जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री और प्रौद्योगिकियों का अनुसंधान और विकास

1 परिचय

टाइटेनियम (टीआई) और इसके मिश्र धातुओं में कम घनत्व, उच्च शक्ति और उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध की विशेषताएं हैं, और मूल रूप से विमानन उद्योग में उपयोग किए गए थे। 1940 के दशक की शुरुआत में, टाइटेनियम और इसके मिश्र धातुओं को पहली बार चिकित्सा क्षेत्र में पेश किया गया था। विकास की आधी सदी से अधिक समय के बाद, शुद्ध टाइटेनियम और Ti6A14V मिश्र धातु, सबसे अधिक प्रतिनिधि टाइटेनियम-आधारित चिकित्सा धातु सामग्री के रूप में, कई चिकित्सा क्लीनिकों में उपयोग किया गया है, विशेष रूप से आर्थोपेडिक्स और दंत चिकित्सा के क्षेत्र में, स्टेनलेस स्टील और कोबाल्ट-आधारित की जगह। बड़ी मात्रा में मिश्रधातुएँ। हालाँकि, टाइटेनियम मिश्र धातु एक प्रकार की जैविक रूप से निष्क्रिय सामग्री है जिसमें कोई जीवाणुरोधी गुण नहीं होते हैं और यह प्रत्यारोपण के कारण होने वाली संक्रमण समस्याओं के खिलाफ शक्तिहीन है। वर्तमान में, मेडिकल टाइटेनियम मिश्र धातुओं की सतह पर अकार्बनिक या कार्बनिक जीवाणुरोधी एजेंटों को लोड करने के लिए आमतौर पर मैग्नेट्रोन स्पटरिंग, इलेक्ट्रोकेमिकल जमाव, आयन आरोपण, माइक्रो-आर्क ऑक्सीकरण और अन्य तरीकों का उपयोग किया जाता है, जिससे उन्हें जीवाणुरोधी गुण मिलते हैं। सतह संशोधन के माध्यम से तैयार किए गए जीवाणुरोधी कोटिंग्स के फायदे स्पष्ट हैं, लेकिन अभी भी कमियां हैं, जैसे अपेक्षाकृत जटिल कोटिंग प्रक्रिया, उत्पादन लागत में वृद्धि, कोटिंग और सब्सट्रेट के बीच खराब संबंध, कोटिंग का आसान घिसाव और खराब दीर्घकालिक। जीवाणुरोधी प्रदर्शन प्रतीक्षा करें। प्रत्यारोपित टाइटेनियम मिश्र धातुओं के कारण होने वाली संक्रमण समस्याओं और जीवाणुरोधी कोटिंग्स की कमी के जवाब में, लोगों ने मिश्र धातु संरचना को समायोजित करके अपने स्वयं के जीवाणुरोधी कार्यों के साथ नए जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातुओं को विकसित करने का प्रयास करना शुरू कर दिया है।

2. जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातु का जीवाणुरोधी तंत्र

बैक्टीरिया के प्रसार का बैक्टीरिया बायोफिल्म के निर्माण से गहरा संबंध है। बैक्टीरियल बायोफिल्म की निर्माण प्रक्रिया को चित्र 1 में दिखाया गया है। प्लैंकटोनिक बैक्टीरिया सामग्री मैट्रिक्स पर उतरने के बाद बढ़ते हैं और गुणा करते हैं, जिससे एक बैक्टीरियल बायोफिल्म बनता है। बायोफिल्म की सतह घने बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स की एक परत है। बाह्य मैट्रिक्स की इस परत में एक ठोस संरचना और उच्च शक्ति होती है। अंदर लिपटे बैक्टीरिया निकट संपर्क में होते हैं, जो बाहरी हानिकारक पदार्थों के प्रवेश को रोकते हुए बैक्टीरिया के बीच संपर्क और सामग्री के आदान-प्रदान को बढ़ाता है। इसलिए, बायोफिल्म बनने के बाद, यह एंटीबायोटिक दवाओं, परिरक्षकों और अन्य बाहरी रसायनों से आसानी से परेशान नहीं होता है, इसलिए आमतौर पर इस्तेमाल होने वाले एंटीबायोटिक दवाओं द्वारा इसे हटाया जाना मुश्किल होता है।

चित्र 1 बैक्टीरियल बायोफिल्म की निर्माण प्रक्रिया

जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातुओं के जीवाणुरोधी तंत्र को निम्नलिखित चार चरणों में विभाजित किया जा सकता है: ① जीवाणुरोधी धातु की सतह जीवाणुरोधी कार्यों के साथ धातु आयनों को छोड़ती है; ② नकारात्मक रूप से चार्ज की गई जीवाणु कोशिकाएं और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए धातु आयन एक दूसरे के प्रति आकर्षित होते हैं, और धातु आयन बैक्टीरिया में अवशोषित हो जाते हैं ③ धातु आयन बैक्टीरिया की कोशिका दीवार और कोशिका झिल्ली को नष्ट कर देते हैं, या उनकी प्रोटीन संरचना को नष्ट कर देते हैं, जिससे साइटोप्लाज्म लीक हो जाता है; ④ धातु आयन आगे चलकर जीवाणु कोशिका दीवार में प्रवेश करते हैं और जीवाणु डीएनए के साथ जुड़ जाते हैं, जिससे जीवाणु विकृतीकरण और प्रतिकृति क्षमता का नुकसान होता है। चाहे वह कोशिका भित्ति या आनुवंशिक सामग्री को नुकसान हो, बैक्टीरिया मर जाएंगे।

3. अनुसंधान प्रगति

3.1 Ti-Ag जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातु

मिश्रधातु तत्व के रूप में सिल्वर (एजी), टाइटेनियम-आधारित धातुओं के संक्षारण प्रतिरोध और यांत्रिक गुणों में सुधार कर सकता है। ताकाहाशी एट अल. पाया गया कि 20wt% Ag जोड़ने से उच्च बढ़ाव बनाए रखते हुए कास्ट टाइटेनियम मिश्र धातुओं की ताकत और पहनने के प्रतिरोध में सुधार हो सकता है। शिम एट अल. साबित हुआ कि Ti-Ag मिश्र धातु में शुद्ध टाइटेनियम की तुलना में बेहतर संक्षारण प्रतिरोध है। एजी में अच्छी जैव अनुकूलता भी है, और एजी-एचजी मिश्र धातु का उपयोग दंत सामग्री के रूप में किया गया है। एजी युक्त कोटिंग्स के उत्कृष्ट जीवाणुरोधी गुणों की पुष्टि कई अध्ययनों से की गई है। इसलिए, टाइटेनियम और उसके मिश्र धातुओं में उचित एजी जोड़कर, कुछ जीवाणुरोधी गुणों के साथ एजी युक्त टाइटेनियम मिश्र धातु प्राप्त करना संभव है। हालाँकि, भले ही कुछ Ti-Ag मिश्र धातुओं में Ag सामग्री बहुत अधिक है, यहाँ तक कि 20wt% तक पहुँचने पर भी, वे महत्वपूर्ण जीवाणुरोधी प्रभाव नहीं दिखाते हैं, यह दर्शाता है कि Ag युक्त टाइटेनियम मिश्र धातुओं के जीवाणुरोधी प्रभाव पूरी तरह से Ag सामग्री द्वारा निर्धारित नहीं होते हैं।

झेंग एट अल. TiNi आकार मेमोरी मिश्र धातु में 2.9wt% Ag जोड़ा गया, और प्राप्त कास्ट TiNi मिश्र धातु ने कुछ जीवाणुरोधी गुण दिखाए, और स्टैफिलोकोकस ऑरियस के खिलाफ जीवाणुरोधी दर 86.3% तक पहुंच गई। चेन एट अल. Ti-xAg मिश्र धातुओं (x=1,3,5) की एक श्रृंखला प्राप्त करने के लिए शुद्ध टाइटेनियम पाउडर के साथ सिंटर करने के लिए विभिन्न सामग्रियों और विभिन्न कण आकारों वाले Ag पाउडर का उपयोग किया जाता है। उनके यांत्रिक गुण, संक्षारण गुण, जीवाणुरोधी गुण और इन विट्रो सेल चरण समाई की विशेषता और मूल्यांकन किया गया था। जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, 10 μm के Ag कण आकार वाले Ti-Ag मिश्र धातु की जीवाणुरोधी गतिविधि 75 μm के Ag कण आकार वाले Ti-Ag मिश्र धातु की तुलना में अधिक है। Ag आयन रिलीज़ के नियम के विपरीत, 10 μm के Ag कण आकार वाले Ti-Ag मिश्र धातु की आयन रिलीज़ मात्रा 75 μm के Ag पाउडर कण आकार वाले Ti-Ag मिश्र धातु की तुलना में कम है, जो दर्शाता है कि Ti-Ag मिश्र धातु का जीवाणुरोधी प्रदर्शन मैट्रिक्स पर मौजूद नैनो/माइक्रोन-स्केल मिश्रित चांदी के कणों से निकटता से संबंधित होना चाहिए।

चित्र 2 शुद्ध Ti और Ti-Ag मिश्र धातु की सतह पर जीवाणु उपनिवेश

3.2 Ti-Cu जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातु

2009 में, शिराई एट अल। सबसे पहले Ti-xCu(x=1,5) मिश्र धातु के जीवाणुरोधी प्रभाव का अध्ययन किया। परिणामों से पता चला कि Ti{4}}Cu में ई. कोलाई के खिलाफ महत्वपूर्ण जीवाणुरोधी गुण हैं और अच्छी जैविक सुरक्षा है, जो तांबा युक्त बैक्टीरिया और टाइटेनियम मिश्र धातुओं के बीच अंतर को खोलती है, जो चिकित्सा धातु सामग्री अनुसंधान के लिए पर्दे के रूप में काम करती है। इसके बाद, झांग एट अल। Ti{6}}wt%Cu मिश्र धातु तैयार करने के लिए पाउडर धातु विज्ञान का उपयोग किया, और मिश्र धातु के जीवाणुरोधी गुणों, यांत्रिक गुणों और संक्षारण गुणों का अध्ययन किया। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, Ti-10 Cu मिश्र धातु स्टैफिलोकोकस ऑरियस और स्टैफिलोकोकस ऑरियस के लिए प्रतिरोधी है। ई. कोलाई सभी में महत्वपूर्ण घातक प्रभाव होते हैं। Ti{9}}Cu मिश्रधातु के अंतःस्रावी प्रत्यारोपण परीक्षण के परिणाम बताते हैं कि Ti{10}}Cu मिश्रधातु में अस्थि कोशिका अनुकूलता अच्छी है। आगे के शोध परिणामों से पता चलता है कि टाइटेनियम में कम से कम 5% Cu जोड़ने से एक महत्वपूर्ण जीवाणुरोधी प्रभाव होगा। जीवाणुरोधी और संक्रमण-विरोधी उद्देश्य के लिए, धातु अनुसंधान संस्थान, चीनी विज्ञान अकादमी ने जीवाणुरोधी कार्यों के साथ तांबा युक्त टाइटेनियम मिश्र धातुओं की एक श्रृंखला विकसित की है, और बड़ी संख्या में इन विट्रो और विवो पशु प्रयोगात्मक अनुसंधान का संचालन किया है। Ti में Cu की ठोस घुलनशीलता बहुत कम है। जब उच्च तापमान से 790 डिग्री तक ठंडा किया जाता है, तो सुपरसैचुरेटेड Cu Ti2Cu इंटरमेटेलिक यौगिक के रूप में अवक्षेपित हो जाता है। इसके और मैट्रिक्स के बीच संभावित अंतर मिश्र धातु को शारीरिक वातावरण में तांबे के आयनों की ट्रेस मात्रा जारी करने के लिए बढ़ावा देगा। , इस प्रकार एक मजबूत जीवाणुनाशक प्रभाव डालता है।

चित्र 3 स्टैफिलोकोकस ऑरियस और एस्चेरिचिया कोलाई पर Ti{1}}Cu का घातक प्रभाव

3.3 Ti6Al4V-Cu जीवाणुरोधी टाइटेनियम मिश्र धातु

पेंग एट अल. थर्मली प्रोसेस्ड Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) मिश्र धातु पर व्यापक प्रदर्शन अनुकूलन किया गया। शोध के नतीजे बताते हैं कि मिश्र धातु के सर्वोत्तम यांत्रिक गुणों, संक्षारण प्रतिरोध और पहनने के प्रतिरोध को प्राप्त करने के लिए, मिश्र धातुओं के तीन समूहों के थर्मल प्रसंस्करण के बाद इष्टतम गर्मी उपचार प्रक्रियाओं को 720 डिग्री, 740 डिग्री और 760 डिग्री पर रखा जाना चाहिए। 1 घंटा और फिर हवा में ठंडा करें। चित्र 4 में, उन्हें क्रमशः 4.5Cu-720, 6Cu-740 और 7.5Cu-760 द्वारा दर्शाया गया है। मिश्र धातुओं के तीन समूहों के जीवाणुरोधी परीक्षण और साइटोटोक्सिसिटी परीक्षण के परिणाम चित्र 4 में दिखाए गए हैं। चित्र 4 (ए) - (डी) से, यह देखा जा सकता है कि Ti6Al4V मिश्र धातु के साथ सह-संस्कृति के बाद और बाद में अधिक जीवाणु उपनिवेश हैं Ti6A14V-Cu मिश्र धातु के साथ सह-संस्कृति बैक्टीरिया कालोनियों की संख्या छोटी है, यह दर्शाता है कि तांबा युक्त टाइटेनियम मिश्र धातु में मजबूत जीवाणुरोधी गुण हैं। चित्र 4(ई) Ti6Al4V-xCu मिश्र धातु की जीवाणुरोधी दर को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि 4.5Cu-720 नमूने की जीवाणुरोधी दर लगभग 80% है। जैसे-जैसे Cu सामग्री बढ़ती है, मिश्र धातु की जीवाणुरोधी दर थोड़ी बढ़ जाती है, यह दर्शाता है कि जीवाणुरोधी प्रदर्शन में सुधार हुआ है। जैसा कि चित्र 4(एफ) से देखा जा सकता है, जब 1 और 3 दिनों के लिए कोशिकाओं के साथ सह-संवर्धित किया जाता है, तो Ti6A14V-Cu मिश्र धातु और Ti6A14V मिश्र धातु के अवशोषण मूल्य बहुत भिन्न नहीं होते हैं; लेकिन 7 दिनों में, 7.5Cu-760 का मान Ti6A14V मिश्र धातु की तुलना में काफी कम है, जो दर्शाता है कि 7 दिनों में इसमें कुछ निश्चित साइटोटोक्सिसिटी है। यह देखा जा सकता है कि Ti6A14V-xCu मिश्र धातु के लिए, Cu सामग्री 6% से अधिक नहीं होनी चाहिए, अन्यथा मिश्र धातु लंबे समय के बाद एक निश्चित डिग्री साइटोटोक्सिसिटी दिखाएगा।

चित्र 4 Ti6A14V (ए) 4.5Cu-720; (बी) 6Cu-740; (सी) 7.5Cu-760; (डी) मिश्र धातु सह-संस्कृति के बाद जीवाणु विकास आकृति विज्ञान; (ई) Ti6Al4V मिश्र धातु की जीवाणुरोधी दरों की तुलना; (एफ) 1, 3 और 7 दिनों के लिए विभिन्न मिश्र धातुओं के साथ सह-संवर्धित कोशिकाओं का अवशोषण मूल्य