Tiの電気化学的および生物学的特性評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2312 (2023) この記事を引用

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4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

現在の生物医学用チタン合金の性能は、移植後の炎症および重度の炎症状態によって制限されます。 この研究では、新しい Ti-Nb-Zr-Si (TNZS) 合金が開発され、市販の純チタンおよび Ti-6Al-4V 合金と比較されました。 標本の電気化学パラメータは、通常のリン酸緩衝食塩水 (PBS)、炎症媒体としての PBS/過酸化水素 (H2O2)、重度の炎症媒体としての PBS/H2O2/アルブミン/乳酸塩に 1 時間および 12 時間浸漬してモニタリングされました。 その結果、炎症状態における H2O2 の効果と、重度の炎症状態における H2O2、アルブミン、乳酸塩の相乗作用がチタン生体材料の耐食性を低下させることが示されました。 電気化学試験により、ケイ化物相の存在により、TNZS はあらゆる条件下で優れた耐食性を示すことが明らかになりました。 開発された TNZS は、その生体適合性の性質を理解するために、その後の細胞培養研究のためにテストされました。 Ti-6Al-4V と比較して、in vitro で良好な細胞-材料相互作用を示しました。 この結果は、TNZS 合金が整形外科用途における競争力のある生体材料である可能性を示唆しています。

各国で高齢者人口が増加するにつれ、人工インプラントの需要が高まっています1。 市販のインプラント装置の約 80% は、骨格系の変形を矯正するための金属生体材料で作られています 2,3。 市販の純チタン（CP-Ti、グレード 2、UNS R50400）は、その適切な耐食性と十分な生体適合性により、歯科用器具、関節整形外科用代替品、心臓血管用ステントなどの金属生体材料として従来から使用されています4。 CP-Ti は生物医学用インプラントに望ましい特性をすべて備えているわけではないため、より強度の高い Ti-6Al-4V 合金 (グレード 5 合金、UNS R56400 とも呼ばれます) も最も広く使用されています5。 しかし、長期間の用途に有毒で副作用をもたらすアルミニウムやバナジウムの腐食とそれに伴う溶出に対する懸念が高まっており6,7、より低い弾性率、より高い強度、優れた生物学的性能を備えた新しい改良チタン合金が開発されています7。 8.

アルミニウムとバナジウムを含まない開発された合金の 1 つは、Ti-Nb-Zr 系 (ASTM F1713 による UNS R58130) をベースにしており、生体適合性の高い Nb および Zr 元素を含み、60 ～ 80 GPa の範囲でヤング率が低くなります 9,10,11 。 この合金で Nb と Zr を組み合わせると、α-Ti 相や β-Ti 相よりも耐食性の高いβ-Ti 相に近い構造が得られましたが、細胞に対する反応性を損なうことなく、所望のレベルの生体腐食耐性を達成することはできませんでした12。 考えられる添加物の中でも、シリコンは人体の生物学的反応に不可欠な要素と考えられており、新しい骨や結合組織の成長と発達の原動力となります 13,14。

生体材料の移植後、感染症や組織損傷から宿主を保護するために体の免疫系が活性化され、さらに異物反応 15,16 やアルブミンなどのさまざまな生体分子やタンパク質の表面沈着によってさらに複雑になります 17。 白血球は、呼吸バーストを利用して活性酸素種（ROS）、過酸化水素（H2O2）とその誘導体を含む乳酸、次亜塩素酸（HOCl）を細胞外培地に生成することにより、酸素の消費量を増加させます16、18、19、20。 骨組織の場合、破骨細胞は HCl も発現し、炎症中に pH が中性から 5 以下に低下し、酸化的酸性環境を作り出します 18。 重度の炎症状態では、好中球、マクロファージ、微生物がインプラントの周囲に pH ⁓ 2 ～ 3 の非常に酸化的で酸性の媒体を生成する可能性があり、金などの非常に耐性のある材料を溶解するのに十分なほどです。 このような条件下では、チタン上の不動態保護膜が劣化し始め、腐食速度が加速し、表面粗化と高度に水和した多孔質 TiOOH 化合物の形成を引き起こします 22、23、24、25。 最近の研究では、アルブミンと H2O2 の組み合わせにより CP-Ti および Ti-6Al-4V の腐食速度が加速され 26,27、乳酸と H2O2 の存在により耐食性が大幅に低下することが示されました 28,29。 複雑な生体内環境の結果、Ti インプラントの腐食が大幅に加速される可能性があり、その結果、インプラントの寿命が大幅に短くなり、故障のリスクが高くなります 30,31。 したがって、炎症状態でのインプラントの破損を防ぐには、高性能チタン合金への適切な合金添加剤が必要です。 シリコンはいくつかの Ti ベース合金に導入されています 32、33、34 が、Ti-Nb-Zr 系に添加された場合にはまだ十分に分析されていません。 したがって、整形外科用途の潜在的な材料として Ti-Nb-Zr-Si 合金として評価することに関心があります。