Разработка никель-титановых сплавов с памятью формы (NiTi-SMA) совпадает с идеей биологического остеосинтеза (БО) и является идеальным материалом для ортопедической внутренней фиксации. Вызывает ли элементарный никель цитотоксичность? Какова биосовместимость поверхностно модифицированного NiTi-SMA? В данной статье рассматриваются последние достижения, проблемы и направления развития биосовместимости NiTi-SMA. Никель-титановые сплавы с памятью формы (NiTi-SMA) обладают такими преимуществами, как малый вес, высокая прочность, усталостная прочность, коррозионная стойкость и высокая упругость, что делает их перспективным ортопедическим металлическим биоматериалом [1]. Исследовательское применение NiTi-SMA растет с каждым годом, но нет достаточных доказательств его биосовместимости для долгосрочной имплантации в мышцу [2]. Основываясь на многолетнем опыте применения металлических биоматериалов, таких как лебедеподобный соединитель с запоминающим сжатием (SMC), мы обобщаем данные о гистосовместимости и цитотоксичности сплавов NiTi, чтобы обеспечить основу для выбора материалов NiTi-SMA для дальнейших разработок и исследований. 1. Биосовместимость и цитотоксичность Ni и Ti материалов Влияние биоматериалов на организм хозяина после имплантации в организм — очень сложный процесс, при этом происходят три основные биологические реакции, а именно: реакция тканей, реакция крови и иммунная реакция, которые необходимы для оценки биосовместимости. Что касается определения биосовместимости, необходимо учитывать несколько условий: (1) тип и количество воспалительных клеток; (2) степень распространения сосудов; (3) наличие или отсутствие образования инкапсуляционной мембраны; (4) наличие или отсутствие стеатоза; (5) гистохимические и биохимические анализы тканей, прилегающих к имплантату; (6) биохимические анализы тканей, удаленных от имплантата; и (7) изменения внешнего вида и структуры металлического имплантата. Среди потенциально токсичных для человека металлов никель по степени токсичности уступает только серебру. Если имплантировать в организм только никелевый материал, то выщелоченный элемент никель будет очень цитотоксичным. После попадания в организм никель откладывается в основном в коже, центральной нервной системе, почках и печени [3]. Никель способен связываться с рибонуклеиновой кислотой (РНК) и белками и деполимеризовать РНК и белки, никель также препятствует сокращению мышц и разрушает ферменты. Низкие концентрации никеля (15-30ug/ml) могут ингибировать рост фибробластов, культивируемых in vitro. Когда никель всасывается в кровь, он может вступать в комплекс с альфа-макроглобулином, образуя никелевые фибринолитические ферменты. Было доказано, что чистый элементарный никель и соли никеля обладают канцерогенным действием, причем сульфид никеля (Ni3S2) и сульфид никеля (NiS) являются канцерогенными. Кроме того, никель является одним из наиболее распространенных металлов-аллергенов. Современные β-титановые сплавы, с другой стороны, стремятся выбирать элементы с лучшей биосовместимостью и стараются отказаться от цитотоксичных. Например, ванадий в титановых сплавах стимулирует выработку мегалофилами большего количества факторов костной резорбции, а эти цитокины играют важную роль в расшатывании имплантата, поэтому сегодня титановые сплавы не содержат таких токсичных элементов, как ванадий и алюминий. По сравнению с Ti-6Al-4V, фиксация с помощью поверхностно закаленных Ti-Nb-Zr шин прочнее, а вероятность послеоперационной инфекции снижается. 2. Биосовместимость и цитотоксичность сплава NiTi Сплав NiTi содержит около 50% никеля, какова его биосовместимость при использовании в качестве человеческих имплантатов? Вызывает ли элементарный никель цитотоксичность? Для понимания материала имплантата in vivo необходимы долгосрочные экспериментальные и клинические исследования, прежде чем можно будет сделать заключение. В методах исследования биосовместимости сплава NiTi произошли некоторые изменения: (1) в экспериментах in vitro используется больше остеобластов, фибробластов и эндотелиальных клеток; (2) нержавеющая сталь, Ti-6Al-4V и другие металлические материалы используются в качестве контроля вместе со сплавом NiTi; (3) увеличилось количество экспериментов in vivo; (4) сочетание различных методов анализа: таких как ультрамикроскопические свойства интерфейса клетка-материал, реакция интерфейса клетка-материал, гистологическая реакция мягких тканей вокруг имплантата, и есть ли какое-либо негативное влияние на производство новой кости. В настоящее время большинство ученых считают, что сплав NiTi является безопасным материалом для имплантации in vivo, суммируя следующие причины: (1) пассивирующая пленка на поверхности сплава NiTi состоит в основном из оксида титана и содержит лишь очень небольшое количество никеля, что является основной причиной его хорошей реакции тканей; (2) никель в сплаве NiTi существует в хемотаксическом состоянии, и даже если в человеческом организме происходит диссоциация, это все равно очень небольшое количество; (3) цитотоксичность, наблюдаемая в экспериментальных реакциях in vitro, обусловлена постепенной концентрацией никеля, что невозможно в условиях in vivo. Bogdanski D et al [4] исследовали биосовместимость сплавов NiTi с использованием остеобластоподобных клеток остеосаркомы (SAOS-2, MG-63), первичных фибробластов человека (HOB) и мышиных фибробластов (3T3). Kapanen A et al [2, 5] использовали остеобластоподобные ROS-17 в совместной культуре с нержавеющей сталью, чистым титаном и чистым никелем, соответственно. Было подтверждено, что сплав NiTi имеет меньшую коррозию поверхности и хорошо воспринимается клетками; человеческие остеобласты и фибробласты были цитосовместимы при совместном культивировании со сплавом NiTi, а выделение никеля достигло уровня, аналогичного нержавеющей стали после 2 дней культуры. Armitage DA et al [6] провели исследования цитотоксичности и совместимости с фибробластами и эндотелиальными клетками, и поверхность сплава NiTi в тесте Не было никакой разницы между двумя цитосовместимостями; гемолитическая реакция, вызванная сплавом NiTi, не отличалась от реакции нержавеющей стали 316L и полированного титана; тесты тромбоцитов показали, что полированный сплав NiTi значительно способствовал тромбообразованию по сравнению с нержавеющей сталью 316L и полированным титаном, а термически обработанный сплав NiTi значительно снижал тромбообразование. В экспериментальном исследовании in vivo Kujala S et al [7] использовали NiTi интрамедуллярные гвозди, помещенные в мышиную кость, и обнаружили, что они могут способствовать заживлению кости, а образование новой кости было в основном тканевым. -Kapanen A et al [8] взяли NiTi-SMA, нержавеющую сталь и Ti-6Al-4V (титан-6%алюминий-4%ванадий) и имплантировали их мышам на 8 недель. была обнаружена близкая к нормальной, и было индуцировано больше хрящевой и костной тканей; BMD был снижен в группах нержавеющей стали и Ti-6Al-4V, что указывает на хорошую биосовместимость NiTi-SMA. 3. Модификация поверхности и цитотоксичность NiTi-SMA Ученые в стране и за рубежом проделали большую работу по обработке и производству NiTi-SMA и оптимизации обработки поверхности, существуют различные методы обработки поверхности NiTi-SMA [9]. Однако может ли поверхностная обработка улучшить его биосовместимость? Какой метод обработки поверхности эффективнее использовать? Как улучшить свойства поверхности материала? Все это — актуальные проблемы, требующие решения. Хорошая биосовместимость и коррозионная стойкость NiTi-SMA тесно связаны с его поверхностной оксидной пленкой, которая помогает сохранить NiTi-SMA относительно инертным в физиологической среде. Обработка поверхности окислением включает термообработку, механическую полировку и электрополировку; электронная микроскопия, рентгеновская дифракция и рентгеновская спектроскопия точечных фотонов необходимы для аналитического исследования интерфейса и поверхности.Thierry et al [10] заключил, что биосовместимость и хорошая коррозионная стойкость NiTi-SMA происходят от равномерного распределения оксидного слоя на его поверхности, который в основном состоит из оксида титана, с минимальным распределением никеля. Armitage DA et al [6] по результатам исследований цитотоксичности, термообработка сплавов NiTi может значительно уменьшить тромбоз; а окисление никелевых элементов на поверхности материала уменьшает концентрацию никелевых элементов на поверхности. Firstov GS et al [11] использовали термогравиметрический метод для анализа кинетики окисления, показав различный характер окисления при температуре около 500°C, 500°C — 600°C с областью без никеля в оксидном слое; при окислении при 500°C образуется защитный безникелевый оксидный слой, который содержит относительно небольшое количество элементов никеля на границе раздела воздух-оксид. Технология электрополировки, то есть использование электрополировки плюс метод химической пассивации для обработки поверхности сплава NiTi, предварительные исследования показывают, что: этот метод может сформировать очень тонкий оксидный слой на поверхности металла, так что отделка материала и коррозионная стойкость значительно улучшаются; может сделать выделение элементов никеля до нетоксичного уровня в естественных условиях. Другими распространенными методами обработки поверхности являются ионная инъекция, плазменное напыление гидроксиапатита и т.д. Химическая обработка поверхности является простым процессом по сравнению с другими методами обработки поверхности, и может сформировать равномерный слой модификации на поверхности материалов сложной формы. Среди них плазменная обработка является одним из важных способов модификации поверхности, который требует использования OSCE AES и сканирующей электронной микроскопии SEM для аналитического исследования границы раздела материалов.Исследование Tan L et al [12] показало, что плазменная обработка оказывает большое влияние на соотношение Ti/ Ni на поверхности сплава NiTi, что может вызвать смещение или обогащение элементов Ni и Ti на поверхности, где обогащение элементов Ti увеличивает активность поверхности материала и облегчает сцепление сплавов NiTi с полимерными пленками. Когда плазма постоянного тока обрабатывает поверхность образца, компоненты ее электрода осаждаются на поверхности образца. Элементы алюминия вредны для человеческого организма, поэтому, с точки зрения безопасности медицинских материалов, устройство для обработки плазмой постоянного тока не должно использовать алюминиевый электрод, и рекомендуется использовать метод обработки плазмой RF. Обработка поверхности сплава NiTi, например, напыление полимеризованного тетрафторцетлена (PPFTE), может улучшить коррозионную стойкость, уменьшить выделение ионов никеля и снизить цитотоксичность сплава NiTi.Choi J et al [13] погрузили сплав в перенасыщенный раствор фосфата кальция. Толщина покрытия из фосфата кальция контролировалась по времени. Пористая природа поверхностных микрокристаллов могла переносить изменения температуры и изгиба сплава, создавая физиологически постоянную поверхность, уменьшая высвобождение никелевых элементов, улучшая биосовместимость NiTi-SMA и увеличивая адгезию лейкоцитов и тромбоцитов к сплаву. 4. Проблемы и тенденции развития NiTi-SMA В процессе разработки биоматериалов из NiTi отечественные ученые также проделали большую исследовательскую работу. Однако следует также отметить, что нам предстоит решить множество проблем, связанных с совершенствованием материала и оптимизацией свойств поверхности. Использование методов обработки поверхности, таких как нанесение покрытия, может уменьшить выделение никелевых элементов в сплавах NiTi. Но: каково влияние материалов сплавов с модифицированной поверхностью на цитотоксичность? Как сохранить целостность различных пассивирующих пленок в жидкостях организма и в стрессовых условиях in vivo? Пористый сплав NiTi (пористый никель-титановый сплав) привлек большое внимание [14], поскольку этот материал имеет большую площадь контакта с костью, и кость может прорастать в поры материала и формировать хорошее крепление. Однако, из-за большой площади поверхности материала, он также подвергается большему испытанию с точки зрения коррозионной стойкости поверхности и высвобождения ионов никеля.Es-Souni M et al [15] попытались добавить медь в сплав NiTi для улучшения свойств материала, и предварительный вывод был таков: медь может улучшить механические свойства и коррозионную стойкость материала, но медь цитотоксична и может снизить биосовместимость. Poon RW et al [3] применяли углеродное плазменное выращивание или осаждение, чтобы сделать поверхностный слой материала NiTi-SMA смешанным с ионами аморфного углерода, что могло значительно улучшить коррозионную стойкость материала и уменьшить выделение никелевых элементов; тесты на цитотоксичность показали, что обе обработки могут способствовать адгезии и пролиферации остеобластов. Starosvetsky D et al [16] использовали метод порошкового иммерсионного покрытия (оригинальное порошковое иммерсионное покрытие, PIRAC) для улучшения свойств поверхности и повышения коррозионной стойкости NiTi-SMA. В заключение следует отметить, что NiTi-SMA обладает уникальным эффектом памяти формы и хорошей биосовместимостью. С 1980-х годов отделение ортопедии больницы Чанхай разработало серию костных соединителей из сплава с памятью формы, используя оммажиновую фазовую обратимость NiTi-SMA, среди которых SMC специально используется для лечения переломов длинной костной ножки верхних конечностей [17, 18]. Используемый SMC был обработан соответствующим производственным процессом для создания равномерного и плотного распределения пассивирующей пленки на его поверхности, которая прочно связана с поверхностью металла, и в сочетании с технологией нанесения покрытия может эффективно улучшить коррозионную стойкость и цитосовместимость NiTi-SMA. Мы считаем, что при углубленном исследовании биосовместимости NiTi-SMA и совершенствовании и разработке новых материалов сплава, NiTi-SMA будет больше соответствовать физиологическим условиям организма и покажет более широкие перспективы применения.