Lớp phủ thủy tinh-gốm được cấu trúc nano cho các ứng dụng chỉnh hình-Phần 1

Lớp phủ bằng thủy tinh-gốm có cấu trúc nano cho các ứng dụng chỉnh hình

Guocheng Wang1, Zufu Lu 1 , Xuanyong Liu 2 , Xiaming Zhou 2 ,

Chuanxian Ding 2 và Hala Zreiqat 1 , *

1 Đơn vị nghiên cứu vật liệu sinh học và mô kỹ thuật, Trường AMME,

Đại học Sydney, Sydney 2006, Úc

2 Viện gốm sứ Thượng Hải, Học viện Khoa học Trung Quốc, Thượng Hải 200050,

Cộng hòa nhân dân Trung Hoa


Thủy tinh - gốm đã thu hút nhiều sự chú ý trong lĩnh vực y sinh học, vì chúng cung cấp khả năng tuyệt vời để thao tác tài sản của chúng bằng phương pháp hậu xử lý, bao gồm sức mạnh, tỷ lệ suy thoái và hệ số giãn nở nhiệt. Trong công trình này, lớp phủ thủy tinh-gốm cứng (HT; Ca2Sn2O2) và sphene (SP; CaTiSiO5) với cấu trúc nano được chuẩn bị bằng kỹ thuật phun plasma sử dụng bột thông thường. Độ bền liên kết và độ cứng Vickers đối với lớp phủ HT và SP cao hơn giá trị được báo cáo cho lớp phủ hydroxyapatite phun plasma. Cả hai loại lớp phủ đều phát ra các ion canxi (Ca) và ion silic (Si) hoạt động sinh học vào môi trường xung quanh. Thử nghiệm khoáng hóa trong môi trường nuôi cấy không có tế bào cho thấy nhiều hợp chất Ca và photpho giống nấm hình thành trên lớp phủ HT sau 5 giờ, cho thấy khả năng khoáng hóa cao của nó. Tế bào xương người nguyên phát gắn, lan rộng và sinh sôi nảy nở tốt trên cả hai loại lớp phủ. Tốc độ gia tăng cao hơn đã được quan sát trên lớp phủ HT so với lớp phủ SP và hợp kim Ti-6Al-4V không tráng, có thể do các ion kẽm thoát ra từ lớp phủ HT. Mức độ biểu hiện cao hơn của Runx2, osteopontin và collagen loại I đã được quan sát thấy trên cả hai loại chất phủ so với hợp kim Ti-6Al-4V, có thể do Ca và Si thải ra từ lớp phủ. Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra khả năng sử dụng các lớp phủ HT và SP cho các ứng dụng chỉnh hình.

Từ khóa: phun plasma; chỉnh hình; hợp kim titan ; cấu trúc nano; thủy tinh gốm


  1. GIỚI THIỆU

Hợp kim titan (Ti-6Al-4V) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chỉnh hình bao gồm khớp hông nhân tạo, tấm xương và cấy ghép nha khoa vì các tính chất cơ học tuyệt vời của nó [1]. Tuy nhiên, nhược điểm chính của cấy ghép Ti-6Al-4V là sự hình thành mô xơ dày đặc ở giao diện cấy ghép xương do tính sinh học của nó [2], gây nguy hiểm cho sự ổn định của bộ phận giả, dẫn đến thất bại sớm của thiết bị. Lớp phủ Ti-6Al-4V cấy ghép với lớp phủ hoạt tính sinh học là một cách hiệu quả để giải quyết vấn đề này, vì lớp phủ có thể đẩy nhanh sự hình thành xương mới ở giao diện cấy ghép xương, dẫn đến neo mạnh mẽ của vật liệu thiết bị trong mô xương xung quanh và do đó kéo dài thời gian sống của cấy ghép. Các kỹ thuật sửa đổi bề mặt khác nhau đã được sử dụng, bao gồm sol-gel, phun plasma, lắng đọng sinh học, lắng đọng laser xung và kỹ thuật chùm ion [3]. Phun Plasma là kỹ thuật thương mại được thành lập nhiều nhất, do tỷ lệ lắng đọng cao, tiền gửi dày, chi phí vận hành thấp [4], cùng với bề mặt thô của lớp phủ phun plasma là thuận lợi cho việc cố định xương [ 5]. Lớp phủ hydroxyapatite (HAp) phun plasma đã được thương mại hóa và được sử dụng rộng rãi trong các khớp thay khớp hông do sự tương đồng hóa học của HAp với thành phần vô cơ của xương người. Tuy nhiên, mối quan tâm chính với lớp phủ HAp là độ bền liên kết thấp của nó với Ti-6Al-4V cơ bản do sự không phù hợp của hệ số giãn nở nhiệt của chúng, điều này sẽ làm tăng nguy cơ phân lớp của lớp phủ. Khi sự phân hủy xảy ra, các mảnh của lớp phủ sẽ thúc đẩy tình trạng viêm và thoái hóa kết quả, do đó ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của các cấy ghép Ti-6Al-4V [6].

Một phương pháp thay thế là phủ lớp cấy ghép với bioglass dựa trên CaO-SiO2 có hoạt tính sinh học đã được ghi nhận rõ trong ống nghiệm [7-11] và in vivo [12,13]. Tuy nhiên, hầu hết các lớp phủ bioglass phun plasma không do liên kết giao tiếp yếu với hợp kim Ti-6Al-4V do hệ số giãn nở nhiệt cao hơn (14-15 x 10 -6 K -1 [14]) so với hợp kim ( 8,4–8,8 × 10 -6 K -1 [15]) [16]. Tốc độ thoái hóa cao là một rào cản khác đối với việc sử dụng bioglass như lớp phủ cấy ghép . Tuy nhiên, người ta biết rằng việc giải phóng các ion canxi (Ca) và silic (Si) giúp tăng cường sự gắn kết, tăng sinh và phân hóa của osteoblast [17–20], và thúc đẩy sự hình thành xương [11,21]. Do đó, thiết kế lớp phủ dựa trên CaO-SiO2 với việc giải phóng giới hạn các ion Ca và Si, sẽ không ảnh hưởng đến độ ổn định lâu dài của lớp phủ, sẽ dẫn đến lớp phủ có hoạt tính sinh học tăng cường. Trong công việc trước đây của chúng tôi, chúng tôi đã báo cáo rằng hardystonite (HT) hoặc sphene

(SP) gốm sứ, được sản xuất bằng cách bổ sung ZnO [22] hoặc TiO2 [23], tương ứng, vào hệ thống CaO-SiO2, có độ ổn định hóa học tốt hơn so với gốm CaSiO3. Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt của chúng (11,2 × 10 -6 K -1 đối với HT [24]; 6 × 10 -6 K -1 đối với SP [25]) gần hơn với các hợp kim Ti-6Al-4V , ngụ ý rằng cao hơn cường độ liên kết phải đạt được. Do đó, có thể cho rằng HT và SP sẽ là lớp phủ ứng cử viên thích hợp cho các ứng dụng chỉnh hình.


******còn tiếp******