用于生物应用的金属玻璃和激光表面纹理

文摘   2024-11-03 21:15   江苏  






责编 明  秋

校对 媛  媛

审发 祁  

图片来源:非晶中国大数据库


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引言

1960年发现的金属玻璃至今仍被广泛研究。科学家们对这些材料越来越感兴趣,因为它们独特的特性组合来自其主要由金属元素组成的非晶结构。金属玻璃是一种金属材料,具有有趣的特性,例如弹性模量低,但由于非晶和无序结构允许没有晶格缺陷、晶粒和晶界,因此具有更高的强度和耐腐蚀性。金属玻璃特别被研究用于生物应用,例如植入物或手术工具。这些医疗对象需要尽可能抗菌以避免感染,并且具有生物相容性,以便于融入生物环境。最近,使用激光对表面进行纹理处理已被证明对生物特性有显着影响。因此,金属玻璃和激光表面纹理的结合对于未来的植入物和手术工具来说非常有前途,作为限制手术相关风险的一种手段。

02

金属玻璃

2.1 块体金属玻璃(BMG)

Vitreloy®1(Zr41.2Ti13.8Cu12.5N10.0Be22.5)开发于1993年并于2003年成为第一款商用BMG,名为 LiquidMetal® 。迄今为止,这种成分仍然是玻璃形成能力(GFA)最好的成分之一。由于Be的毒性高,后来被Al取代。在过去的30年里,随着许多Fe、Ni、Ti和Cu基体系的合成,BMG得到了全面扩展。图1汇编了一些不同四元合金的大型 BMG 件的照片。


图1. A 基于Pd、Zr、Cu、Ni 和 Pt的大型BMG; B BMG不同体系直径演变。

2.2 薄膜金属玻璃

薄膜金属玻璃(TFMGs)是通过物理气相沉积(PVD)溅射法或脉冲激光沉积(PLD)生产出来的。与BMGs相比,PVD过程引起的这种极快的冷却速度可以产生更多的全非晶系统和成分。使用PVD 溅射技术可以通过两种不同的方式合成TFMG:(1)使用单个基于BMG的靶材实现完全已知成分的薄膜;(2) 使用多个靶材(图2)。通过将多个样品放置在溅射腔的不同位置,可以采用组合方法,从而根据它们与每个靶的距离产生不同的薄膜成分。因此,属于同一系统但成分不同的许多样品可同时进行溅射。最近,PLD也被用于制造TFMG。该技术使用高功率脉冲激光从放置在真空室中的目标中蒸发要沉积的材料。然后产生等离子体,颗粒沉积在基板上,形成薄膜。然而,这种沉积方法意味着存在热影响区,由于材料某些区域的温度升高,这可能会导致结构的改变。


图2. PVD磁控管溅射系统(a)双靶系统示意图 (b)三靶溅射装置示例。

03

无纹理化金属玻璃表面的生物行为

3.1 抗菌活性

大多数抗菌的金属玻璃都是Zr基的,并含有大量的Cu。次级元素包括Ti、Ag、Al和Ni。大多数论文将抗菌特性归因于释放离子现象,通常是Cu或Ag甚至Al。TFMG的低表面粗糙度也被认为是一个有利的杀菌因素。事实上,TFMG的特点是表面非常光滑,这与溅射沉积工艺相关,既不会导致晶界,也不会导致柱状优先生长。这种低粗糙度有助于表面具有良好的疏水性,影响细菌粘附和生物膜形成。

在细菌方面,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌是最常用的。鉴于膜厚度的差异,测试革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌性能非常重要。大多数研究是在TFMG上进行的,这可能与合成大型BMG的难度有关,这使得TFMG在医疗领域的使用比BMG更合理。

3.2 生物相容性

对于生物医学应用,可以区分两种类型的金属玻璃:(1)与生物环境接触时保持完整的生物惰性组合物,或者表现出非常低的离子释放,以至于不被认为是有害的,以及(2)可生物降解的金属玻璃,不需要移除(无任何毒性)。

04

表面纹理对生物行为的影响

尽管对许多金属玻璃系统进行了所有研究,但仍然没有实现生物相容性和抗菌性能的完美组合物。主要问题是抗菌性能的增加与离子释放有关,这损害了生物相容性。表面纹理可能是这个问题的一个潜在解决方案。这个想法是通过改变表面地形来提供抗菌效果,而生物相容性由合金成分提供,并且可以通过纹理化来改善。这对于人工植入物至关重要。事实上,在放置植入物时,必须获得良好的骨整合,即在植入物和骨骼之间的界面上建立牢固而可行的直接连接。表面的微纳米纹理化可以通过拉伸膜来达到杀菌效果,导致其破裂,从而导致细菌死亡。当然,拉伸在很大程度上取决于表面粗糙度,即结构的高度、间距和周期性,以及接触区域的宽度和形状。图3为细菌细胞在纳米柱上的吸附及其由膜拉伸引起的裂解。


图3. 在纳米柱上拉伸导致的膜破裂。

05

总结

对于金属玻璃进行了许多很有前途的研究,这些材料的性能,特别是用于生物医学应用的性能,仍然可以通过进一步的表面处理来改善。例如,激光纹理可用于改变表面对微生物的亲和力。生物效应确实可以与表面化学的改变直接相关,特别是形成一层薄的氧化膜,或者与易局部析晶的地下结构相关。细胞和细菌的活性也可以间接受到激光纹理表面微观结构的影响,其润湿特性通常会发生变化。总而言之,最近在BMG和TFMGs的合成、微生物与纹理表面之间相互作用的研究以及激光的表面结构方面取得了许多进展。因此,现在可以将这三个领域结合起来,设计出具有非常好的抗菌和生物相容性特性的多功能耐用表面。


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