Hva er den spesielle betydningen av overflatebehandling for medisinske implantater?

1. Forbedre biokompatibiliteten og redusere avvisningsreaksjoner.
Biokompatibilitet er et viktig behov for medisinske implantater. Det betyr at materialer ikke skal produsere dårlige reaksjoner som toksisitet, sensibilisering, betennelse eller trombose når de kommer i kontakt med menneskelig vev. Overflatebehandling forbedrer overflatekvalitetene til implantater ved hjelp av fysiske eller kjemiske tilnærminger. Dette gjør dem mye mer biokompatible.
Ved å bruke metoder som sandblåsing, syreetsing og laserbehandling, lages grove strukturer i mikro- eller nano-skala på implantatets overflate. Dette øker overflatearealet og vevskontaktområdet, noe som hjelper cellene å holde seg til implantatet og vokse. For eksempel, etter å ha blitt sandblåst og syreetset, kan overflateruheten (Sa-verdi) til tannimplantater holdes mellom 1 og 2 μm, noe som i stor grad kan øke styrken til beinbindingen og fremskynde helingsprosessen.
Kjemisk modifikasjon: Tilsetning av bioaktive grupper som hydroksyl- og aminogrupper til overflaten av implantater, eller tilsetning av mineraler som hjelper bein vokse, som strontium og kalsium, for å forbedre den kjemiske interaksjonen mellom materialer og vev. Etter anodisering dannes en tykk oksidfilm på overflaten av titanlegering. Elektrokjemiske metoder brukes deretter for å bygge inn kalsium- og fosforelementer for å etterligne sammensetningen av naturlig ben og oppmuntre til utvikling av benceller.
Biocoating-teknologi: Biokeramikk (som hydroksyapatitt) eller bioaktive glassbelegg legges på overflaten av implantater ved hjelp av teknologier som plasmaspraying og elektrokjemisk avsetning. Disse beleggene er direkte involvert i mekanismene som får bein til å fungere. Studier indikerer at osseointegrasjonsraten for hydroksyapatitt-belagte implantater overstiger den for ubehandlede implantater med over 40 %.
2. Forbedre motstanden mot korrosjon og forlenge levetiden
Medisinske implantater må tåle langvarig eksponering for menneskelige kroppsvæsker, som lett kan eroderes av etsende midler som kloridioner og proteiner. Denne korrosjonen resulterer i oppløsning av metallioner og løsgjøring av belegg, som potensielt kan forårsake inflammatoriske reaksjoner eller implantatsvikt. Ved å lage et tykt beskyttende lag øker overflatebehandlingen kraftig korrosjonsmotstanden til implantater.
Passiveringsbehandling: Etter å ha blitt behandlet med salpetersyre dannes det en passiveringsfilm av kromoksid på overflaten av implantater i rustfritt stål. Denne filmen stopper metallioner fra å siver ut og senker korrosjonshastigheten til mindre enn 0,001 mm/år, som er det som er nødvendig for lang-implantasjon.
Mikrobueoksidasjonsteknologi: Et elektrisk-høyspenningsfelt brukes til å eksitere mikrobueutladning på overflaten av titanlegering. Dette lager en keramisk oksidfilm som inneholder titan, oksygen og fosfor. Den kan bli hardere enn 1000HV, og den er tre ganger mer motstandsdyktig mot slitasje enn vanlige anodisk oksidfilmer. Det fungerer godt for situasjoner med mye vekt, som leddproteser.
Ved å bruke fysisk dampavsetning (PVD) eller kjemisk dampavsetning (CVD) teknologi, kan TiN, TiAlN og andre harde belegg påføres på overflaten av implantater med en tykkelse på bare 1–5 μm. Dette kan forbedre korrosjonsmotstanden med mer enn 50 %, senke friksjonskoeffisienten og redusere mengden slitasjepartikler som lages.
3. Gi den antibakterielle egenskaper og reduser sjansen for å bli syk
Infeksjoner som skjer etter operasjonen er en av hovedårsakene til at medisinske implantater mislykkes. For eksempel kan infeksjoner i ortopediske, kardiovaskulære og andre implantater skje i 1 % til 5 % av tilfellene. Overflatebehandling fungerer godt for å forhindre at bakterier fester seg til overflater og danner biofilmer ved å lage overflater som dreper bakterier eller tilsette antibakterielle kjemikalier.
Overflatepoding av antibakterielle grupper: Antibakterielle grupper som kvaternære ammoniumsalter og fluorider tilsettes overflaten av implantatet ved bruk av plasmabehandling eller kjemisk poding. Dette endrer strukturen til bakteriecellemembranen og har langvarige antibakterielle effekter. For eksempel kan et antibakterielt belegg som inneholder sølv drepe 99 % av Staphylococcus aureus og holde seg effektivt i mer enn 30 dager.
Lys-responsivt intelligent belegg: Dette innebærer å sette fotosensibilisatorer (slike porfyrinforbindelser) på overflaten av implantater og bruke lys med en viss bølgelengde for å lage reaktive oksygenarter (ROS) som ødelegger bakterier uten å skade vertscellene. Denne metoden har blitt brukt til å desinfisere overflater på utstyr som lett kan spre infeksjoner, som endoskoper og katetre.
Antibakterielt belegg og frigjøring av medikamenter fungerer sammen: Antibiotika som vankomycin og gentamicin tilsettes det biokeramiske belegget for å kontrollere hvor raskt belegget brytes ned, noe som frigjør stoffene. Konsentrasjonen av medisinen i området kan være mer enn 1000 ganger høyere enn konsentrasjonen av legemidlet i blodet, som stopper infeksjoner etter operasjonen.
4. Forbedre evnen til osseointegrasjon og graden av klinisk suksess.
For ortopediske, tannlege og andre implantater er kapasiteten til osseointegrering et viktig aspekt i klinisk suksess. Overflatebehandling fremskynder prosessen med beinintegrering ved å kontrollere formen, den kjemiske sammensetningen og den biologiske aktiviteten til overflaten, noe som hjelper beinceller å feste seg, vokse og endre seg.
Dobbel syreetsingsbehandlingsteknologi: Ved å bruke to syrer (som HCl+H ₂ SO ₄ blandet syre og HNO 3-løsning) i en to-prosess, skapes en fler-porestruktur på overflaten av implantatet. Denne strukturen har mikrometer-ruhet som gir mekanisk sammenlåsende kraft og porer på nanometer-nivå som øker den biologiske aktiviteten, noe som gjør bindingen mellom implantatet og beinet sterkere med mer enn 30 %.
3D-utskrift av porøse strukturer: Bruker selektiv lasersmelting (SLM) teknologi for å lage porøse titanlegeringsimplantater som er 60 % til 80 % porøse og har porer som er 200 til 500 μm brede. Dette simulerer den naturlige trabekulære beinstrukturen, oppmuntrer til vekst av blodårer og beinvev, og oppnår "biologisk fiksering." Klinisk bevis indikerer at osseointegrasjonsvarigheten til porøse strukturimplantater er 50 % mindre enn for faste strukturer.
Endring av bioaktive molekyler: Plassering av bioaktive molekyler som benmorfogenetisk protein (BMP) og kollagen på overflaten av implantater for å starte signalveier som hjelper beinceller med å differensiere. For eksempel kan implantater som er endret med BMP-2 redusere tiden det tar for osseointegrasjon fra 3 måneder til 6 uker og øke suksessraten for implantasjon til mer enn 98 %.