Hợp kim titan từ lâu đã được coi là một số vật liệu hứa hẹn nhất cho cấy ghép y tế và đồ giả do sự kết hợp độc đáo của các tính chất, chẳng hạn như độ bền cao, trọng lượng nhẹ,Tuy nhiên, một trong những khía cạnh quan trọng nhất quyết định sự phù hợp của chúng cho các ứng dụng y tế làKhả năng tương thích sinh học-khả năng của một vật liệu hoạt động trong môi trường sinh học mà không gây ra phản ứng bất lợi.tập trung vào hiệu suất của chúng trong cơ thể con người và những thách thức liên quan đến tối ưu hóa các vật liệu này cho sử dụng y tế.

1.Tổng quan về hợp kim titan trong các ứng dụng y tế

Titanium và hợp kim của nó thường được sử dụng trong một loạt các ứng dụng y tế, bao gồm:

Cấy ghép chỉnh hình(ví dụ, thay thế hông và đầu gối, vít xương)

Cấy ghép răng

Thiết bị tim mạch(ví dụ, van tim, stent)

Các cấy ghép xương sọ và da mặt

Lý do cho việc sử dụng titan rộng rãi trong lĩnh vực y tế làsự trơ trệ sinh học- nó không phản ứng tiêu cực với các mô và dịch cơ thể, dẫn đến sự từ chối hoặc viêm tối thiểu khi cấy ghép.Tỷ lệ sức mạnh/trọng lượng caovà có thể dễ dàng hình thành thành các hình học phức tạp, điều này rất cần thiết cho cấy ghép y tế.

2.Các yếu tố tương thích sinh học chính cho hợp kim titan

Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tương thích sinh học của hợp kim titan:

A.Chống ăn mòn

Một trong những đặc điểm mong muốn nhất của titan là khả năng chống ăn mòn đặc biệt của nó, điều này là rất cần thiết trong môi trường khắc nghiệt, đầy chất lỏng của cơ thể con người.Lớp oxit thụ động (TiO2)Lớp này ổn định trong hầu hết các môi trường sinh lý, nhưng khả năng tương thích sinh học có thể bị ảnh hưởng bởi:

Phân hủy lớp oxit:Trong một số trường hợp, lớp oxit có thể bị suy giảm theo thời gian, đặc biệt là trong môi trường hung hăng như tình trạng axit hoặc viêm.

Thay đổi bề mặt:Các phương pháp xử lý bề mặt (ví dụ: anodization, phủ hydroxyapatite) có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn và thúc đẩykết hợp xương, quá trình mà qua đó xương phát triển vào bề mặt của cấy ghép.

B.Chất độc tế bào

Chất độc tế bào đề cập đến khả năng của một vật liệu gây ra tác dụng có hại đối với tế bào.Vanadium, nhôm và molybdenum, có thể gây ra một số mối quan tâm về độc hại tế bào, đặc biệt là nếu các yếu tố này được giải phóng vào cơ thể do ăn mòn hoặc mòn.Nghiên cứu đang được tiến hành để hiểu tác động của các nguyên tố vi lượng này đối với các tế bào con người, đặc biệt là liên quan đến phản ứng miễn dịch.

C.Phản ứng miễn dịch

Tính tương thích sinh học của titan phần lớn là do tương tác tối thiểu với hệ thống miễn dịch.Phản ứng với vật xa lạ(ví dụ, viêm, xơ hóa) để đáp ứng với cấy ghép titan, đặc biệt là ở những người bị dị ứng hoặc nhạy cảm với một số hợp kim kim loại.Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng titan hiếm khi kích hoạt phản ứng miễn dịch, nhưng sự hiện diện của các yếu tố hợp kim khác hoặc các chất gây ô nhiễm bề mặt có thể ảnh hưởng đến sự tích hợp mô.

D.Tích hợp xương

Một trong những đặc điểm chính làm cho hợp kim titan lý tưởng cho cấy ghép chỉnh hình và nha khoa là khả năng đạt đượckết hợp xương- Quá trình mà các tế bào xương gắn vào và phát triển trên bề mặt cấy ghép.Nghiên cứu đã chứng minh rằng xử lý bề mặt, chẳng hạn như micro-roughening, xả cát và phun plasma, tăng cường phản ứng sinh học bằng cách thúc đẩy sự dính của các tế bào xương (tế bào hình thành xương).

E.Xỉa mòn và tạo ra hạt

Mặc và thế hệ tiếp theo củaCác hạt chất thảilà một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến khả năng tương thích sinh học Theo thời gian, các căng thẳng cơ học trên cấy ghép titan có thể khiến chúng giải phóng các hạt mịn vào mô xung quanh.Những hạt này có thể kích hoạt phản ứng viêm và góp phần làm nới lỏng cấy ghép hoặc thất bạiNghiên cứu về lớp phủ chống mòn và phát triển hợp kim titan mới nhằm giảm tỷ lệ mòn và giải phóng hạt, cải thiện kết quả lâu dài cho bệnh nhân.

3.Nghiên cứu và đổi mới gần đây về khả năng tương thích sinh học

A.Biocompatible Surface Modifications (Các sửa đổi bề mặt tương thích sinh học)

Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật sửa đổi bề mặt đã tập trung vào việc cải thiện sự tương tác giữa hợp kim titan và các mô sinh học.

Lớp phủ hydroxyapatite (HA):HA, một khoáng chất được tìm thấy trong xương, có thể được áp dụng cho hợp kim titan để thúc đẩy gắn kết xương tốt hơn.

Các ống nano oxit titan (TiO2):Việc tạo ra các tính năng quy mô nano trên bề mặt cấy ghép titan tăng cường gắn kết, gia tăng và phân biệt tế bào, đặc biệt là cho các tế bào xương.Điều này dẫn đến sự tích hợp xương nhanh hơn và mạnh hơn.

Bụi phun plasma:Các lớp phủ phun plasma có thể được áp dụng cho titan để cải thiện khả năng chống mòn, tăng độ thô bề mặt và khuyến khích tăng trưởng xương.

B.Các hợp kim titan có độc tính giảm

Để giải quyết mối quan tâm về độc tính tế bào của các yếu tố hợp kim nhưnhômvàvanadium, nghiên cứu tập trung vào phát triểnHợp kim titan với các yếu tố tương thích sinh học hơn, nhưNiobium, tantalum,vàZirconiumCác yếu tố này không chỉ ít độc hại hơn mà còn thúc đẩy sự tích hợp xương tốt hơn, làm cho chúng phù hợp hơn cho cấy ghép y tế lâu dài.

C.Các hợp kim titan phân hủy sinh học

Một lĩnh vực nghiên cứu sáng tạo khác liên quan đến việc phát triểnHợp kim titan phân hủy sinh họccó thể dần dần bị phá vỡ trong cơ thể theo thời gian, loại bỏ sự cần thiết của phẫu thuật loại bỏ cấy ghép.Các hợp kim này đang được thiết kế để cung cấp sức mạnh cơ học tương tự như hợp kim titanium truyền thống nhưng phân hủy theo cách kiểm soát, không để lại dư lượng có hại.