Титан

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 470 (2023) Цитировать эту статью

809 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка новых биоматериалов с выдающимися механическими свойствами и высокой биосовместимостью стала серьезной проблемой в последние десятилетия. Нанокристаллические металлы открыли новые возможности в производстве высокопрочных биоматериалов, однако биосовместимость этих нанометаллов нуждается в улучшении. В этом исследовании мы представляем металл-белковые нанокомпозиты как высокопрочные биоматериалы с превосходной биосовместимостью. К титану добавляют небольшие количества бычьего сывороточного альбумина (2 и 5 об.%), широко распространенного белка в организме млекопитающих, и синтезируют два нанокомпозита с использованием процесса жесткой пластической деформации кручения под высоким давлением. Эти новые биоматериалы демонстрируют не только высокую твердость, аналогичную нанокристаллическому чистому титану, но также демонстрируют лучшую биосовместимость (включая клеточную метаболическую активность, параметры клеточного цикла и профиль фрагментации ДНК) по сравнению с нанотитаном. Эти результаты открывают путь к созданию новых биосовместимых композитов с использованием соединений человеческого организма.

В последние годы биоматериалам уделяется значительное внимание в различных областях применения. Разработка металлических биоматериалов для имплантатов является особенно важной проблемой как с исследовательской, так и с технической точки зрения из-за прямого контакта имплантатов с тканями человеческого тела, костями и жидкостями под нагрузкой. Организм человека представляет собой очень агрессивную и сложную среду, приводящую к возникновению различных типов коррозии при имплантации в организм человека несущего искусственного материала1,2,3. Жидкость организма содержит различные органические соединения и значительное разнообразие белков. В организме человека имеется около 105 различных белков, каждый из которых выполняет определенную роль. Сообщалось, что среди этих белков альбумин является наиболее распространенным белком в плазме и синовиальной жидкости4 и, таким образом, присутствует в любой ткани человека, куда может быть имплантирован искусственный материал.

Одним из начальных этапов, существенно влияющим на биосовместимость, является мгновенная адсорбция белков из биологических жидкостей на поверхности биоматериалов1,2. Кроме того, адсорбция белка считается первым и наиболее важным этапом, обеспечивающим адгезию клеток на поверхности биоматериала, и, следовательно, на этом этапе происходят соответствующие клинические явления, такие как остеоинтеграция ортопедических имплантатов1,2,3,4. Альбумин был идентифицирован как самый сильный связующий металл среди белков крови человека, поэтому адсорбция альбумина на поверхности имплантата играет ключевую роль в определении таких поверхностных функций, как биосовместимость, коррозия и трибология5. Белки создают толстый слой на поверхности материала, и клетки воспринимают чужеродные поверхности через этот слой и начинают реагировать. Некоторые сообщения об имплантатах четко выявили наличие белковосодержащих слоев на поверхности1,6, что указывает на важность взаимодействия белков с биомедицинскими сплавами на клеточном уровне.

Титан и его сплавы широко используются в качестве потенциальных биоматериалов во многих различных имплантатах из-за их низкого модуля упругости, высокой усталостной прочности, превосходной коррозионной стойкости, лучшей биосовместимости по сравнению с другими биоматериалами, такими как нержавеющие стали и сплавы Co-Cr7,8, а также низкой плотность 4,5 г/см3, что составляет около половины плотности нержавеющих сталей и сплавов Co-Cr9. Однако основным недостатком титана и его сплавов является их меньшая прочность и твердость по сравнению с нержавеющими сталями и сплавами Co-Cr7,8,9. Недавние исследования показали, что наноструктурирование титана является эффективным решением для повышения его прочности и твердости без ухудшения его биосовместимости10,11.

Успешное использование титановых имплантатов зависит не только от механических свойств, таких как модуль упругости и твердость, но также от остеоинтеграции на границе раздела кость-имплантат12. Однако из-за небиологической активности материалов на основе Ti они не могут напрямую связываться с костью и способствовать образованию новой кости на их поверхности на ранних стадиях имплантации13,14. Чтобы улучшить остеоинтеграцию материалов на основе Ti, использовались два основных метода, основанных на модификации поверхности: (1) контроль топографии поверхности с помощью физических и/или химических изменений15,16; (2) иммобилизация биоактивных молекул на поверхности имплантата17,18. Второй подход, при котором используются покрытия, богатые белками, такими как коллаген19 и бычий сывороточный альбумин (БСА)5,20,21,22, может повысить биосовместимость сплавов на основе титана.