. Val la pena prestar atenció a direccions innovadores com la superelasticitat dels aliatges de níquel-titani i les propietats antibacterianes del coure/plata Ti6Al4V.
Els reptes actuals se centren en: (1) la transformació precisa de l'estructura de gelosia d'aliatge mitjançant la tecnologia de fabricació additiva; (2) Cal reforçar la verificació de tota la cadena d'in vitro, in vivo i clínica. Les futures investigacions haurien de centrar-se en la relació quantitativa entre els paràmetres estructurals i l'activitat biològica per promoure el desenvolupament d'implants de reparació òssia personalitzada.
4. Resum i perspectives
Els aliatges de titani s'han utilitzat com a materials de col·locació des de la dècada de 1960. Des de llavors, els estudiosos han estat investigant l'alteració de la composició de l'aliatge i les propietats de la superfície per desenvolupar un material amb la millor combinació de propietats mecàniques i químiques. Diferents processos de processament moderns, així com recobriments i modificacions superficials adequats, per aconseguir les propietats desitjades dels implants de titani. Es necessiten més recursos i investigacions per desenvolupar un aliatge de titani que sigui resistent, biocompatible, resistent a la corrosió-i al desgast-.
Mitjançant la comprensió de les diferents característiques dels aliatges de titani, es proposen diferents solucions per als problemes d'alt mòdul elàstic i inercia superficial dels aliatges de titani, i la modificació de la superfície i la modificació de la superfície són mètodes habituals per augmentar l'activitat superficial dels aliatges de titani. La fabricació d'aliatges de titani porós no només resol el problema de l'alt mòdul elàstic, sinó que també augmenta el rendiment biològic de l'osteointegració. Tanmateix, encara hi ha molts problemes que cal discutir i resoldre en el procés de producció de diversos aliatges de titani porós. L'aplicació de recobriments funcionalitzats d'estructures poroses i el descobriment d'estructures biomimètiques trabeculars ofereixen millors opcions per a l'avenç de les aplicacions biològiques dels aliatges de titani. En el futur, s'espera que, mentre es millora l'estructura mecànica i altres propietats dels aliatges de titani, l'aplicació de recobriments funcionals biològics a la superfície d'aliatges de titani es millori contínuament i es facin nous progrés i descobriments per augmentar el creixement òssia local, l'osteointegració, els bacteris i les infeccions anti{4}.
