下一代承载植入物的Ti6Al4V的潜在替代品

尽管骨科植入物的细菌定植是承载金属植入物失败和临床复杂性的主要原因，但传统方法(例如局部或全身施用抗生素)可能无法有效防止定植，特别是在继发感染的情况下，通常会导致细菌定植。手术切除植入物，严重时甚至截肢。

在International Journal of Extreme Manufacturing杂志上，Amit Bandyopadhyay教授的团队针对这一问题提出了一种简单但非常有效的解决方案。他们建议通过多材料增材制造用 3 wt.% 的铜 (Cu) 强化钛 (Ti) 种植体，这不仅可以从本质上保护种植体免受细菌感染，还可以通过添加钽 (Ta) 促进早期骨整合来增强生物相容性。

世界卫生组织最近的一份报告指出，每年约有 70 万人因抗菌素耐药性 (AMR) 亡，这一事实令人震惊。如果找不到有效的临床治疗方法，预计到 2020 年，这一数字将激增至每年 1000 万人。到 2050 年，每年因癌症亡的人数将超过 820 万人，抗生素耐药性将成为全球巨大的经济负担。 ”华盛顿州立大学波音杰出教授、本研究的第一作者和通讯作者 Amit Bandyopadhyay 教授说道。

此外，人工关节感染(PJI)的亡率高达87.3%，高于结直肠癌和肺癌，与乳腺癌(89%)相当。显然，PJI 已发展成为一项紧急而关键的临床挑战，需要立即关注。

不幸的是，解决这些问题的现有方法并不总是可持续的，即使在修复手术后也会导致感染复发。高感染率、修复手术以及与此类手术相关的自付费用的相互排斥性使问题进一步复杂化。因此，迫切需要能够自给自足的植入物来预防 PJI 并减轻翻修手术的复杂性。

如今，在这些生物医学应用的金属材料选择中，仍有两个关键挑战尚未解决：感染控制和增强生物相容性。目前，Ti6Al4V 是最流行的用于承重植入物的金属生物材料。然而，研究还表明，与纯钛相比，Ti6Al4V 缺乏生物相容性，因此会延迟愈合时间，影响骨骼健康受损的患者。另一方面，纯钛显示出优异的生物相容性，但其机械性能不适合承载应用。

“所以问题是我们是否可以设计一种纯钛和 Ti6Al4V 之间的合金成分，其生物相容性与纯钛相似，而机械强度接近或类似于 Ti6Al4V。此外，该成分是否可以明确地增材制造以设计患者特定的负载 -轴承植入物可以作为 Ti6Al4V 的替代品吗? ”Bandyopadhyay 教授说道。

为了更好地替代 Ti6Al4V 以获得更好的生物相容性，研究人员开发了各种多功能材料，例如 Ti-Cu 合金，这些材料可以提高成功植入的机会，降低医疗成本并提高产品价值。然而，大多数研究仅评估了通过粉末冶金制造的与 ≥ 5 wt.% Cu 合金化的钛植入物的细菌耐药性。植入材料中如此高的铜含量引起了科学界越来越多的关注。

此外，这些研究常常忽视与铜水平升高相关的潜在细胞性，或者未能评估全面提高种植体早期骨整合能力的策略。

“添加铜可以缓解细菌定植问题并提高植入物的生物相容性，但我们还必须考虑铜在植入体内时对骨反应的潜在影响。一个有前途的解决方案应该是一种普遍适用但同时解决各种缺点的功能材料导致生物相容性差。因此，我们致力于探索改变的程度并建立替代方案来减轻生物相容性的任何损害。” Bandyopadhyay教授评论道。

为此，Bandyopadhyay教授的团队将CpTi和Ti6Al4V粉末按1:1的重量混合，通过激光粉末床熔合(LPBF)制备了Ti3Al2V合金。此外，在 Ti3Al2V 合金中添加了 10 wt.% Ta (10Ta) 和 3 wt.% Cu (3Cu)，以增强生物相容性并赋予固有的细菌耐药性。

然后，他们研究了增材制造的植入物，以评估其对铜绿假单胞菌和金电影葡萄球菌菌株长达 48 小时的抵抗功效，他们的付出得到了令人印象深刻的结果：他们制造的 Ti3Al2V-10Ta-3Cu 合金在提高体内生物相容性和微生物耐药性。值得注意的是，它的抗菌功效比传统的 CpTi 和 Ti6Al4V 高 80%，标志着下一代承重金属种植体向更高效的个体化治疗迈出了重大飞跃。

Bandyopadhyay 教授表示：“与同类产品 CpTi 和 Ti6Al4V 相比，我们的新型 Ti3Al2V 合金表现出优异的抗疲劳性、卓越的剪切强度以及改进的摩擦学和摩擦生物腐蚀特性。” “这一成就归功于 Ti6Al4V 中特意减少了钒 (V) 和铝 (Al) 成分，因为这些元素不会为这些合金增加任何显着的生物性能。重要的是，这些改进是在不影响任何机械性能的情况下实现的。这些合金。 ”

Bandyopadhyay 教授同意，在这些材料用于人类之前，需要对大型动物进行进一步的设备级、长期体内研究。此外，他希望看到继续努力推进成分修改，以达到 >99% 的功效，防止细菌定植。Bandyopadhyay 教授表示： “但最终，我们认为像 Ti3Al2V-10Ta-3Cu 这样的材料可以改善患者的术后生活质量，并减少因包括细菌感染在内的多种情况引起的翻修手术数量。”