Vilken speciell betydelse har ytbehandling för medicinska implantat?

1. Förbättra biokompatibiliteten och minska avstötningsreaktioner.
Biokompatibilitet är ett viktigt behov för medicinska implantat. Det betyder att material inte ska ge dåliga reaktioner som toxicitet, sensibilisering, inflammation eller trombos när de kommer i kontakt med mänsklig vävnad. Ytbehandling förbättrar ytkvaliteten hos implantat med hjälp av fysiska eller kemiska metoder. Detta gör dem mycket mer biokompatibla.
Genom att tillämpa metoder som sandblästring, syraetsning och laserbearbetning, skapas grova strukturer i mikro- eller nano-skala på implantatets yta. Detta ökar ytan och vävnadskontaktytan, vilket hjälper cellerna att hålla fast vid implantatet och växa. Till exempel, efter att ha sandblästrats och syraetsats, kan ytjämnheten (Sa-värde) hos tandimplantat hållas mellan 1 och 2 μm, vilket avsevärt kan öka styrkan i benbindningen och påskynda läkningsprocessen.
Kemisk modifiering: Lägga till bioaktiva grupper som hydroxyl- och aminogrupper till ytan av implantat, eller lägga till mineraler som hjälper ben att växa, såsom strontium och kalcium, för att förbättra den kemiska interaktionen mellan material och vävnader. Efter anodisering bildas en tjock oxidfilm på ytan av titanlegeringen. Elektrokemiska metoder används sedan för att bädda in kalcium- och fosforelement för att efterlikna sammansättningen av naturligt ben och uppmuntra bencellsutveckling.
Biobeläggningsteknik: Biokeramer (som hydroxyapatit) eller bioaktiva glasbeläggningar sätts på implantatens yta med hjälp av tekniker som plasmasprutning och elektrokemisk avsättning. Dessa beläggningar är direkt involverade i mekanismerna som får ben att fungera. Studier tyder på att osseointegrationsgraden för hydroxyapatit-belagda implantat överstiger den för obehandlade implantat med över 40 %.
2. Förbättra motståndet mot korrosion och förläng livslängden
Medicinska implantat måste utstå långvarig exponering för mänskliga kroppsvätskor, som lätt kan eroderas av frätande ämnen som kloridjoner och proteiner. Denna korrosion resulterar i upplösning av metalljoner och att beläggningar lossnar, vilket potentiellt kan orsaka inflammatoriska svar eller implantatfel. Genom att skapa ett tjockt skyddsskikt ökar ytbehandlingen avsevärt implantatens korrosionsbeständighet.
Passiveringsbehandling: Efter att ha behandlats med salpetersyra bildas en passiveringsfilm av kromoxid på ytan av implantat av rostfritt stål. Den här filmen hindrar metalljoner från att sippra ut och sänker korrosionshastigheten till mindre än 0,001 mm/år, vilket är vad som behövs för-långtidsimplantation.
Mikrobågsoxidationsteknik: Ett elektriskt-högspänningsfält används för att excitera mikrobågsurladdning på ytan av titanlegering. Detta gör en keramisk oxidfilm som innehåller titan, syre och fosfor. Det kan bli hårdare än 1000HV, och det är tre gånger mer motståndskraftigt mot slitage än vanliga anodoxidfilmer. Det fungerar bra för situationer med mycket vikt, som ledproteser.
Med hjälp av fysikalisk ångavsättning (PVD) eller kemisk ångavsättning (CVD)-teknik kan TiN, TiAlN och andra hårda beläggningar i nanoskala appliceras på ytan av implantat med en tjocklek av endast 1–5 μm. Detta kan förbättra korrosionsbeständigheten med mer än 50 %, sänka friktionskoefficienten och minska mängden slitagepartiklar som tillverkas.
3. Ge den antibakteriella egenskaper och minska risken att bli sjuk
Infektioner som inträffar efter operation är en av huvudorsakerna till att medicinska implantat misslyckas. Till exempel kan infektioner i ortopediska, kardiovaskulära och andra implantat inträffa i 1 % till 5 % av fallen. Ytbehandling fungerar bra för att förhindra att bakterier fastnar på ytor och bildar biofilmer genom att göra ytor som dödar bakterier eller tillsätta antibakteriella kemikalier.
Yttransplantation av antibakteriella grupper: Antibakteriella grupper som kvartära ammoniumsalter och fluorider läggs till implantatets yta med plasmabehandling eller kemisk ympning. Detta ändrar strukturen på bakteriecellsmembranet och har långvariga antibakteriella effekter. Till exempel kan en antibakteriell beläggning som innehåller silver döda 99 % av Staphylococcus aureus och förbli effektiv i mer än 30 dagar.
Ljus-responsiv intelligent beläggning: Detta innebär att fotosensibilisatorer (sådana porfyrinföreningar) placeras på implantatets yta och att ljus av en viss våglängd används för att skapa reaktiva syrearter (ROS) som förstör bakterier utan att skada värdceller. Denna metod har använts för att desinficera ytorna på utrustning som lätt kan sprida infektioner, som endoskop och katetrar.
Antibakteriell beläggning och läkemedelsfrisättning fungerar tillsammans: Antibiotika som vankomycin och gentamicin läggs till den biokeramiska beläggningen för att kontrollera hur snabbt beläggningen bryts ner, vilket frisätter läkemedlen. Koncentrationen av läkemedlet i området kan vara mer än 1000 gånger högre än koncentrationen av läkemedlet i blodet, vilket stoppar infektioner efter operation.
4. Förbättra förmågan till osseointegration och graden av klinisk framgång.
För ortopediska, dentala och andra implantat är förmågan att osseointegrera en viktig aspekt av klinisk framgång. Ytbehandling påskyndar processen för benintegrering genom att kontrollera ytans form, kemiska sammansättning och biologiska aktivitet, vilket hjälper benceller att fastna, växa och förändras.
Dubbel syraetsningsbehandlingsteknik: Genom att använda två syror (som HCl+H ₂ SO ₄ blandad syra och HNO 3-lösning) i en två-process, skapas en fler-porstruktur på implantatets yta. Denna struktur har mikrometer-jämnhet som ger mekanisk sammanlåsningskraft och porer på nanometer-nivå som ökar den biologiska aktiviteten, vilket gör bindningen mellan implantatet och benet starkare med mer än 30 %.
3D-utskrift av porösa strukturer: Använder selektiv lasersmältningsteknik (SLM) för att göra porösa titanlegeringsimplantat som är 60 % till 80 % porösa och har porer som är 200 till 500 μm breda. Detta simulerar den naturliga bentrabekulära strukturen, uppmuntrar tillväxten av blodkärl och benvävnad och uppnår "biologisk fixering". Kliniska bevis tyder på att osseointegrationstiden för implantat med porösa strukturer är 50 % mindre än för fasta strukturer.
Förändring av bioaktiva molekyler: Att placera bioaktiva molekyler som benmorfogenetiskt protein (BMP) och kollagen på implantatens yta för att starta signalvägar som hjälper benceller att differentiera sig. Till exempel kan implantat som har bytts med BMP-2 minska tiden det tar för osseointegration från 3 månader till 6 veckor och höja framgångsfrekvensen för implantation till mer än 98 %.