Ortopedide Titanyum Alaşımlı Malzemelerin Uygulanmasına İlişkin Araştırma İlerlemesi

Titanyum alaşımımükemmel mekanik özellikleri ve osteojenik yeteneği nedeniyle ortopedik klinik uygulamada (iç sabitleme çelik plakaları ve yapay eklemler gibi) yaygın olarak kullanılan bir malzeme haline gelmiştir, ancak metalin inertliği ve iyon salınımı gibi sınırlamaları vardır. Yeni titanyum alaşımı, malzeme bilimi yoluyla fizikokimyasal ve biyolojik özellikleri optimize eder. Bu makale ortopedi uygulamalarına ilişkin araştırma ilerlemesini gözden geçirmekte ve alanın gelişimi için referans sağlamaktadır.

Ortopedik implantların malzemeleri çoğunlukla paslanmaz çelik, kobalt ve alaşımları, titanyum ve alaşımları vb. dahil olmak üzere metallerdir. Bunlar arasında titanyum alaşımları, biyouyumluluk, yüksek mukavemet, korozyon direnci ve düşük yoğunluk gibi üstün avantajlarından dolayı klinik uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda pek çok bilim insanı, titanyum alaşımlarının işleme ve üretim yöntemleri, yüzey modifikasyonu, gözenek boyutu ve gözenekliliği üzerine derinlemesine araştırmalar yaparak, klinik uygulamalarda titanyum alaşımlarının karşılaştığı yüksek elastik modül, yüzey hareketsizliği ve metal iyonu salınımı sorunlarını çözmeyi amaçladı. Bu çalışmalar yalnızca titanyum alaşımlarının biyolojik uygulama etkisini geliştirmeye yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda osseointegrasyon özelliklerini, antibakteriyel özellikleri ve in vivo güvenlik özelliklerini de geliştirecektir. Bu makalede, titanyum alaşımlarının biyolojik uygulamalardaki mevcut durumu, avantajları ve dezavantajlarının yanı sıra araştırma ilerlemeleri ve gelecekteki gelişim yönleri hakkında derinlemesine bir anlayış elde etmek için titanyum alaşımlarının yüzey modifikasyonu ve modifikasyonu, yapısal özellikleri ve farklı türdeki titanyum alaşımları kısaca gözden geçirilmektedir.

1. Kemiğin yapısı ve titanyum alaşımının avantaj ve dezavantajları
Kemik, hem organik hem de inorganik mineralleri içeren makroskobik, mikroskobik ve nano ölçekte katmanlı bir yapıya sahiptir. Yapısına ve yoğunluğuna göre trabeküler kemik ve kortikal kemiğe ayrılabilir. Trabeküler kemik, %50~%90 gözenekliliğe ve 0.02~2 GPa elastik modülüne sahip gözenekli bir ağdan oluşur; kortikal kemik ise %3~%5 gözenekliliğe ve 3~30 GPa elastik modülüne sahip katıdır. Uygulanan farklı basınçlar nedeniyle kemik sürekli olarak değişmektedir, bu nedenle implant ile kemik arasındaki herhangi bir modül uyumsuzluğu Wolff yasasına bağlı kemik erimesine yol açabilir. İdeal ortopedik implant, kemiğin fiziksel işlevini geri kazandırırken, hasarlı bölgede kemik yenilenmesini de desteklemelidir. Genel olarak doğal kemiklere yakın olmalı ve aşağıdaki temel özelliklere uygun olmalıdır:
(1) Biyouyumluluk;
(2) mekanik özelliklerin eşleştirilmesi;
(3) Oldukça gözenekli yapı.
Ayrıca antibakteriyel özellikleri de önemlidir.

Ortopedide titanyum implantlar, çeşitli artrit türlerinin tedavisi için kalça ve diz protezi replasmanları, dejeneratif ve dengesiz omurların stabilitesini sağlamak için spinal füzyon cihazları ve metal plakalar, vidalar ve intramedüller çiviler gibi çeşitli kırık tespit cihazları dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. İmplantasyon prosedürlerinin sayısı artmaya devam ettikçe hastalar bakteriyel enfeksiyon, zayıf osseointegrasyon ve aseptik inflamasyon gibi birçok riskle karşı karşıya kalmaktadır. Titanyum alaşımları mükemmel biyouyumlulukları ve korozyon dirençleriyle bilinmesine rağmen potansiyel eksiklikleri göz ardı edilemez: birincisi, işlenmemiş titanyum alaşımı implantlar biyolojik olarak inert bir yüzeye sahiptir, bu da bunların canlı organizmalarla etkileşimini etkiler; ikincisi, titanyum alaşımının kendisi antibakteriyel özelliklere sahip değildir; Üçüncüsü, iyi biyouyumluluğuna rağmen, yüzeydeki oksit filmi hasar gördüğünde, zararlı metal iyonları kan dolaşımına karışabilir ve bu da ciddi sağlık sorunlarına neden olabilir.

2. Titanyum alaşımının yüzey modifikasyonu ve modifikasyonu
Kemik-implant arayüzünde erken kemik iyileşmesinin zayıf olması, ameliyat sonrası başarısızlığın ana nedenlerinden biri olarak kabul edilir. Son yıllarda yüzey modifikasyon teknolojisinin gelişmesi yukarıdaki sorunların çözümüne yönelik yeni fikirlerin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Araştırmacılar, anti-enfeksiyona, osteojenik, aşınmaya-dirençli, korozyona{{5}dirençli ve anti-oksidasyon etkilerine ulaşmak için titanyum alaşımlarının yüzeyine belirli maddeler ekliyorlar. Kimyasal yüzey modifikasyon teknikleri anotlama, mikro-ark oksidasyonu, elektroforetik biriktirme, kimyasal buhar biriktirme, alkali ısıtma ve atomik katman biriktirmeyi içerir.
Kimyasal bağlar oluşturularak güçlü bağlanma kuvvetlerine sahip yeni maddeler bağlanır. Ek olarak, kimyasal yüzey modifikasyon teknolojisi, 3D baskı titanyum alaşımlarının modifikasyonunda büyük uygulama potansiyeline sahip olan karmaşık şekilli implantlara uyarlanmıştır. Kimyasal yöntemlerin aksine, fiziksel yüzey modifikasyon teknolojisi, malzemelerin kimyasal özelliklerini değiştirmez ancak titanyum alaşımlarının yüzey görünümünü ve mikroskobik morfolojisini değiştirmek için lazere, yüksek-enerjili parçacıklara, ultrasona ve diğer teknolojilere dayanır.
Geleneksel kumlama teknikleri titanyum alaşımlarının yüzey pürüzlülüğünü artırarak implantların erken stabilitesini artırır. Lazer, malzemelerin yapısını nanometre ve mikrometre düzeyinde değiştiren nispeten yeni bir teknolojidir. Brane⁃mark ve ark. implantın belirli bir bölgesinde yüzey modifikasyonu yapmak için lazer teknolojisini kullandı ve ardından onu kaval kemiğine ve uyluk kemiğine yerleştirdi ve sonuçlar, bu tekniğin kemik-implant arayüzünün sabitlenmesini iyileştirdiğini gösterdi. Gittens ve ark. titanyum plakalar üzerinde nano ölçekli özellikler üretmek için bir yüzey modifikasyon yöntemi geliştirdi ve bu da osteoblast farklılaşmasının artmasına yol açtı. Gözenekli titanyum yapısı, planktonik ve yapışkan bakterilere karşı güçlü antimikrobiyal aktivite sergileyen, kemik morfogenetik proteini veya vankomisin içeren çok katmanlı jelatin ve kitosan ile kaplandı.

Çeşitli yüzey kaplamaları arasında, kullanım kolaylığı ve düşük fiyat gibi avantajlarından dolayı plazma püskürtme hidroksiapatit (HA) en yaygın kullanılanıdır. Ayrıca mikro-ark oksidasyonu, hidrotermal işlem, elektroforetik biriktirme ve diğer teknolojiler gözenekli titanyum yüzeyler üzerinde HA kaplamalarını başarıyla oluşturabilir. Çalışmalar, plazma püskürtmeli HA kaplamalarını elektrokimyasal biriktirilmiş HA kaplamalarla karşılaştırmıştır ve sonuçlar, ikincisinin daha yüksek yüzey pürüzlülüğüne ve ıslanabilirliğe sahip olduğunu göstermektedir.
Biyouyumluluk seramiklerin ve diğer alkali metal oksitlerin kaplanmasıyla geliştirilebilir. Urbanski ve ark. [18] Ti6Al4V'yi titanyum dioksit ve silika ile kaplayıp sıçanların uyluk kemiğine yerleştirdiler ve malzemenin inflamatuar tepkisinin hafif olduğunu buldular. Yeni bir yöntem, titanyum alaşımlarını pirinç kabuğu külü, şeker kamışı yaprağı külü, yer fıstığı ve mısır kabuğu gibi tarımsal atıklarla kaplamaktır; çünkü bu malzemeler büyük miktarlarda silika oksitler ve diğer ilgili nanopartiküller veya mikropartiküller içerir. Bu yöntem, biyocam için kaplama olarak silika yerine pirinç kabuğunun kullanıldığı biyocam ve seramikte kullanılmıştır.
3. Titanyum alaşımının yapısal özellikleri
Malzemenin pürüzlü yüzeyi, "pürüzlülük" olgusu olarak bilinen makrofajlar gibi daha fazla inflamatuar hücreyi yapışmaya çeker. Malzemenin ortalama pürüzlülüğünün 0,51~1,36μm olduğu bulundu; bu, yapışkan makrofajların M2 fenotipine polarizasyonunu destekleyebilir. Olivares-Navarrete ve ark. pürüzlü bir yüzeydeki Ti6Al4V'nin, pürüzsüz bir yüzeye sahip Ti6Al4V'ye kıyasla lokal inflamatuar ortamı iyileştirdiğini ve yüzeyinde büyüyen hücrelerin pro{11}}inflamatuar interlökin seviyelerini azalttığını buldu. Bu nedenle, spesifik yüzey pürüzlülüğüne sahip titanyum alaşımları, yalnızca makrofajlar tarafından erken inflamasyonun düzenlenmesine değil, aynı zamanda daha sonraki aşamada osseointegrasyona da yardımcı olur.
Pürüzlülüğe ek olarak titanyum alaşımı yüzeylerinin diğer fiziksel özellikleri de ıslanabilirlik, zeta potansiyeli ve yüzey enerjisi gibi kemik büyümesiyle ilişkilidir. Ayrıca 3D baskılı gözenekli titanyum üzerine katkılı kalsiyum fosfat kaplama, erken osseointegrasyonu artırır ve iyileşme süresini kısaltır. Bir araştırma ekibi, seçici olarak protein adsorpsiyonunu teşvik eden ve böylece biyoaktif bir katman oluşturmayı gerektirmeyen, ancak biyofiksasyonu kolaylaştırmak ve titanyum implantların etrafındaki kemik büyüme süresini kısaltmak için yüzey koşullarını değiştiren, titanyum yüzeyindeki osteoblast yapışmasını artıran bir kimyasal madde pasifleştirme modifikasyonu geliştirdi.

Malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri ve morfolojisi ıslanabilirliği doğrudan etkiler ve bu da biyomoleküllerin adsorpsiyonunu ve hücre bağlanmasını düzenler. Yüzey hidrofilikliği bakteriyel yapışmayı azaltır (van der Waals kuvvetlerini zayıflatarak), böylece implant enfeksiyonu riskini azaltır ve erken osseointegrasyonu teşvik eder. Geleneksel titanyum alaşımları, yüksek elastik modülleri nedeniyle stres tıkanmasına ve kemik erimesine eğilimlidir ve kemik dokusunun katmanlı yapısını yeniden oluşturmak zordur. Gözenekli titanyum malzeme, gözenek yapısı boyunca modülü azaltır ve kemik büyümesi yardımıyla sabitleme etkisini artırır. Hazırlama teknikleri (örneğin, sinterleme, 3D baskı), birbirine bağlı gözeneklerin gözenek boyutunu ve gözenekliliğini hassas bir şekilde kontrol edebilir.

3D baskı teknolojisinin geleneksel üretime göre iki avantajı vardır: stres maskeleme ve gevşeme riskini azaltmak için önceden ayarlanmış gözenekler aracılığıyla doğal kemik modülünün mikroskobik olarak eşleştirilmesi; Makroskopik düzeyde, karmaşık kemik defektlerinin ikili mekanik ve morfolojik adaptasyonunu sağlamak için BT taraması kullanılır.

Yeni sinterlenmiş gözenekli titanyum alaşımı, süngerimsi kemiğin düzensiz yapısını ve elastik modülünü %75 gözeneklilik tasarımıyla başarılı bir şekilde simüle eder. İn vitro deneyler, bu yapının osteoblastların yapışmasını ve çoğalmasını önemli ölçüde desteklediğini ve osseointegrasyon performansının 3D baskılı gözenekli titanyumdan daha iyi olduğunu gösterdi. Yapısal özellikleri (gözenek boyutu, gözeneklilik, uzaysal dağılım vb.) osseointegrasyonu üç mekanizma yoluyla etkiler: (1) mekanik özellik adaptasyonu; (2) Kemik progenitör hücrelerinin göçünü teşvik etmek için gözeneklerin bağlanması; (3) Besin/oksijen taşınmasını ve damar infiltrasyonunu optimize edin.

Gözenek boyutu ve gözeneklilik temel düzenleyici parametrelerdir: seçici lazer eritme çalışmaları, 632μm silindirik gözenek boyutunun kemik büyümesine 309μm/956μm’den daha elverişli olduğunu ve 801μm gözenek boyutunun başlangıç ​​stabilitesini artırabildiğini göstermektedir. Kritik eşik, < 400 μm'nin hücre penetrasyonunu engellediğini, > 900 μm'nin yetersiz kemik temasıyla sonuçlandığını ve %75-%85'lik gözeneklilik aralığının optimal olduğunu gösterdi.

Titanyum alaşım türü açısından Ti6Al4V pazara hakimdir ancak Al/V iyon salınımının sitotoksik riski vardır. Ti-15Ta-10.5Zr ve Ti-13Nb-13Zr gibi yeni alaşımlar, element bileşimini ayarlayarak gücü korurken modülü azaltır. Nikel-titanyum alaşımlarının süper esnekliği ve bakır/gümüş Ti6Al4V'nin antibakteriyel özellikleri gibi yenilikçi yönler dikkate alınmaya değerdir.

Mevcut zorluklar şunlara odaklanmaktadır: (1) alaşımlı kafes yapısının katmanlı imalat teknolojisiyle hassas dönüşümü; (2) Tüm in vitro, in vivo ve klinik zincirinin doğrulanmasının güçlendirilmesi gerekmektedir. Gelecekteki araştırmalar, kişiselleştirilmiş kemik onarım implantlarının geliştirilmesini teşvik etmek için yapısal parametreler ile biyolojik aktivite arasındaki niceliksel ilişkiye odaklanmalıdır.

4. Özet ve genel bakış
Titanyum alaşımları 1960'lı yıllardan beri yerleştirme malzemesi olarak kullanılmaktadır. O zamandan beri bilim adamları, mekanik ve kimyasal özelliklerin en iyi kombinasyonuna sahip bir malzeme geliştirmek için alaşım bileşimini ve yüzey özelliklerini değiştirmeyi araştırıyorlar. Titanyum implantların istenen özelliklerini elde etmek için farklı modern işleme süreçlerinin yanı sıra uygun yüzey kaplamaları ve modifikasyonları. Sert, biyolojik olarak uyumlu, korozyona-dirençli ve aşınmaya-dirençli bir titanyum alaşımı geliştirmek için daha fazla kaynağa ve araştırmaya ihtiyaç vardır.
Titanyum alaşımlarının çeşitli özellikleri anlaşılarak, titanyum alaşımlarının yüksek elastik modülü ve yüzey inertliği sorunlarına farklı çözümler önerilmiş olup, yüzey modifikasyonu ve yüzey modifikasyonu, titanyum alaşımlarının yüzey aktivitesini arttırmak için yaygın olarak kullanılan yöntemlerdir. Gözenekli titanyum alaşımlarının üretimi yalnızca yüksek elastik modül sorununu çözmekle kalmaz, aynı zamanda osseointegrasyonun biyolojik performansını da arttırır. Ancak çeşitli gözenekli titanyum alaşımlarının üretim sürecinde hala tartışılması ve çözülmesi gereken birçok sorun bulunmaktadır. Gözenekli yapıların işlevselleştirilmiş kaplamalarının uygulanması ve trabeküler biyomimetik yapıların keşfi, titanyum alaşımlarının biyolojik uygulamalarının ilerlemesi için daha iyi seçenekler sunar. Gelecekte, titanyum alaşımlarının mekanik yapısı ve diğer özellikleri geliştirilirken, titanyum alaşımlarının yüzeyine biyolojik fonksiyonel kaplamaların uygulanmasının sürekli olarak geliştirileceği ve yerel kemik büyümesinin, osseointegrasyonun, antibakteriyel ve anti-enfeksiyonun artırılmasında yeni ilerleme ve keşiflerin yapılacağı umulmaktadır.