Forschungsfortschritte bei der Anwendung von Titanlegierungsmaterialien in der Orthopädie
Titanlegierungist aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und osteogenen Fähigkeit zu einem häufig verwendeten Material in der orthopädischen klinischen Praxis geworden (z. B. interne Fixierungsstahlplatten und künstliche Gelenke), weist jedoch Einschränkungen wie Metallträgheit und Ionenfreisetzung auf. Die neue Titanlegierung optimiert die physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften durch Materialwissenschaft. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Forschungsfortschritt in der orthopädischen Anwendung und bietet Hinweise auf die Entwicklung des Fachgebiets.
Die Materialien orthopädischer Implantate sind hauptsächlich Metalle, darunter Edelstahl, Kobalt und seine Legierungen, Titan und seine Legierungen usw. Unter diesen werden Titanlegierungen aufgrund ihrer herausragenden Vorteile wie Biokompatibilität, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringe Dichte häufig in der klinischen Praxis verwendet. In den letzten Jahren haben viele Wissenschaftler eingehende Untersuchungen zu den Verarbeitungs- und Herstellungsmethoden, der Oberflächenmodifikation, der Porengröße und der Porosität von Titanlegierungen durchgeführt, mit dem Ziel, die Probleme des hohen Elastizitätsmoduls, der Oberflächeninertheit und der Metallionenfreisetzung zu lösen, mit denen Titanlegierungen in klinischen Anwendungen konfrontiert sind. Diese Studien werden nicht nur dazu beitragen, die biologische Anwendungswirkung von Titanlegierungen zu verbessern, sondern auch die Osseointegrationseigenschaften, antibakteriellen Eigenschaften und Sicherheitseigenschaften in vivo zu verbessern. In diesem Artikel werden die Oberflächenmodifikation und -modifikation, die strukturellen Eigenschaften und die verschiedenen Arten von Titanlegierungen von Titanlegierungen kurz besprochen, um ein detailliertes Verständnis des aktuellen Status, der Vor- und Nachteile von Titanlegierungen in biologischen Anwendungen sowie ihres Forschungsfortschritts und zukünftiger Entwicklungsrichtungen zu erhalten.
1. Die Struktur des Knochens und die Vor- und Nachteile einer Titanlegierung
Knochen haben eine Schichtstruktur auf makroskopischer, mikroskopischer und nanoskaliger Ebene und enthalten sowohl organische als auch anorganische Mineralien. Je nach Struktur und Dichte kann es in Trabekelknochen und Kortikalisknochen unterteilt werden. Trabekulärer Knochen besteht aus einem porösen Netzwerk mit einer Porosität von 50–90 % und einem Elastizitätsmodul von 0,02–2 GPa, während kortikaler Knochen fest ist, mit einer Porosität von 3–5 % und einem Elastizitätsmodul von 3–30 GPa. Der Knochen verändert sich aufgrund der unterschiedlichen Drücke ständig, sodass jede Modulfehlanpassung zwischen Implantat und Knochen zu einer Knochenresorption im Zusammenhang mit dem Wolffschen Gesetz führen kann. Das ideale orthopädische Implantat soll die Knochenregeneration im geschädigten Bereich fördern und gleichzeitig die körperliche Funktion des Knochens wiederherstellen. Im Allgemeinen sollten sie natürlichen Knochen ähneln und die folgenden grundlegenden Eigenschaften aufweisen:
(1) Biokompatibilität;
(2) passende mechanische Eigenschaften;
(3) Hochporöse Struktur.
Darüber hinaus sind auch antibakterielle Eigenschaften wichtig.
In der Orthopädie werden Titanimplantate in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Hüft- und Knieprothesenersatz zur Behandlung verschiedener Arten von Arthritis, Wirbelsäulenfusionsgeräte zur Gewährleistung der Stabilität degenerativer und instabiler Wirbel sowie verschiedene Geräte zur Frakturfixierung wie Metallplatten, Schrauben und Marknägel. Da die Zahl der Implantationsverfahren weiter zunimmt, sind Patienten vielen Risiken ausgesetzt, wie z. B. bakteriellen Infektionen, schlechter Osseointegration und aseptischen Entzündungen. Obwohl Titanlegierungen für ihre ausgezeichnete Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit bekannt sind, können ihre potenziellen Nachteile nicht ignoriert werden: Erstens haben unbehandelte Implantate aus Titanlegierungen eine biologisch inerte Oberfläche, die ihre Interaktion mit lebenden Organismen beeinträchtigt; zweitens hat die Titanlegierung selbst keine antibakteriellen Eigenschaften; Drittens können trotz der guten Biokompatibilität schädliche Metallionen in den Blutkreislauf gelangen, sobald der Oxidfilm auf der Oberfläche beschädigt ist, was zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führen kann.
2. Oberflächenmodifikation und Modifikation von Titanlegierungen
Eine schlechte frühe Knochenheilung an der Knochen-{0}}Implantatschnittstelle gilt als eine der Hauptursachen für postoperatives Versagen. In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Oberflächenmodifikationstechnologie neue Ideen zur Lösung der oben genannten Probleme hervorgebracht. Forscher fügen der Oberfläche von Titanlegierungen bestimmte Substanzen hinzu, um eine anti-infektions-, osteogene, verschleiß-beständige, korrosions-beständige und anti-Oxidationswirkung zu erzielen. Zu den Techniken zur chemischen Oberflächenmodifizierung gehören Anodisieren, Mikrolichtbogenoxidation, elektrophoretische Abscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, Alkalierwärmung und Atomlagenabscheidung.
Durch die Bildung chemischer Bindungen werden neue Stoffe mit starken Bindungskräften gebunden. Darüber hinaus wurde die Technologie der chemischen Oberflächenmodifikation an Implantate mit komplexen Formen angepasst, was große Anwendungsaussichten bei der Modifizierung von 3D-Druck-Titanlegierungen bietet. Im Gegensatz zu chemischen Methoden verändert die physikalische Oberflächenmodifikationstechnologie nicht die chemischen Eigenschaften von Materialien, sondern basiert auf Laser, hochenergetischen Partikeln, Ultraschall und anderen Technologien, um das Oberflächenaussehen und die mikroskopische Morphologie von Titanlegierungen zu modifizieren.
Herkömmliche Sandstrahltechniken erhöhen die Oberflächenrauheit von Titanlegierungen und verbessern so die Frühstabilität von Implantaten. Laser ist eine relativ neue Technologie, die die Struktur von Materialien im Nanometer- und Mikrometerbereich verändert. Brane⁃mark et al. verwendeten Lasertechnologie, um die Oberfläche des Implantats an einer bestimmten Stelle zu modifizieren und platzierten es dann in der Tibia und im Femur. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Technik die Verankerung der Knochen-{3}}Implantatschnittstelle verbesserte. Gittens et al. entwickelte eine Methode zur Oberflächenmodifikation, um nanoskalige Merkmale auf Titanplatten zu erzeugen, was zu einer verbesserten Osteoblastendifferenzierung führt. Die poröse Titanstruktur wurde mit mehrschichtiger Gelatine und Chitosan beschichtet, die knochenmorphogenetisches Protein oder Vancomycin enthielten und eine starke antimikrobielle Aktivität gegen planktonische und anhaftende Bakterien aufwiesen.
Unter den verschiedenen Oberflächenbeschichtungen wird das Plasmaspritzen von Hydroxylapatit (HA) aufgrund seiner Vorteile wie einfacher Bedienung und niedrigem Preis am häufigsten verwendet. Darüber hinaus können Mikro-Lichtbogenoxidation, hydrothermale Behandlung, elektrophoretische Abscheidung und andere Technologien erfolgreich HA-Beschichtungen auf porösen Titanoberflächen bilden. In Studien wurden plasmagespritzte HA-Beschichtungen mit elektrochemisch abgeschiedenen HA-Beschichtungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass letztere eine höhere Oberflächenrauheit und Benetzbarkeit aufweisen.
Die Biokompatibilität kann durch die Beschichtung von Keramik und anderen Alkalimetalloxiden verbessert werden. Urbanski et al. [18] beschichteten Ti6Al4V mit Titandioxid und Siliciumdioxid und platzierten es im Oberschenkelknochen von Ratten. Dabei stellten sie fest, dass die Entzündungsreaktion des Materials mild war. Eine neue Methode besteht darin, Titanlegierungen mit landwirtschaftlichen Abfällen wie Reisschalenasche, Zuckerrohrblattasche, Erdnüssen und Maisschalen zu beschichten, da diese Materialien große Mengen an Siliciumdioxidoxiden und anderen verwandten Nano- oder Mikropartikeln enthalten. Diese Methode wurde in Bioglas und Keramik verwendet, wo Reishülsen anstelle von Kieselsäure als Beschichtung für Bioglas verwendet werden.
3. Strukturelle Eigenschaften einer Titanlegierung
Die raue Oberfläche des Materials lockt mehr Entzündungszellen zum Anhaften an, beispielsweise Makrophagen, was als „Rauheitsphänomen“ bekannt ist. Es wurde festgestellt, dass die durchschnittliche Rauheit des Materials 0,51 bis 1,36 μm betrug, was die Polarisation anhaftender Makrophagen in den M2-Phänotyp fördern könnte. Olivares-Navarrete et al. fanden heraus, dass Ti6Al4V auf einer rauen Oberfläche das lokale Entzündungsumfeld im Vergleich zu Ti6Al4V mit einer glatten Oberfläche verbesserte und dass auf seiner Oberfläche wachsende Zellen die pro-inflammatorischen Interleukinspiegel reduzierten. Daher sind Titanlegierungen mit spezifischer Oberflächenrauheit nicht nur förderlich für die Regulierung früher Entzündungen durch Makrophagen, sondern auch für die Osseointegration im späteren Stadium.
Neben der Rauheit hängen auch andere physikalische Eigenschaften von Titanlegierungsoberflächen mit dem Knochenwachstum zusammen, wie z. B. Benetzbarkeit, Zetapotential und Oberflächenenergie. Darüber hinaus verbessert die auf 3D-gedrucktem porösem Titan dotierte Kalziumphosphatbeschichtung die frühe Osseointegration und verkürzt die Heilungszeit. Ein Forschungsteam hat eine chemische Passivierungsmodifikation entwickelt, die selektiv die Proteinadsorption fördert und dadurch die Osteoblastenadhäsion auf der Titanoberfläche verbessert. Dabei wird keine bioaktive Schicht gebildet, sondern die Oberflächenbedingungen werden verändert, um die Biofixierung zu erleichtern und die Knochenwachstumszeit um Titanimplantate herum zu verkürzen.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die Morphologie des Materials wirken sich direkt auf die Benetzbarkeit aus, die wiederum die Adsorption von Biomolekülen und die Zellanhaftung reguliert. Die Oberflächenhydrophilie reduziert die Bakterienadhäsion (durch Abschwächung der Van-der-Waals-Kräfte), wodurch das Risiko einer Implantatinfektion verringert und eine frühe Osseointegration gefördert wird. Herkömmliche Titanlegierungen neigen aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls zu Spannungsokklusion und Knochenresorption und es ist schwierig, die Schichtstruktur des Knochengewebes zu reproduzieren. Das poröse Titanmaterial reduziert durch die Porenstruktur den Modul und verstärkt die Verankerungswirkung mit Hilfe des Knochenwachstums. Seine Herstellungstechniken (z. B. Sintern, 3D-Druck) können die Porengröße und Porosität miteinander verbundener Poren präzise steuern.
Die 3D-Drucktechnologie bietet gegenüber der herkömmlichen Herstellung zwei Vorteile: mikroskopische Anpassung des natürlichen Knochenmoduls durch voreingestellte Poren, um das Risiko von Spannungsmaskierung und -lockerung zu verringern; Auf makroskopischer Ebene wird die CT-Untersuchung eingesetzt, um eine duale mechanische und morphologische Anpassung komplexer Knochendefekte zu erreichen.
Die neue gesinterte poröse Titanlegierung simuliert erfolgreich die ungeordnete Struktur und den Elastizitätsmodul von Spongiosa durch ein Porositätsdesign von 75 %. In-vitro-Experimente zeigten, dass diese Struktur die Adhäsion und Proliferation von Osteoblasten erheblich förderte und ihre Osseointegrationsleistung besser war als die von 3D-gedrucktem porösem Titan. Seine strukturellen Eigenschaften (Porengröße, Porosität, räumliche Verteilung usw.) beeinflussen die Osseointegration durch drei Mechanismen: (1) Anpassung der mechanischen Eigenschaften; (2) Poren verbinden, um die Migration von Knochenvorläuferzellen zu fördern; (3) Optimieren Sie den Nährstoff-/Sauerstofftransport und die Gefäßinfiltration.
Porengröße und Porosität sind die wichtigsten Regulierungsparameter: Studien zum selektiven Laserschmelzen zeigen, dass die zylindrische Porengröße von 632 μm das Knochenwachstum stärker fördert als 309 μm/956 μm, und die Porengröße von 801 μm kann die Anfangsstabilität verbessern. Der kritische Schwellenwert zeigte, dass < 400 μm die Zellpenetration behinderte, > 900 μm zu unzureichendem Knochenkontakt führte und der Porositätsbereich von 75–85 % optimal war.
Hinsichtlich der Art der Titanlegierung dominiert Ti6Al4V den Markt, es besteht jedoch das zytotoxische Risiko der Freisetzung von Al/V-Ionen. Neue Legierungen wie Ti-15Ta-10,5Zr und Ti-13Nb-13Zr verringern den Modul und behalten gleichzeitig die Festigkeit bei, indem sie die Elementzusammensetzung anpassen. Innovative Richtungen wie die Superelastizität von Nickel-Titan-Legierungen und die antibakteriellen Eigenschaften von Kupfer/Silber Ti6Al4V verdienen Aufmerksamkeit.
Die aktuellen Herausforderungen konzentrieren sich auf: (1) die präzise Transformation der Legierungsgitterstruktur durch additive Fertigungstechnologie; (2) Es ist notwendig, die Überprüfung der gesamten In-vitro-, In-vivo- und Klinikkette zu verstärken. Zukünftige Forschung sollte sich auf die quantitative Beziehung zwischen Strukturparametern und biologischer Aktivität konzentrieren, um die Entwicklung personalisierter Knochenreparaturimplantate zu fördern.
4. Zusammenfassung und Ausblick
Seit den 1960er Jahren werden Titanlegierungen als Einbringmaterialien verwendet. Seitdem erforschen Wissenschaftler die Veränderung der Legierungszusammensetzung und der Oberflächeneigenschaften, um ein Material mit der besten Kombination aus mechanischen und chemischen Eigenschaften zu entwickeln. Verschiedene moderne Verarbeitungsverfahren sowie entsprechende Oberflächenbeschichtungen und -modifikationen, um die gewünschten Eigenschaften von Titanimplantaten zu erreichen. Es sind mehr Ressourcen und Forschung erforderlich, um eine Titanlegierung zu entwickeln, die robust, biokompatibel, korrosionsbeständig und verschleißfest ist.
Durch das Verständnis der verschiedenen Eigenschaften von Titanlegierungen werden verschiedene Lösungen für die Probleme des hohen Elastizitätsmoduls und der Oberflächeninertheit von Titanlegierungen vorgeschlagen, und Oberflächenmodifikation und Oberflächenmodifikation sind häufig verwendete Methoden zur Erhöhung der Oberflächenaktivität von Titanlegierungen. Die Herstellung poröser Titanlegierungen löst nicht nur das Problem des hohen Elastizitätsmoduls, sondern erhöht auch die biologische Leistung der Osseointegration. Allerdings gibt es im Herstellungsprozess verschiedener poröser Titanlegierungen noch viele Probleme, die diskutiert und gelöst werden müssen. Die Anwendung funktionalisierter Beschichtungen poröser Strukturen und die Entdeckung trabekulärer biomimetischer Strukturen bieten bessere Möglichkeiten für die Weiterentwicklung biologischer Anwendungen von Titanlegierungen. Für die Zukunft besteht die Hoffnung, dass neben der Verbesserung der mechanischen Struktur und anderer Eigenschaften von Titanlegierungen auch die Anwendung biologischer Funktionsbeschichtungen auf der Oberfläche von Titanlegierungen kontinuierlich verbessert wird und neue Fortschritte und Entdeckungen bei der Steigerung des lokalen Knochenwachstums, der Osseointegration sowie der antibakteriellen und infektionshemmenden Wirkung erzielt werden.
