অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম খাদ উপকরণ এবং প্রযুক্তির গবেষণা এবং উন্নয়ন

1। পরিচিতি

টাইটানিয়াম (টিআই) এবং এর সংকর ধাতুগুলির কম ঘনত্ব, উচ্চ শক্তি এবং চমৎকার জারা প্রতিরোধের বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং এটি মূলত বিমান শিল্পে ব্যবহৃত হয়েছিল। 1940-এর দশকের গোড়ার দিকে, টাইটানিয়াম এবং এর মিশ্রণগুলি প্রথম চিকিৎসা ক্ষেত্রে প্রবর্তিত হয়েছিল। উন্নয়নের অর্ধ শতাব্দীরও বেশি পরে, বিশুদ্ধ টাইটানিয়াম এবং Ti6A14V খাদ, সবচেয়ে প্রতিনিধিত্বমূলক টাইটানিয়াম-ভিত্তিক চিকিৎসা ধাতু উপকরণ হিসাবে, অনেক চিকিৎসা ক্লিনিকগুলিতে, বিশেষত অর্থোপেডিকস এবং দন্তচিকিত্সা ক্ষেত্রে, স্টেইনলেস স্টীল এবং কোবাল্ট-ভিত্তিক প্রতিস্থাপন করা হয়েছে। প্রচুর পরিমাণে সংকর ধাতু। যাইহোক, টাইটানিয়াম অ্যালয় হল এক ধরনের জৈবিকভাবে জড় পদার্থ যার কোনো জীবাণুরোধী বৈশিষ্ট্য নেই এবং ইমপ্লান্টের কারণে সৃষ্ট সংক্রমণ সমস্যার বিরুদ্ধে শক্তিহীন। বর্তমানে, ম্যাগনেট্রন স্পুটারিং, ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল ডিপোজিশন, আয়ন ইমপ্লান্টেশন, মাইক্রো-আর্ক অক্সিডেশন এবং অন্যান্য পদ্ধতিগুলি সাধারণত মেডিকেল টাইটানিয়াম অ্যালোয়ের পৃষ্ঠে অজৈব বা জৈব অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল এজেন্ট লোড করতে ব্যবহৃত হয়, যার ফলে তাদের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্য দেওয়া হয়। পৃষ্ঠের পরিবর্তনের মাধ্যমে তৈরি করা ব্যাকটেরিয়ারোধী আবরণের সুবিধাগুলি সুস্পষ্ট, তবে এখনও ত্রুটিগুলি রয়েছে, যেমন অপেক্ষাকৃত জটিল আবরণ প্রক্রিয়া, বর্ধিত উত্পাদন খরচ, আবরণ এবং স্তরের মধ্যে দুর্বল বন্ধন, আবরণের সহজ পরিধান এবং দুর্বল দীর্ঘমেয়াদী ব্যাকটেরিয়ারোধী কর্মক্ষমতা অপেক্ষা করুন। ইমপ্লান্টেড টাইটানিয়াম অ্যালয় এবং অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল আবরণের অভাবের কারণে সংক্রমণের সমস্যাগুলির প্রতিক্রিয়া হিসাবে, লোকেরা খাদ সংমিশ্রণ সামঞ্জস্য করে তাদের নিজস্ব অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল ফাংশন সহ নতুন অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম অ্যালয়গুলি বিকাশ করার চেষ্টা শুরু করেছে।

2. অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম খাদের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল প্রক্রিয়া

ব্যাকটেরিয়ার বিস্তার ব্যাকটেরিয়াল বায়োফিল্ম গঠনের সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত। ব্যাকটেরিয়াল বায়োফিল্মগুলির গঠন প্রক্রিয়া চিত্র 1-এ দেখানো হয়েছে। প্ল্যাঙ্কটোনিক ব্যাকটেরিয়া উপাদান ম্যাট্রিক্সে অবতরণ করার পরে বৃদ্ধি পায় এবং সংখ্যাবৃদ্ধি করে, একটি ব্যাকটেরিয়াল বায়োফিল্ম গঠন করে। বায়োফিল্মের পৃষ্ঠটি ঘন বহির্মুখী ম্যাট্রিক্সের একটি স্তর। এক্সট্রা সেলুলার ম্যাট্রিক্সের এই স্তরটির একটি শক্ত গঠন এবং উচ্চ শক্তি রয়েছে। ভিতরে মোড়ানো ব্যাকটেরিয়াগুলি ঘনিষ্ঠ যোগাযোগে থাকে, যা ব্যাকটেরিয়ার মধ্যে মিথস্ক্রিয়া এবং উপাদান বিনিময় বাড়ায়, যখন বাহ্যিক ক্ষতিকারক পদার্থের প্রবেশ রোধ করে। অতএব, বায়োফিল্ম তৈরি হওয়ার পরে, এটি অ্যান্টিবায়োটিক, প্রিজারভেটিভ এবং অন্যান্য বাহ্যিক রাসায়নিক দ্বারা সহজে বিরক্ত হয় না, তাই সাধারণত ব্যবহৃত অ্যান্টিবায়োটিক দ্বারা এটি অপসারণ করা কঠিন।

চিত্র 1 ব্যাকটেরিয়া বায়োফিল্মের গঠন প্রক্রিয়া

অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম অ্যালোয়ের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল মেকানিজমকে নিম্নলিখিত চারটি ধাপে ভাগ করা যেতে পারে: ① অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল ধাতু পৃষ্ঠ ব্যাকটেরিয়ারোধী ফাংশন সহ ধাতব আয়ন প্রকাশ করে; ② নেতিবাচক চার্জযুক্ত ব্যাকটেরিয়া কোষ এবং ধনাত্মক চার্জযুক্ত ধাতব আয়ন একে অপরের প্রতি আকৃষ্ট হয় এবং ধাতব আয়নগুলি ব্যাকটেরিয়ায় শোষিত হয় ③ ধাতব আয়নগুলি ব্যাকটেরিয়ার কোষ প্রাচীর এবং কোষের ঝিল্লিকে ধ্বংস করে বা তাদের প্রোটিন গঠনকে ধ্বংস করে, যার ফলে সাইটোপ্লাজম ফুটো হয়ে যায়; ④ ধাতব আয়নগুলি ব্যাকটেরিয়ার কোষ প্রাচীরের মধ্যে আরও প্রবেশ করে এবং ব্যাকটেরিয়াল ডিএনএর সাথে একত্রিত হয়, যার ফলে ব্যাকটেরিয়া বিকৃত হয়ে যায় এবং প্রতিলিপি করার ক্ষমতা হ্রাস পায়। এটি কোষ প্রাচীর বা জেনেটিক উপাদানের ক্ষতি হোক না কেন, ব্যাকটেরিয়া মারা যাবে।

3. গবেষণা অগ্রগতি

3.1 Ti-Ag অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম খাদ

সিলভার (এজি), একটি সংকর উপাদান হিসাবে, টাইটানিয়াম-ভিত্তিক ধাতুগুলির জারা প্রতিরোধের এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে উন্নত করতে পারে। তাকাহাশি এট আল। দেখা গেছে যে 20wt% Ag যোগ করলে শক্তি উন্নত হতে পারে এবং উচ্চ প্রসারণ বজায় রেখে কাস্ট টাইটানিয়াম অ্যালয়গুলির প্রতিরোধ ক্ষমতা বৃদ্ধি করতে পারে। শিম এট আল। প্রমাণিত যে টিআই-এজি খাদটির খাঁটি টাইটানিয়ামের চেয়ে ভাল জারা প্রতিরোধ ক্ষমতা রয়েছে। Ag এরও ভাল জৈব সামঞ্জস্য রয়েছে এবং Ag-Hg খাদ একটি দাঁতের উপাদান হিসাবে ব্যবহৃত হয়েছে। এজি-ধারণকারী আবরণগুলির চমৎকার অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্যগুলি অনেক গবেষণা দ্বারা নিশ্চিত করা হয়েছে। অতএব, টাইটানিয়াম এবং এর সংকর ধাতুগুলিতে উপযুক্ত Ag যোগ করে, নির্দিষ্ট অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্য সহ Ag-যুক্ত টাইটানিয়াম অ্যালয়গুলি পাওয়া সম্ভব। যাইহোক, যদিও কিছু Ti-Ag অ্যালয়গুলিতে Ag সামগ্রী খুব বেশি হয়, এমনকি 20wt% পর্যন্ত পৌঁছায়, তারা উল্লেখযোগ্য অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল প্রভাব দেখায় না, যা নির্দেশ করে যে Ag-ধারণকারী টাইটানিয়াম অ্যালয়গুলির অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল প্রভাবগুলি শুধুমাত্র Ag সামগ্রী দ্বারা নির্ধারিত হয় না।

ঝেং এট আল। TiNi আকৃতির মেমরি অ্যালয়ে 2.9wt% Ag যোগ করেছে, এবং প্রাপ্ত কাস্ট TiNi অ্যালয় নির্দিষ্ট ব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্য দেখায় এবং স্ট্যাফিলোকক্কাস অরিয়াসের বিরুদ্ধে ব্যাকটেরিয়ারোধী হার 86.3% এ পৌঁছেছে। চেন এট আল। বিশুদ্ধ টাইটানিয়াম পাউডারের সাথে সিন্টার করার জন্য বিভিন্ন বিষয়বস্তু এবং বিভিন্ন কণার আকার সহ Ag পাউডার ব্যবহার করে Ti-xAg অ্যালয় (x=1,3,5) এর একটি সিরিজ প্রাপ্ত করার জন্য। তাদের যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য, জারা বৈশিষ্ট্য, ব্যাকটেরিয়ারোধী বৈশিষ্ট্য এবং ভিট্রো সেল ফেজে ক্যাপাসিট্যান্স বৈশিষ্ট্যযুক্ত এবং মূল্যায়ন করা হয়েছিল। চিত্র 2-এ দেখানো হয়েছে, 10 μm এর একটি Ag কণার আকার সহ Ti-Ag অ্যালয়ের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল ক্রিয়াকলাপ 75 μm এর Ag কণার আকারের Ti-Ag সংকর ধাতুর চেয়ে বেশি। Ag আয়ন প্রকাশের নিয়মের বিপরীতে, 10 μm একটি Ag কণার আকার সহ Ti-Ag সংকর ধাতুর আয়ন প্রকাশের পরিমাণ 75 μm একটি Ag পাউডার কণার আকার সহ Ti-Ag সংকর ধাতুর তুলনায় কম, যা নির্দেশ করে Ti-Ag অ্যালয়ের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল কর্মক্ষমতা ম্যাট্রিক্সে উপস্থিত ন্যানো/মাইক্রন-স্কেল যৌগিক রূপালী কণার সাথে ঘনিষ্ঠভাবে সম্পর্কিত হওয়া উচিত।

চিত্র 2 বিশুদ্ধ Ti এবং Ti-Ag মিশ্রণের পৃষ্ঠে ব্যাকটেরিয়া উপনিবেশ

3.2 টি-কিউ অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম খাদ

2009 সালে, শিরাই এট আল। প্রথমে Ti-xCu(x=1,5) অ্যালয়ের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল প্রভাব অধ্যয়ন করেন। ফলাফলগুলি দেখায় যে Ti-1Cu-তে E. coli-এর বিরুদ্ধে উল্লেখযোগ্য ব্যাকটেরিয়ারোধী বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং ভাল জৈবিক নিরাপত্তা রয়েছে, তামা-ধারণকারী ব্যাকটেরিয়া এবং টাইটানিয়াম মিশ্রণের মধ্যে ব্যবধান উন্মুক্ত করে চিকিৎসা ধাতু উপাদান গবেষণার জন্য পর্দা হিসেবে কাজ করে। পরবর্তীকালে, ঝাং এট আল। Ti-10wt%Cu খাদ প্রস্তুত করতে পাউডার ধাতুবিদ্যা ব্যবহার করে এবং অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্য, যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য এবং খাদের ক্ষয় বৈশিষ্ট্যগুলি অধ্যয়ন করে। চিত্র 3 তে দেখানো হয়েছে, Ti-10 Cu খাদ স্ট্যাফিলোকক্কাস অরিয়াস এবং স্ট্যাফিলোকক্কাস অরিয়াসের প্রতিরোধী। E. coli এর সকলেরই উল্লেখযোগ্য হত্যার প্রভাব রয়েছে। Ti-10Cu সংকর ধাতুর ইন্ট্রাওসিয়াস ইমপ্লান্টেশন পরীক্ষার ফলাফল দেখায় যে Ti-10Cu অ্যালয় ভাল হাড়ের কোষের সামঞ্জস্যপূর্ণ। আরও গবেষণার ফলাফল দেখায় যে টাইটানিয়ামে কমপক্ষে 5% Cu যোগ করলে একটি উল্লেখযোগ্য অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল প্রভাব থাকবে। ব্যাকটেরিয়ারোধী এবং অ্যান্টি-ইনফেকশনের উদ্দেশ্যে, ইনস্টিটিউট অফ মেটাল রিসার্চ, চাইনিজ একাডেমি অফ সায়েন্সেস অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল ফাংশন সহ তামা-যুক্ত টাইটানিয়াম অ্যালোয়ের একটি সিরিজ তৈরি করেছে এবং প্রচুর পরিমাণে ইন ভিট্রো এবং ইন ভিভো প্রাণী পরীক্ষামূলক গবেষণা পরিচালনা করেছে। Ti তে Cu এর কঠিন দ্রবণীয়তা খুবই কম। উচ্চ তাপমাত্রা থেকে 790 ডিগ্রীতে ঠাণ্ডা হলে, সুপারস্যাচুরেটেড কিউ একটি Ti2Cu আন্তঃধাতু যৌগ হিসাবে অবক্ষেপিত হয়। এটি এবং ম্যাট্রিক্সের মধ্যে সম্ভাব্য পার্থক্য একটি শারীরবৃত্তীয় পরিবেশে তামার আয়নগুলির ট্রেস পরিমাণে মুক্তির জন্য খাদকে প্রচার করবে। , এইভাবে একটি শক্তিশালী ব্যাকটেরিয়াঘটিত প্রভাব exerting.

চিত্র 3 Staphylococcus aureus এবং Escherichia coli এর উপর Ti-10Cu এর হত্যার প্রভাব

3.3 Ti6Al4V-Cu অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল টাইটানিয়াম খাদ

পেং এট আল। তাপগতভাবে প্রক্রিয়াকৃত Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) খাদের উপর ব্যাপক কর্মক্ষমতা অপ্টিমাইজেশান পরিচালনা করেছে। গবেষণার ফলাফলগুলি দেখায় যে সর্বোত্তম যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলি, জারা প্রতিরোধের এবং খাদের পরিধান প্রতিরোধের জন্য, তিনটি গ্রুপের খাদগুলির তাপ প্রক্রিয়াকরণের পরে সর্বোত্তম তাপ চিকিত্সা প্রক্রিয়াগুলিকে 720 ডিগ্রি, 740 ডিগ্রি এবং 760 ডিগ্রি ধরে রাখতে হবে। 1 ঘন্টা এবং তারপর এয়ার-কুল। চিত্র 4-এ তাদের যথাক্রমে 4.5Cu-720, 6Cu-740 এবং 7.5Cu-760 দ্বারা উপস্থাপন করা হয়েছে। অ্যালয়গুলির তিনটি গ্রুপের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল পরীক্ষা এবং সাইটোটক্সিসিটি পরীক্ষার ফলাফলগুলি চিত্র 4-এ দেখানো হয়েছে। চিত্র 4(a)-(d) থেকে, এটি দেখা যায় যে Ti6Al4V সংকর ধাতুর সাথে সহ-সংস্কৃতির পরে আরও ব্যাকটেরিয়া উপনিবেশ রয়েছে। Ti6A14V-Cu খাদ সহ সহ-সংস্কৃতি ব্যাকটেরিয়া উপনিবেশের সংখ্যা কম, যা ইঙ্গিত করে যে তামাযুক্ত টাইটানিয়াম খাদ শক্তিশালী অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্য রয়েছে। চিত্র 4(e) Ti6Al4V-xCu খাদের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল হার দেখায়। এটি দেখা যায় যে 4.5Cu-720 নমুনার অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল হার প্রায় 80%। Cu কন্টেন্ট বাড়ার সাথে সাথে খাদের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল রেট কিছুটা বেড়ে যায়, যা নির্দেশ করে যে অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল কর্মক্ষমতা উন্নত হয়েছে। চিত্র 4(f) থেকে দেখা যায়, যখন 1 এবং 3 দিনের জন্য কোষের সাথে সহ-সংস্কৃতি করা হয়, তখন Ti6A14V-Cu অ্যালয় এবং Ti6A14V অ্যালয় এর শোষণের মানগুলি খুব বেশি আলাদা নয়; কিন্তু 7 দিনে, 7.5Cu-760 এর মান Ti6A14V খাদের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে কম, এটি নির্দেশ করে যে এটির নির্দিষ্ট সাইটোটক্সিসিটি 7 দিনে রয়েছে। এটি দেখা যায় যে Ti6A14V-xCu খাদের জন্য, Cu সামগ্রীটি 6% এর বেশি হওয়া উচিত নয়, অন্যথায় খাদটি দীর্ঘ সময়ের পরে সাইটোটক্সিসিটির একটি নির্দিষ্ট ডিগ্রি দেখাবে।

চিত্র 4 Ti6A14V (a) 4.5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7.5Cu-760; (d) খাদ সহ-সংস্কৃতির পরে ব্যাকটেরিয়া বৃদ্ধির আকারবিদ্যা; (ঙ) Ti6Al4V খাদের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল হারের তুলনা; (f) 1, 3 এবং 7 দিনের জন্য বিভিন্ন সংকর ধাতুর সাথে সহ-সংস্কৃতিকৃত কোষগুলির শোষণের মান