Электрохимическая и биологическая характеристика Ti

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2312 (2023) Цитировать эту статью

897 Доступов

3 цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Эффективность современных биомедицинских титановых сплавов ограничена воспалительными и тяжелыми воспалительными состояниями после имплантации. В этом исследовании был разработан новый сплав Ti–Nb–Zr–Si (TNZS) и проведен его сравнение с технически чистым титаном и сплавом Ti–6Al–4V. Электрохимические параметры образцов контролировались во время 1-часового и 12-часового погружения в фосфатно-солевой буферный раствор (PBS) в качестве нормальной среды, PBS/перекись водорода (H2O2) в качестве воспалительной среды и PBS/H2O2/альбумин/лактат в качестве среды тяжелого воспаления. Результаты показали влияние H2O2 при воспалительном состоянии и синергическое поведение H2O2, альбумина и лактата при тяжелом воспалительном состоянии в направлении снижения коррозионной стойкости титановых биоматериалов. Электрохимические испытания показали превосходную коррозионную стойкость ТНЗС во всех условиях благодаря наличию силицидных фаз. Разработанный ТНЗС был протестирован для последующего исследования на культуре клеток с целью выяснения природы его биосовместимости. Он продемонстрировал благоприятное взаимодействие клеток с материалами in vitro по сравнению с Ti–6Al–4V. Результаты показывают, что сплав ТНЗС может стать конкурентоспособным биоматериалом для ортопедических применений.

Спрос на искусственные имплантаты растет по мере роста пожилого населения в различных странах. Примерно 80% коммерческих имплантатов изготовлены из металлических биоматериалов для коррекции деформаций костной системы2,3. Коммерчески чистый титан (CP-Ti, класс 2, UNS R50400) традиционно используется в качестве металлического биоматериала в стоматологических устройствах, протезах суставов и сердечно-сосудистых стентах из-за его надлежащей коррозионной стойкости и удовлетворительной биосовместимости4. CP-Ti не обладает всеми желаемыми свойствами для биомедицинских имплантатов, поэтому наиболее широко используется также сплав Ti–6Al–4V (также известный как сплав Grade 5, UNS R56400) с более высокой прочностью5. Тем не менее, растет беспокойство по поводу коррозии и соответствующего вымывания алюминия и ванадия, которые имеют токсичные и побочные эффекты при долгосрочном применении6,7, и разрабатываются новые улучшенные титановые сплавы с более низким модулем упругости, более высокой прочностью и превосходными биологическими характеристиками7, 8.

Один из разработанных сплавов без алюминия и ванадия на основе системы Ti–Nb–Zr (UNS R58130 по ASTM F1713) содержит более биосовместимые элементы Nb и Zr, а также более низкий модуль Юнга в диапазоне 60–80 ГПа9,10,11. . Объединение Nb и Zr в этом сплаве привело к образованию структуры фазы, близкой к β-Ti, более устойчивой к коррозии, чем фазы α-Ti и β-Ti, но не удалось достичь желаемого уровня устойчивости к биокоррозии без ущерба для ее реакционной способности по отношению к клеткам12. Среди других возможных добавок кремний считается жизненно важным элементом в организме человека для биологических реакций, обеспечивающим движущую силу роста и развития новых костных и соединительных тканей13,14.

После имплантации биоматериала иммунная система организма активируется, чтобы защитить хозяина от инфекций и повреждений тканей, что дополнительно осложняется реакцией на инородное тело15,16 и отложением на поверхности различных биомолекул и белков, таких как альбумин17. Лейкоциты увеличивают потребление кислорода, используя дыхательный взрыв для производства активных форм кислорода (АФК), молочной кислоты, включая перекись водорода (H2O2) и ее производные, и хлорноватистой кислоты (HOCl) во внеклеточную среду16,18,19,20. В костной ткани остеокласты также экспрессируют HCl, которая вместе создает окислительно-кислую среду со снижением pH от нейтрального до 5 и ниже во время воспаления18. При тяжелом воспалительном состоянии нейтрофилы, макрофаги и микроорганизмы могут создавать вокруг имплантата очень окислительную и кислую среду с pH ⁓ 2–3, достаточную даже для растворения очень устойчивых материалов, таких как золото21. Пассивная защитная пленка на титане в этих условиях начинает разрушаться, ускоряя скорость коррозии, вызывая шероховатость поверхности и образование интенсивно гидратированного пористого соединения TiOOH22,23,24,25. Недавние исследования показали, что сочетание альбумина и H2O2 ускоряет скорость коррозии CP-Ti и Ti-6Al-4V26,27, а присутствие молочной кислоты и H2O2 значительно снижает коррозионную стойкость28,29. В результате сложной среды in vivo коррозия титановых имплантатов может значительно ускориться, что приводит к значительному сокращению срока службы имплантата и более высокому риску неудач30,31. Поэтому для предотвращения разрушения имплантата при воспалительных процессах необходимы соответствующие легирующие добавки к высокопроизводительным титановым сплавам. Кремний был введен в некоторые сплавы на основе Ti32,33,34, но его добавление в систему Ti-Nb-Zr еще недостаточно проанализировано. Таким образом, существует интерес к оценке сплава Ti-Nb-Zr-Si в качестве потенциального материала для ортопедических применений.