Έρευνα για την Εφαρμογή Υλικών από Κράμα Τιτανίου στην Ορθοπεδική

Κράμα τιτανίουέχει γίνει ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό στην ορθοπεδική κλινική πρακτική (όπως χαλύβδινες πλάκες εσωτερικής στερέωσης και τεχνητές αρθρώσεις) λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων και της οστεογονικής του ικανότητας, αλλά έχει περιορισμούς όπως η αδράνεια μετάλλου και η απελευθέρωση ιόντων. Το νέο κράμα τιτανίου βελτιστοποιεί τις φυσικοχημικές και βιολογικές ιδιότητες μέσω της επιστήμης των υλικών. Αυτό το άρθρο εξετάζει την ερευνητική πρόοδο της ορθοπεδικής εφαρμογής και παρέχει αναφορά για την ανάπτυξη του πεδίου.

Τα υλικά των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων είναι κυρίως μέταλλα, συμπεριλαμβανομένου του ανοξείδωτου χάλυβα, του κοβαλτίου και των κραμάτων του, του τιτανίου και των κραμάτων του κ.λπ. Τα τελευταία χρόνια, πολλοί μελετητές έχουν διεξαγάγει σε βάθος έρευνα σχετικά με τις μεθόδους επεξεργασίας και κατασκευής, την τροποποίηση της επιφάνειας, το μέγεθος πόρων και το πορώδες των κραμάτων τιτανίου, με στόχο να λύσουν τα προβλήματα υψηλού συντελεστή ελαστικότητας, επιφανειακής αδράνειας και απελευθέρωσης μεταλλικών ιόντων που αντιμετωπίζουν τα κράματα τιτανίου σε κλινικές εφαρμογές. Αυτές οι μελέτες όχι μόνο θα βοηθήσουν στη βελτίωση της επίδρασης της βιολογικής εφαρμογής των κραμάτων τιτανίου, αλλά θα ενισχύσουν επίσης τις ιδιότητες οστεοενσωμάτωσης, τις αντιβακτηριακές ιδιότητες και τις ιδιότητες ασφάλειας in vivo. Σε αυτό το άρθρο, η επιφανειακή τροποποίηση και τροποποίηση, οι δομικές ιδιότητες και οι διάφοροι τύποι κραμάτων τιτανίου των κραμάτων τιτανίου εξετάζονται εν συντομία, προκειμένου να κατανοηθεί σε βάθος η τρέχουσα κατάσταση, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των κραμάτων τιτανίου σε βιολογικές εφαρμογές, καθώς και η ερευνητική τους πρόοδος και οι μελλοντικές κατευθύνσεις ανάπτυξης.

1. Η δομή του οστού και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του κράματος τιτανίου
Το οστό έχει μια πολυεπίπεδη δομή σε μακροσκοπικά, μικροσκοπικά και νανοκλίμακα επίπεδα, που περιέχει τόσο οργανικά όσο και ανόργανα μέταλλα. Σύμφωνα με τη δομή και την πυκνότητα, μπορεί να χωριστεί σε δοκιδωτό οστό και φλοιώδες οστό. Το δοκιδωτό οστό αποτελείται από ένα πορώδες δίκτυο με πορώδες 50%~90% και μέτρο ελαστικότητας 0,02~2 GPa, ενώ το φλοιώδες οστό είναι συμπαγές, με πορώδες 3%~5% και μέτρο ελαστικότητας 3~30 GPa. Το οστό αλλάζει συνεχώς λόγω των διαφορετικών πιέσεων που εφαρμόζονται, επομένως οποιαδήποτε αναντιστοιχία συντελεστή μεταξύ του εμφυτεύματος και του οστού μπορεί να οδηγήσει σε οστική απορρόφηση που σχετίζεται με το νόμο του Wolff. Το ιδανικό ορθοπεδικό εμφύτευμα θα πρέπει να προάγει την οστική αναγέννηση στην κατεστραμμένη περιοχή ενώ αποκαθιστά τη φυσική λειτουργία του οστού. Γενικά, θα πρέπει να είναι κοντά στα φυσικά οστά και να διέπονται από τις ακόλουθες βασικές ιδιότητες:
(1) Βιοσυμβατότητα.
(2) αντιστοίχιση μηχανικών ιδιοτήτων.
(3) Πολύ πορώδης δομή.
Επιπλέον, οι αντιβακτηριδιακές ιδιότητες είναι επίσης σημαντικές.

Στην ορθοπεδική, τα εμφυτεύματα τιτανίου χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των αντικαταστάσεων ισχίου και γονάτου για τη θεραπεία διαφόρων τύπων αρθρίτιδας, συσκευές σπονδυλικής σύντηξης για τη διασφάλιση της σταθερότητας των εκφυλιστικών και ασταθών σπονδύλων και διάφορες συσκευές στερέωσης καταγμάτων, όπως μεταλλικές πλάκες, βίδες και ενδομυελικές ίνες. Καθώς ο αριθμός των διαδικασιών εμφύτευσης συνεχίζει να αυξάνεται, οι ασθενείς αντιμετωπίζουν πολλούς κινδύνους όπως βακτηριακή μόλυνση, κακή οστεοενσωμάτωση και άσηπτη φλεγμονή. Αν και τα κράματα τιτανίου είναι γνωστά για την εξαιρετική βιοσυμβατότητά τους και την αντοχή τους στη διάβρωση, τα πιθανά μειονεκτήματά τους δεν μπορούν να αγνοηθούν: πρώτον, τα μη επεξεργασμένα εμφυτεύματα από κράμα τιτανίου έχουν βιολογικά αδρανή επιφάνεια, επηρεάζοντας την αλληλεπίδρασή τους με τους ζωντανούς οργανισμούς. δεύτερον, το ίδιο το κράμα τιτανίου δεν έχει αντιβακτηριακές ιδιότητες. Τρίτον, παρά την καλή βιοσυμβατότητά του, μόλις καταστραφεί το φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια, μπορεί να απελευθερωθούν επιβλαβή μεταλλικά ιόντα στην κυκλοφορία του αίματος, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα υγείας.

2. Τροποποίηση επιφάνειας και τροποποίηση κράματος τιτανίου
Η κακή πρώιμη επούλωση των οστών στη διεπαφή των οστών-εμφυτευμάτων θεωρείται μία από τις κύριες αιτίες μετεγχειρητικής αποτυχίας. Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη της τεχνολογίας τροποποίησης επιφάνειας έχει δώσει νέες ιδέες για την επίλυση των παραπάνω προβλημάτων. Οι ερευνητές προσθέτουν ορισμένες ουσίες στην επιφάνεια των κραμάτων τιτανίου για να επιτύχουν αντι-μολυσματικά, οστεογονικά,-ανθεκτικά στη φθορά,-ανθεκτικά στη διάβρωση και αντιοξειδωτικά αποτελέσματα. Οι τεχνικές χημικής τροποποίησης επιφάνειας περιλαμβάνουν ανοδίωση, μικρο-οξείδωση τόξου, ηλεκτροφορητική εναπόθεση, εναπόθεση χημικών ατμών, θέρμανση με αλκάλια και εναπόθεση ατομικού στρώματος.
Με το σχηματισμό χημικών δεσμών, προσκολλώνται νέες ουσίες με ισχυρές δυνάμεις σύνδεσης. Επιπλέον, η τεχνολογία χημικής τροποποίησης επιφάνειας έχει προσαρμοστεί σε εμφυτεύματα με πολύπλοκα σχήματα, η οποία έχει μεγάλες προοπτικές εφαρμογής στην τροποποίηση κραμάτων τιτανίου τρισδιάστατης εκτύπωσης. Σε αντίθεση με τις χημικές μεθόδους, η τεχνολογία τροποποίησης της φυσικής επιφάνειας δεν αλλάζει τις χημικές ιδιότητες των υλικών, αλλά βασίζεται σε λέιζερ, σωματίδια υψηλής{3} ενέργειας, υπερήχους και άλλες τεχνολογίες για την τροποποίηση της εμφάνισης της επιφάνειας και της μικροσκοπικής μορφολογίας των κραμάτων τιτανίου.
Οι παραδοσιακές τεχνικές αμμοβολής αυξάνουν την επιφανειακή τραχύτητα των κραμάτων τιτανίου, βελτιώνοντας την πρώιμη σταθερότητα των εμφυτευμάτων. Το λέιζερ είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία που αλλάζει τη δομή των υλικών σε επίπεδα νανομέτρων και μικρομέτρων. Οι Brane⁃mark et al. χρησιμοποίησε τεχνολογία λέιζερ για την επιφανειακή τροποποίηση του εμφυτεύματος σε ένα συγκεκριμένο σημείο και, στη συνέχεια, τοποθέτησε στην κνήμη και το μηριαίο οστό, και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αυτή η τεχνική βελτίωσε την αγκύρωση της διεπαφής του οστού-του εμφυτεύματος. Οι Gittens et al. ανέπτυξε μια μέθοδο τροποποίησης επιφάνειας για την παραγωγή χαρακτηριστικών σε νανοκλίμακα σε πλάκες τιτανίου, οδηγώντας σε ενισχυμένη διαφοροποίηση οστεοβλαστών. Η πορώδης δομή τιτανίου επικαλύφθηκε με πολυστρωματική ζελατίνη και χιτοζάνη που περιείχε μορφογενετική πρωτεΐνη οστών ή βανκομυκίνη, η οποία εμφάνισε ισχυρή αντιμικροβιακή δράση έναντι πλαγκτονικών και προσκολλημένων βακτηρίων.

Μεταξύ των διαφόρων επιφανειακών επικαλύψεων, ο υδροξυαπατίτης ψεκασμού πλάσματος (ΗΑ) είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος λόγω των πλεονεκτημάτων του, όπως η ευκολία λειτουργίας και η χαμηλή τιμή. Επιπλέον, η μικρο-οξείδωση τόξου, η υδροθερμική επεξεργασία, η ηλεκτροφορητική εναπόθεση και άλλες τεχνολογίες μπορούν να σχηματίσουν επιτυχώς επικαλύψεις HA σε πορώδεις επιφάνειες τιτανίου. Μελέτες συνέκριναν επικαλύψεις ΗΑ που ψεκάζονται με πλάσμα με επιστρώσεις ΗΑ που έχουν εναποτεθεί ηλεκτροχημικά και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η τελευταία έχει υψηλότερη τραχύτητα επιφάνειας και διαβρεξιμότητα.
Η βιοσυμβατότητα μπορεί να βελτιωθεί με την επίστρωση κεραμικών και άλλων οξειδίων μετάλλων αλκαλίων. Οι Urbanski et al. [18] επικάλυψε το Ti6Al4V με διοξείδιο του τιτανίου και πυρίτιο και το τοποθέτησε στο μηριαίο οστό των αρουραίων και διαπίστωσε ότι η φλεγμονώδης απόκριση του υλικού ήταν ήπια. Μια νέα μέθοδος είναι η επίστρωση κραμάτων τιτανίου με γεωργικά απόβλητα όπως τέφρα φλοιού ρυζιού, τέφρα φύλλων ζαχαροκάλαμου, φιστίκια και φλοιοί καλαμποκιού, καθώς αυτά τα υλικά περιέχουν μεγάλες ποσότητες οξειδίων του πυριτίου και άλλα σχετικά νανοσωματίδια ή μικροσωματίδια. Αυτή η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί σε βιογυαλί και κεραμικά, όπου χρησιμοποιούνται φλοιοί ρυζιού αντί για διοξείδιο του πυριτίου ως επικάλυψη για το βιογυαλί.
3. Δομικά χαρακτηριστικά του κράματος τιτανίου
Η τραχιά επιφάνεια του υλικού προσελκύει περισσότερα φλεγμονώδη κύτταρα για να προσκολληθούν, όπως τα μακροφάγα, το οποίο είναι γνωστό ως το φαινόμενο της «τραχύτητας». Διαπιστώθηκε ότι η μέση τραχύτητα του υλικού ήταν 0,51~1,36μm, γεγονός που θα μπορούσε να προωθήσει την πόλωση των προσκολλημένων μακροφάγων στον φαινότυπο Μ2. Olivares-Navarrete et al. διαπίστωσε ότι το Ti6Al4V σε μια τραχιά επιφάνεια βελτίωσε το τοπικό φλεγμονώδες περιβάλλον σε σύγκριση με το Ti6Al4V με λεία επιφάνεια και τα κύτταρα που αναπτύσσονταν στην επιφάνειά του μείωσαν τα επίπεδα προ{11}}φλεγμονώδους ιντερλευκίνης. Επομένως, τα κράματα τιτανίου με ειδική τραχύτητα επιφάνειας δεν συμβάλλουν μόνο στη ρύθμιση της πρώιμης φλεγμονής από τα μακροφάγα, αλλά και στην οστεοενσωμάτωση στο μεταγενέστερο στάδιο.
Εκτός από την τραχύτητα, άλλες φυσικές ιδιότητες των επιφανειών από κράμα τιτανίου σχετίζονται επίσης με την ανάπτυξη των οστών, όπως η διαβρεξιμότητα, το δυναμικό ζήτα και η επιφανειακή ενέργεια. Επιπλέον, η επίστρωση φωσφορικού ασβεστίου που έχει προστεθεί σε τρισδιάστατο εκτυπωμένο πορώδες τιτάνιο ενισχύει την πρώιμη οστεοενσωμάτωση και συντομεύει τον χρόνο επούλωσης. Μια ερευνητική ομάδα έχει αναπτύξει μια τροποποίηση παθητικοποίησης χημικού παράγοντα που προάγει επιλεκτικά την προσρόφηση πρωτεϊνών και ως εκ τούτου ενισχύει την προσκόλληση των οστεοβλαστών στην επιφάνεια του τιτανίου, η οποία δεν συνεπάγεται σχηματισμό βιοενεργού στρώματος, αλλά μεταβάλλει τις συνθήκες της επιφάνειας για να διευκολύνει τη βιοκαθήλωση και να συντομεύσει τον χρόνο ανάπτυξης των οστών γύρω από τα εμφυτεύματα τιτανίου.

Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες και η μορφολογία του υλικού επηρεάζουν άμεσα τη διαβρεξιμότητα, η οποία με τη σειρά της ρυθμίζει την προσρόφηση των βιομορίων και την προσκόλληση των κυττάρων. Η υδροφιλία της επιφάνειας μειώνει τη βακτηριακή πρόσφυση (αδυνατίζοντας τις δυνάμεις van der Waals), μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο μόλυνσης του εμφυτεύματος και προάγοντας την πρώιμη οστεοενσωμάτωση. Τα παραδοσιακά κράματα τιτανίου είναι επιρρεπή στην απόφραξη του στρες και στην απορρόφηση των οστών λόγω του υψηλού συντελεστή ελαστικότητας τους και είναι δύσκολο να αναπαραχθεί η πολυεπίπεδη δομή του οστικού ιστού. Το πορώδες υλικό τιτανίου μειώνει το μέτρο μέσω της δομής των πόρων και ενισχύει το αποτέλεσμα αγκύρωσης με τη βοήθεια της ανάπτυξης των οστών. Οι τεχνικές προετοιμασίας του (π.χ. πυροσυσσωμάτωση, τρισδιάστατη εκτύπωση) μπορούν να ελέγξουν με ακρίβεια το μέγεθος των πόρων και το πορώδες των διασυνδεδεμένων πόρων.

Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης έχει διπλά πλεονεκτήματα έναντι της παραδοσιακής κατασκευής: μικροσκοπική αντιστοίχιση του φυσικού συντελεστή οστού μέσω προκαθορισμένων πόρων για μείωση του κινδύνου κάλυψης και χαλάρωσης του στρες. Σε μακροσκοπικό επίπεδο, η αξονική τομογραφία χρησιμοποιείται για την επίτευξη διπλής μηχανικής και μορφολογικής προσαρμογής σύνθετων οστικών ελαττωμάτων.

Το νέο πυροσυσσωματωμένο πορώδες κράμα τιτανίου προσομοιώνει με επιτυχία τη διαταραγμένη δομή και το μέτρο ελαστικότητας του σπογγώδους οστού μέσω σχεδίασης πορώδους 75%. Πειράματα in vitro έδειξαν ότι αυτή η δομή προώθησε σημαντικά την προσκόλληση και τον πολλαπλασιασμό των οστεοβλαστών και η απόδοσή της στην οστεοενσωμάτωση ήταν καλύτερη από αυτή του 3D εκτυπωμένου πορώδους τιτανίου. Τα δομικά χαρακτηριστικά του (μέγεθος πόρων, πορώδες, χωρική κατανομή, κ.λπ.) επηρεάζουν την οστεοενσωμάτωση μέσω τριών μηχανισμών: (1) προσαρμογή μηχανικών ιδιοτήτων. (2) Σύνδεση πόρων για την προώθηση της μετανάστευσης των προγονικών κυττάρων των οστών. (3) Βελτιστοποιήστε τη μεταφορά θρεπτικών ουσιών/οξυγόνου και την αγγειακή διήθηση.

Το μέγεθος των πόρων και το πορώδες είναι οι βασικές ρυθμιστικές παράμετροι: οι επιλεκτικές μελέτες τήξης λέιζερ δείχνουν ότι το κυλινδρικό μέγεθος πόρων 632μm ευνοεί περισσότερο την ανάπτυξη των οστών από ό,τι τα 309μm/956μm και το μέγεθος πόρων 801μm μπορεί να βελτιώσει την αρχική σταθερότητα. Το κρίσιμο όριο έδειξε ότι < 400 μm παρεμπόδισε τη διείσδυση των κυττάρων, > 900 μm οδήγησε σε ανεπαρκή επαφή με τα οστά και το εύρος πορώδους 75%-85% ήταν το βέλτιστο.

Όσον αφορά τον τύπο κράματος τιτανίου, το Ti6Al4V κυριαρχεί στην αγορά, αλλά υπάρχει κυτταροτοξικός κίνδυνος απελευθέρωσης ιόντων Al/V. Νέα κράματα όπως το Ti-15Ta-10,5Zr και το Ti-13Nb-13Zr μειώνουν το μέτρο, ενώ διατηρούν την αντοχή προσαρμόζοντας τη στοιχειακή σύνθεση. Αξίζει να δοθεί προσοχή σε καινοτόμες κατευθύνσεις όπως η υπερελαστικότητα των κραμάτων νικελίου-τιτανίου και οι αντιβακτηριδιακές ιδιότητες του χαλκού/αργύρου Ti6Al4V.

Οι τρέχουσες προκλήσεις εστιάζονται σε: (1) τον ακριβή μετασχηματισμό της δομής του δικτυωτού κράματος με την τεχνολογία κατασκευής προσθέτων. (2) Είναι απαραίτητο να ενισχυθεί η επαλήθευση ολόκληρης της αλυσίδας in vitro, in vivo και κλινικής. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στην ποσοτική σχέση μεταξύ των δομικών παραμέτρων και της βιολογικής δραστηριότητας για την προώθηση της ανάπτυξης εξατομικευμένων εμφυτευμάτων αποκατάστασης οστών.

4. Περίληψη και προοπτική
Τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται ως υλικά τοποθέτησης από τη δεκαετία του 1960. Από τότε, οι μελετητές ερευνούν την αλλαγή της σύνθεσης και των επιφανειακών ιδιοτήτων του κράματος για να αναπτύξουν ένα υλικό με τον καλύτερο συνδυασμό μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων. Διαφορετικές σύγχρονες διαδικασίες επεξεργασίας, καθώς και κατάλληλες επικαλύψεις και τροποποιήσεις επιφανειών, για την επίτευξη των επιθυμητών ιδιοτήτων των εμφυτευμάτων τιτανίου. Απαιτούνται περισσότεροι πόροι και έρευνα για την ανάπτυξη ενός κράματος τιτανίου που να είναι σκληρό, βιοσυμβατό,-ανθεκτικό στη διάβρωση και-ανθεκτικό στη φθορά.
Με την κατανόηση των διαφόρων χαρακτηριστικών των κραμάτων τιτανίου, προτείνονται διαφορετικές λύσεις για τα προβλήματα του υψηλού συντελεστή ελαστικότητας και της επιφανειακής αδράνειας των κραμάτων τιτανίου, και η τροποποίηση επιφάνειας και η τροποποίηση επιφάνειας χρησιμοποιούνται συνήθως μέθοδοι για την αύξηση της επιφανειακής δραστηριότητας των κραμάτων τιτανίου. Η κατασκευή πορώδους κραμάτων τιτανίου όχι μόνο λύνει το πρόβλημα του υψηλού μέτρου ελαστικότητας, αλλά αυξάνει επίσης τη βιολογική απόδοση της οστεοενσωμάτωσης. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά προβλήματα που πρέπει να συζητηθούν και να λυθούν στη διαδικασία παραγωγής διαφόρων πορώδων κραμάτων τιτανίου. Η εφαρμογή λειτουργικών επικαλύψεων πορωδών δομών και η ανακάλυψη δοκιδωτών βιομιμητικών δομών παρέχουν καλύτερες επιλογές για την πρόοδο των βιολογικών εφαρμογών των κραμάτων τιτανίου. Στο μέλλον, ελπίζεται ότι, παράλληλα με τη βελτίωση της μηχανικής δομής και άλλων ιδιοτήτων των κραμάτων τιτανίου, η εφαρμογή βιολογικών λειτουργικών επικαλύψεων στην επιφάνεια των κραμάτων τιτανίου θα βελτιώνεται συνεχώς και θα σημειωθούν νέες πρόοδοι και ανακαλύψεις στην αύξηση της τοπικής ανάπτυξης των οστών, της οστεοενσωμάτωσης, της αντιβακτηριακής και της αντιλοίμωξης.