آلیاژ های تیتانیوم به مدت طولانی به عنوان برخی از مواد امیدوار کننده برای ایمپلنت های پزشکی و پروتز به دلیل ترکیب منحصر به فرد خود از خواص، مانند قدرت بالا، وزن کم,با این حال، یکی از مهمترین جنبه های تعیین کننده مناسب بودن آنها برای کاربردهای پزشکیسازگاری زیستی- توانایی یک ماده برای عملکرد در محیط بیولوژیکی بدون ایجاد یک واکنش نامطلوب. این تحقیق سازگاری زیستی آلیاژ های تیتانیوم را بررسی می کند.با تمرکز بر عملکرد آنها در بدن انسان و چالش های مرتبط با بهینه سازی این مواد برای استفاده پزشکی.

1.خلاصه ای از آلیاژ های تیتانیوم در کاربردهای پزشکی

تیتانیوم و آلیاژ های آن به طور معمول در طیف وسیعی از کاربردهای پزشکی استفاده می شود، از جمله:

ایمپلنت های ارتوپدی(به عنوان مثال، جایگزینی ران و زانو، پیچ استخوان)

ایمپلنت های دندان

دستگاه های قلبی عروقی(به عنوان مثال، دریچه های قلبی، استنت ها)

ایمپلنت های کرانیوماکسیلوفاسیال

دلیل استفاده گسترده از تیتانیوم در زمینه پزشکی استفاده از آن استبی حرمت بیولوژیکی- این ماده با بافت ها و مایعات بدن واکنش منفی نشان نمی دهد و در صورت کاشت به حداقل رد یا التهاب منجر می شود.نسبت قدرت بالا به وزنو به راحتی می توانند به هندسه های پیچیده ای تبدیل شوند، که برای ایمپلنت های پزشکی ضروری است.

2.عوامل کلیدی سازگاری زیستی برای آلیاژ های تیتانیوم

عوامل متعددی بر سازگاری زیستی آلیاژ های تیتانیوم تأثیر می گذارند:

الف.مقاومت در برابر خوردگی

یکی از مطلوب ترین ویژگی های تیتانیوم مقاومت خارش استثنایی آن است که در محیط خشن و پر از مایعات بدن انسان ضروری است.لایه اکسید غیرفعال کننده (TiO2)این لایه در اکثر محیط های فیزیولوژیکی پایدار است، اما سازگاری زیستی می تواند تحت تاثیر:

تخریب لایه اکسید:در برخی موارد، لایه اکسید ممکن است در طول زمان تخریب شود، به ویژه در محیط های تهاجمی مانند شرایط اسیدی یا التهابی.

تغییر سطح:درمان های سطحی (به عنوان مثال، آنودیزاسیون، پوشش با هیدروکسیپاتیت) می تواند مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشد و باعث افزایشادغام استخوان، فرآیند رشد استخوان به سطح ایمپلنت.

ب.سیتوتوکسیکی

سیتوتوکسیتی به پتانسیل یک ماده برای ایجاد اثرات مضر بر روی سلول ها اشاره دارد. در حالی که تیتانیوم به طور کلی غیر سمی در نظر گرفته می شود، عناصر آلیاژ مانند:وانادیوم، آلومینیوم و مولیبدنوم، ممکن است برخی نگرانی ها را در مورد سیتوتوکسیسیتی ایجاد کند، به ویژه اگر این عناصر به دلیل خوردگی یا فرسایش به بدن آزاد شوند.تحقیقات در حال انجام است تا اثرات این عناصر ردیابی را بر روی سلول های انسانی درک شود، به خصوص در رابطه با پاسخ های ایمنی.

ج.واکنش ایمنی

سازگاری زیستی تیتانیوم عمدتاً به تعامل حداقل آن با سیستم ایمنی نسبت داده می شود.واکنش بدن خارجی(به عنوان مثال، التهاب، فیبروز) در پاسخ به ایمپلنت های تیتانیوم، به ویژه در افراد مبتلا به آلرژی یا حساسیت به برخی از آلیاژ های فلزی.مطالعات نشان داده است که خود تیتانیوم به ندرت واکنش ایمنی را ایجاد می کند، اما وجود سایر عناصر آلیاژ دهنده یا آلاینده های سطحی ممکن است بر یکپارچه سازی بافت تأثیر بگذارد.

د.ادغام استخوان

یکی از ویژگی های کلیدی که آلیاژ های تیتانیوم را برای ایمپلنت های ارتوپدی و دندانپزشکی ایده آل می کند توانایی آنها در دستیابی بهادغام استخوان-روشي که سلول هاي استخواني به سطح ايمپلنت متصل مي شوند و رشد مي کنند. خشکي سطح، سوراخ و تركيب شيميايي تيتانيوم مي تواند بر انسجام استخواني تاثير بگذارد.تحقیقات نشان داده است که درمان های سطحی، مانند میکرو-سخت کردن، شن و ماسه زدن و اسپری پلاسما، پاسخ بیولوژیکی را با ترویج چسبندگی استیوبلاست ها (سلول های تشکیل دهنده استخوان) افزایش می دهند.

اِ.فرسایش و تولید ذرات

استفاده و نسل بعدی ازذرات زبالهاین یک عامل مهم دیگر است که بر سازگاری زیستی تاثیر می گذارد. با گذشت زمان، فشارهای مکانیکی بر روی ایمپلنت های تیتانیوم ممکن است باعث شود که آنها ذرات ظریف را به بافت اطراف آزاد کنند.این ذرات می توانند واکنش التهابی ایجاد کنند و به گشایش یا شکست ایمپلنت کمک کنند.تحقیق در مورد پوشش های مقاوم در برابر فرسایش و توسعه آلیاژ های جدید تیتانیوم با هدف کاهش میزان فرسایش و انتشار ذرات، بهبود نتایج طولانی مدت برای بیماران است.

3.تحقیقات و نوآوری های اخیر در زمینه سازگاری زیستی

الف.اصلاحات سطح سازگار با زیست

پیشرفت های اخیر در تکنیک های اصلاح سطح بر بهبود تعامل بین آلیاژ های تیتانیوم و بافت های بیولوژیکی متمرکز شده است.

پوشش هیدروکسیاپاتیت (HA):HA، یک ماده معدنی موجود در استخوان، می تواند به آلیاژ های تیتانیوم برای ترویج اتصال بهتر استخوان اعمال شود. این به ویژه در برنامه هایی مانند ایمپلنت های دندان و جایگزینی مفاصل مفید است.

نانولوله های اکسید تیتانیوم (TiO2):ایجاد ویژگی های مقیاس نانو در سطح ایمپلنت های تیتانیوم، چسبندگی سلول، تکثیر و تمایز را به ویژه برای استئو بلاست ها افزایش می دهد.این منجر به یکپارچگی استخوان سریع تر و قوی تر می شود..

اسپری پلاسما:پوشش های اسپری شده پلاسما را می توان بر روی تیتانیوم اعمال کرد تا مقاومت در برابر فرسایش را بهبود بخشد، خشکی سطح را افزایش دهد و رشد استخوان را تشویق کند.

ب.آلیاژ های تیتانیوم با سمیت کم

برای رسیدگی به نگرانی های مربوط به سیتوتوکسیسیت عناصر آلیاژ مانندآلومینیومووانادیوم، پژوهش ها بر توسعهآلیاژ های تیتانیوم با عناصر سازگار با زیست شناسی بیشتر، مثلنیوبیوم، تانتالوموزرکونیوماین عناصر نه تنها کمتر سمی هستند، بلکه باعث بهبود انسجام استخوان می شوند و آنها را برای ایمپلنت های پزشکی طولانی مدت مناسب تر می کنند.

ج.آلیاژ های تیتانیوم قابل تجزیه

یکی دیگر از زمینه های تحقیقاتی نوآورانه، توسعهآلیاژ های تیتانیوم قابل تجزیهکه می تواند به تدریج در بدن با گذشت زمان شکسته شود و نیاز به جراحی حذف ایمپلنت را از بین ببرد.این آلیاژها طراحی شده اند تا قدرت مکانیکی مشابه آلیاژ های سنتی تیتانیوم را ارائه دهند اما به صورت کنترل شده تخریب می شوند، هیچ باقیمانده ای مضر را در خود باقی نمی گذارد.