Rannsóknir og þróun á bakteríudrepandi títan ál efni og tækni

1. Inngangur

Títan (Ti) og málmblöndur þess hafa einkenni lágþéttni, mikils styrks og framúrskarandi tæringarþols og voru upphaflega notuð í flugiðnaðinum. Snemma á fjórða áratugnum var títan og málmblöndur þess fyrst kynnt í læknisfræði. Eftir meira en hálfrar aldar þróun hefur hreint títan og Ti6A14V málmblöndur, sem dæmigerðasta títan-undirstaða læknisfræðilega málmefnin, verið notuð á mörgum læknastofum, sérstaklega á sviði bæklunar- og tannlækninga, í stað ryðfríu stáli og kóbalt-undirstaða. málmblöndur í miklu magni. Hins vegar er títan álfelgur tegund af líffræðilega óvirku efni sem hefur enga bakteríudrepandi eiginleika og er máttlaust gegn sýkingarvandamálum af völdum ígræðslu. Sem stendur eru segulómsputtering, rafefnafræðileg útfelling, jónaígræðsla, örbogaoxun og aðrar aðferðir venjulega notaðar til að hlaða ólífrænum eða lífrænum bakteríudrepandi efnum á yfirborð lækninga títan málmblöndur og gefa þeim þar með bakteríudrepandi eiginleika. Kostir bakteríudrepandi húðunar sem eru unnin með yfirborðsbreytingum eru augljósir, en það eru enn annmarkar, svo sem tiltölulega flókið húðunarferli, aukinn framleiðslukostnaður, léleg tenging milli húðunar og undirlags, auðvelt slit á húðinni og léleg langtíma bakteríudrepandi árangur bíða. Til að bregðast við sýkingarvandamálum af völdum ígrædds títan málmblöndur og skorts á bakteríudrepandi húðun, hefur fólk byrjað að reyna að þróa nýjar bakteríudrepandi títan málmblöndur með eigin bakteríudrepandi virkni með því að stilla málmblönduna.

2. Bakteríudrepandi vélbúnaður bakteríudrepandi títan álfelgur

Útbreiðsla baktería er nátengd myndun bakteríulíffilma. Myndunarferli bakteríulíffilma er sýnt á mynd 1. Svifbakteríur vaxa og fjölga sér eftir lendingu á efnisfylki og mynda bakteríulíffilmu. Yfirborð líffilmunnar er lag af þéttu utanfrumufylki. Þetta lag af utanfrumu fylki hefur trausta uppbyggingu og mikinn styrk. Bakteríurnar sem vafðar eru inni eru í náinni snertingu, sem eykur samskipti og efnisskipti milli baktería, á sama tíma og kemur í veg fyrir innkomu ytri skaðlegra efna. Þess vegna, eftir að líffilma hefur myndast, er það ekki auðveldlega truflað af sýklalyfjum, rotvarnarefnum og öðrum ytri efnum, svo það er erfitt að fjarlægja það með algengum sýklalyfjum.

Mynd 1 Myndunarferli bakteríulíffilmu

Bakteríudrepandi vélbúnaður bakteríudrepandi títan málmblöndur má skipta í eftirfarandi fjögur skref: ① Sýkladrepandi málmyfirborðið losar málmjónir með bakteríudrepandi virkni; ② Neikvætt hlaðnar bakteríufrumur og jákvætt hlaðnar málmjónir dragast að hvort öðru og málmjónirnar frásogast í bakteríurnar ③ Málmjónir eyðileggja frumuvegg og frumuhimnu baktería eða eyðileggja próteinbyggingu þeirra, sem veldur því að umfrymið lekur; ④ Málmjónir komast frekar í gegnum bakteríufrumuvegginn og sameinast bakteríu-DNA, sem leiðir til bakteríueðlunar og taps á afritunargetu. Hvort sem um er að ræða skemmdir á frumuveggnum eða erfðaefni munu bakteríurnar deyja.

3. Rannsóknarframfarir

3.1 Ti-Ag bakteríudrepandi títan ál

Silfur (Ag), sem málmblöndur, getur bætt tæringarþol og vélræna eiginleika títan-undirstaða málma. Takahashi o.fl. komist að því að að bæta við 20wt% Ag getur bætt styrk og slitþol steyptra títan málmblöndur en viðhalda mikilli lengingu. Shim o.fl. sannað að Ti-Ag álfelgur hefur betri tæringarþol en hreint títan. Ag hefur einnig góða lífsamrýmanleika og Ag-Hg álfelgur hefur verið notað sem tannefni. Framúrskarandi bakteríudrepandi eiginleikar húðunar sem inniheldur Ag hafa verið staðfest með mörgum rannsóknum. Þess vegna, með því að bæta viðeigandi Ag við títan og málmblöndur þess, er hægt að fá títan sem inniheldur Ag með ákveðnum bakteríudrepandi eiginleika. Hins vegar, jafnvel þó að Ag innihald í sumum Ti-Ag málmblöndur sé mjög hátt, jafnvel ná 20wt%, sýna þau ekki marktæk bakteríudrepandi áhrif, sem gefur til kynna að bakteríudrepandi áhrif títanblöndur sem innihalda Ag ráðast ekki eingöngu af Ag innihaldinu.

Zheng o.fl. bætti 2,9wt% Ag við TiNi formminni málmblöndu og steypta TiNi málmblönduna sem fékkst sýndi ákveðna bakteríudrepandi eiginleika og bakteríudrepandi hlutfall gegn Staphylococcus aureus náði 86,3%. Chen o.fl. notað Ag duft með mismunandi innihaldi og mismunandi kornastærðum til að herða saman með hreinu títandufti til að fá röð af Ti-xAg málmblöndur (x=1,3,5). Vélrænni eiginleikar þeirra, tæringareiginleikar, bakteríudrepandi eiginleikar og in vitro frumufasi Rafmagnið var einkennt og metið. Eins og sést á mynd 2 er bakteríudrepandi virkni Ti-Ag málmblöndunnar með Ag kornastærð 10 μm meiri en Ti-Ag málmblöndunnar með Ag kornastærð 75 μm. Andstætt lögmálinu um losun Ag jóna er Ti-Ag málmblönduna með Ag kornastærð 10 μm. Magn jóna losunar málmblöndunnar er lægra en Ti-Ag málmblöndunnar með Ag duft kornastærð 75 μm, sem gefur til kynna að bakteríudrepandi frammistaða Ti-Ag málmblöndunnar ætti að vera nátengd nanó/míkron-skala samsettu silfurögnunum sem eru til staðar á fylkinu.

Mynd 2 Bakteríubyggðir á yfirborði hreins Ti og Ti-Ag málmblöndu

3.2 Ti-Cu bakteríudrepandi títan ál

Árið 2009, Shirai o.fl. rannsakað fyrst bakteríudrepandi áhrif Ti-xCu(x=1,5) málmblöndunnar. Niðurstöðurnar sýndu að Ti-1Cu hefur umtalsverða bakteríudrepandi eiginleika gegn E. coli og hefur gott líffræðilegt öryggi, sem opnar bilið milli baktería sem innihalda kopar og títan málmblöndur þjóna sem fortjald fyrir rannsóknir á læknisfræðilegum málmefnum. Í kjölfarið, Zhang o.fl. notaði duftmálmvinnslu til að útbúa Ti-10wt%Cu málmblöndu og rannsakað bakteríudrepandi eiginleika, vélræna eiginleika og tæringareiginleika málmblöndunnar. Eins og sýnt er á mynd 3, er Ti-10 Cu málmblöndur ónæmur fyrir Staphylococcus aureus og Staphylococcus aureus. E. coli hafa öll veruleg drápáhrif. Niðurstöður úr ígræðsluprófi á Ti-10Cu álfelgur í bein sýna að Ti-10Cu álfelgur hefur góða samhæfni við beinfrumur. Frekari rannsóknarniðurstöður sýna að það að bæta að minnsta kosti 5% Cu við títan mun hafa umtalsverð bakteríudrepandi áhrif. Í þeim tilgangi að koma í veg fyrir bakteríudrepandi og sýkingarvörn hefur Institute of Metal Research, Kínverska vísindaakademían þróað röð af kopar-innihaldandi títan málmblöndur með bakteríudrepandi virkni og hefur framkvæmt fjöldann allan af in vitro og in vivo dýrarannsóknum. Leysni Cu í föstu formi í Ti er mjög lág. Þegar það er kælt frá háum hita í 790 gráður fellur yfirmettað Cu út sem Ti2Cu millimálmasamband. Mögulegur munur á því og fylkinu mun stuðla að því að málmblöndunni losi snefilmagn af koparjónum í lífeðlisfræðilegu umhverfi. , sem hefur þannig sterk bakteríudrepandi áhrif.

Mynd 3 Drepandi áhrif Ti-10Cu á Staphylococcus aureus og Escherichia coli

3.3 Ti6Al4V-Cu bakteríudrepandi títan ál

Peng o.fl. framkvæmt alhliða hagræðingu á afkastagetu á hitameðhöndluðu Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) málmblöndunni. Rannsóknarniðurstöðurnar sýna að til að ná sem bestum vélrænni eiginleikum, tæringarþol og slitþol málmblöndunnar, er ákjósanlegur hitameðhöndlunarferill eftir varmavinnslu þriggja flokka málmblöndur að haldast við 720 gráður, 740 gráður og 760 gráður fyrir 1 klst og síðan loftkælt. Á mynd 4 eru þau táknuð með 4,5Cu-720, 6Cu-740 og 7,5Cu-760 í sömu röð. Sýklalyfjaprófun og frumudrepandi prófunarniðurstöður þriggja flokka málmblöndur eru sýndar á mynd 4. Af mynd 4(a)-(d) má sjá að það eru fleiri bakteríuþyrpingar eftir samræktun með Ti6Al4V málmblöndu, og eftir samræktun með Ti6A14V-Cu málmblöndu Fjöldi bakteríubyggða er lítill, sem gefur til kynna að títan sem inniheldur kopar hafi sterka bakteríudrepandi eiginleika. Mynd 4(e) sýnir bakteríudrepandi hraða Ti6Al4V-xCu málmblöndunnar. Það má sjá að bakteríudrepandi hlutfall 4,5Cu-720 sýnisins er um 80%. Þegar Cu innihaldið eykst eykst bakteríudrepandi hlutfall málmblöndunnar lítillega, sem gefur til kynna að bakteríudrepandi árangur hafi batnað. Eins og sést á mynd 4(f), þegar samræktað er með frumum í 1 og 3 daga, eru gleypnigildi Ti6A14V-Cu málmblöndu og Ti6A14V málmblöndu ekki mikið frábrugðin; en eftir 7 daga er gildi 7,5Cu-760 verulega lægra en Ti6A14V málmblöndur, sem gefur til kynna að það hafi ákveðna frumueiturhrif eftir 7 daga. Það má sjá að fyrir Ti6A14V-xCu álfelgur ætti Cu innihaldið ekki að vera hærra en 6%, annars mun álverið sýna ákveðna frumueiturhrif eftir langan tíma.

Mynd 4 Ti6A14V (a) 4,5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7,5 Cu-760; (d) Formgerð bakteríuvaxtar eftir samræktun álblöndu; (e) Samanburður á bakteríudrepandi hlutfalli Ti6Al4V málmblöndu; (f) Gleypigildi frumna sem eru samræktaðar með mismunandi málmblöndur í 1, 3 og 7 daga