طلاءات الزجاج والسيراميك النانو لتطبيقات تقويم العظام - الجزء 1

طلاءات زجاجية-خزفية نانوية لتطبيقات تقويم العظام

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

Chuanxian Ding 2 and Hala Zreiqat 1 ، *

1 وحدة بحوث الهندسة الحيوية والبيولوجية ، كلية AMME ،

جامعة سيدني ، سيدني 2006 ، أستراليا

2 معهد شنغهاي للسيراميك ، الأكاديمية الصينية للعلوم ، شنغهاي 200050 ،

جمهورية الصين الشعبية


وقد اجتذبت الزجاج والسيراميك الكثير من الاهتمام في مجال الطب الحيوي ، لأنها توفر إمكانات كبيرة للتلاعب في خصائصها عن طريق ما بعد العلاج ، بما في ذلك القوة ، ومعدل التحلل ومعامل التمدد الحراري. في هذا العمل ، تم تحضير الطلاءات الزجاجية المصنوعة من مادة السيراميك (HT ، Ca2ZnSi2O7) و sphene (SP؛ CaTiSiO5) ذات البنية النانوية بواسطة تقنية الرش البلازمي باستخدام المساحيق التقليدية. قوة الصلابة و صلابة فيكرز للطلاءتين HT و SP أعلى من القيم المبلغة للطلاء الهيدروكسيباتيتى الذى يرش البلازما. كلا النوعين من الطلاء يطلق أيونات الكالسيوم النشطة بيولوجيا (Ca) و السيليكون (Si) في البيئة المحيطة. أظهر اختبار التمعدن في وسط الاستزراع الخالي من الخلايا أن العديد من مركبات الفسفور والفوسفور الشبيهة بالفطر تكونت على الطلاء HT بعد 5 ساعات ، مما يشير إلى قدرته على التمعدن اللاخلوي. ترتبط osteoblasts الإنسان الأولية ، وتنتشر وتتكاثر بشكل جيد على كلا النوعين من الطلاء. لوحظ ارتفاع معدل الانتشار على طلاءات HT مقارنة بطبقات SP وسبائك Ti-6Al-4V غير المطلية ، ربما بسبب أيونات الزنك التي تم إطلاقها من الطلاء HT. لوحظت مستويات تعبير أعلى من Runx2 و osteopontin و النوع الأول من الكولاجين على كلا النوعين من الطلاء مقارنة مع سبيكة Ti-6Al-4V ، ربما بسبب Ca و Si المنطلقة من الطلاء. تشير نتائج هذه الدراسة إلى الاستخدام المحتمل للطلاء HT و SP لتطبيقات تقويم العظام.

كلمات البحث: رذاذ البلازما. تقويم العظام؛ سبائك التيتانيوم البنية النانوية ؛ جينات عظمية المنشأ ؛ الزجاج والسيراميك


  1. المقدمة

يستخدم على نطاق واسع سبائك التيتانيوم (Ti-6Al-4V) في تطبيقات العظام بما في ذلك المفاصل الورك الاصطناعي ، لوحات العظام وزراعة الأسنان بسبب خصائصه الميكانيكية الممتازة [1]. ومع ذلك ، فإن العيب الرئيسي للغرسات Ti-6Al-4V هو تكوين الأنسجة الليفية الكثيفة في واجهة الزرع والعظم بسبب وجودها الحيوي [2] ، مما يهدد استقرار الأطراف الاصطناعية ، مما يؤدي إلى فشل الأجهزة المبكرة. طلاء طبقة Ti-6Al-4V المطلية بالطلاء النشط حيويًا هو وسيلة فعالة لحل هذه المشكلة ، حيث يمكن للطلاء تسريع تكوين العظم الجديد عند واجهة العظم- الزرع ، مما يؤدي إلى رسو قوي لمواد الجهاز في الأنسجة العظمية المحيطة وبالتالي تمديد فترة الحياة من يزرع. تم استخدام تقنيات مختلفة لتعديل السطح ، بما في ذلك sol – gel ، وبلازما الرش ، وترسيب المحاكاة البيولوجية ، وترسيب الليزر النبضي وتقنيات حزمة الأيونات [3]. يعتبر رذاذ البلازما الطريقة التجارية الأكثر رسوخًا ، بسبب ارتفاع معدل الترسيب ، والودائع السميكة ، وانخفاض تكلفة رأس المال والتشغيل [4] ، إلى جانب حقيقة أن الأسطح الخشنة للطلاء بالرذاذ البلازما مواتية لتثبيت العظام [ 5]. تم تسويق طلاءات الهيدروكسيباتيت (HAp) التي يتم رشها بالبلازما واستخدامها على نطاق واسع في بدائل مفصل الورك بسبب التشابه الكيميائي لـ HAp مع المكون غير العضوي للعظام البشرية. ومع ذلك ، فإن الشاغل الرئيسي لطلاء HAp هو قوته الترابطية المنخفضة لـ Ti-6Al-4V الكامن الناتجة عن عدم تطابق معاملات التمدد الحراري الخاصة به ، والتي ستزيد من خطر إزالة الطلاء من الطلاءات. وبمجرد حدوث عملية التصفيح ، فإن شظايا الطلاءات ستعزز الالتهاب ونخر العظم ، مما يهدد الاستقرار على المدى الطويل في الغرسات Ti-6Al-4V [6].

هناك طريقة بديلة لتغليف الغرسات مع Bioglass القائم على CaO-SiO2 الذي تم توثيق نشاطه الحيوي جيدًا في المختبر [7-11] وفي الجسم الحي [12،13]. ومع ذلك ، فإن معظم الطلاء الكيميائي الذي يتم رشه بالبلازما يفشل بسبب ارتباطها البيني الضعيف مع سبيكة Ti-6Al-4V الناتجة عن معامل التمدد الحراري الأعلى (14-15 × 10 -6 K -1 [14]) بالنسبة إلى سبيكة السبائك ( 8.4-8.8 × 10 -6 K -1 [15]) [16]. معدل عالية التحلل هو حاجز آخر لاستخدام bioglass كطلاء زرع . ومع ذلك ، من المعروف أن إطلاق أيونات الكالسيوم (Ca) والسيليكون (Si) سيعزز من التوليب العظمي ، والتكاثر والتمايز [17-20] ، ويعزز تكوين العظام [11،21]. لذلك ، فإن تصميم الطلاء القائم على CaO-SiO2 مع إطلاق محدود من أيونات Ca و Si ، والتي لن تؤثر على استقرار الطلاءات على المدى الطويل ، قد يؤدي إلى طلاءات ذات نشاط حيوي معزز. في عملنا السابق ، ذكرنا أن hardystonite (HT) أو sphene

(SP) سيراميك ، التي تنتجها إضافة ZnO [22] أو TiO2 [23] ، على التوالي ، إلى نظام CaO – SiO2 ، تمتلك استقرار كيميائي أفضل مقارنة مع سيراميك CaSiO3. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معاملات التمدد الحراري الخاصة بهم (11.2 × 10 -6 K -1 لـ HT [24] ؛ 6 × 10 -6 K -1 لـ SP [25]) تكون أقرب إلى تلك الخاصة بـ Ti-6Al-4V ، مما يعني أن أعلى يجب الحصول على قوة الترابط. لذلك ، من المنطقي أن نقترح أن HT و SP سيكونان طلاءًا مناسبًا لتطبيقات تقويم العظام.


******يتبع******