اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم مرکب مواد اور ٹیکنالوجیز کی تحقیق اور ترقی

1. تعارف

ٹائٹینیم (Ti) اور اس کے مرکب میں کم کثافت، اعلی طاقت، اور بہترین سنکنرن مزاحمت کی خصوصیات ہیں، اور اصل میں ہوا بازی کی صنعت میں استعمال ہوتے تھے۔ 1940 کی دہائی کے اوائل میں، ٹائٹینیم اور اس کے مرکبات کو پہلی بار طبی میدان میں متعارف کرایا گیا۔ نصف صدی سے زیادہ ترقی کے بعد، خالص ٹائٹینیم اور Ti6A14V مرکب، سب سے زیادہ نمائندہ ٹائٹینیم پر مبنی طبی دھاتی مواد کے طور پر، بہت سے طبی کلینکوں میں استعمال کیا گیا ہے، خاص طور پر آرتھوپیڈکس اور دندان سازی کے شعبوں میں، سٹینلیس سٹیل اور کوبالٹ کی جگہ لے کر۔ بڑی مقدار میں مرکب. تاہم، ٹائٹینیم مرکب حیاتیاتی طور پر غیر فعال مواد کی ایک قسم ہے جس میں کوئی اینٹی بیکٹیریل خصوصیات نہیں ہیں اور یہ امپلانٹس کی وجہ سے ہونے والے انفیکشن کے مسائل کے خلاف بے اختیار ہے۔ اس وقت، میگنیٹران اسپٹرنگ، الیکٹرو کیمیکل جمع، آئن امپلانٹیشن، مائیکرو آرک آکسیڈیشن اور دیگر طریقے عام طور پر طبی ٹائٹینیم مرکبات کی سطح پر غیر نامیاتی یا نامیاتی اینٹی بیکٹیریل ایجنٹوں کو لوڈ کرنے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں، اس طرح انہیں اینٹی بیکٹیریل خصوصیات ملتی ہیں۔ سطح میں ترمیم کے ذریعے تیار کی جانے والی اینٹی بیکٹیریل کوٹنگز کے فوائد واضح ہیں، لیکن اس میں اب بھی کوتاہیاں ہیں، جیسے نسبتاً پیچیدہ کوٹنگ کا عمل، پیداواری لاگت میں اضافہ، کوٹنگ اور سبسٹریٹ کے درمیان ناقص تعلق، کوٹنگ کا آسان پہننا، اور ناقص طویل مدتی اینٹی بیکٹیریل کارکردگی کا انتظار کریں۔ پرتیاروپت ٹائٹینیم مرکبات اور اینٹی بیکٹیریل کوٹنگز کی کمی کی وجہ سے انفیکشن کے مسائل کے جواب میں، لوگوں نے مرکب مرکب کو ایڈجسٹ کرکے اپنے اینٹی بیکٹیریل افعال کے ساتھ نئے اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم مرکب تیار کرنے کی کوشش شروع کردی ہے۔

2. اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم کھوٹ کا اینٹی بیکٹیریل میکانزم

بیکٹیریا کے پھیلاؤ کا بیکٹیریل بائیو فلموں کی تشکیل سے گہرا تعلق ہے۔ بیکٹیریل بائیو فلموں کی تشکیل کا عمل تصویر 1 میں دکھایا گیا ہے۔ پلانکٹونک بیکٹیریا مادی میٹرکس پر اترنے کے بعد بڑھتے اور بڑھتے ہیں، ایک بیکٹیریل بائیو فلم بناتے ہیں۔ بائیو فلم کی سطح گھنے ایکسٹرا سیلولر میٹرکس کی ایک تہہ ہے۔ ایکسٹرا سیلولر میٹرکس کی اس پرت میں ٹھوس ساخت اور اعلی طاقت ہوتی ہے۔ اندر لپیٹے ہوئے بیکٹیریا قریبی رابطے میں ہوتے ہیں، جو بیکٹیریا کے درمیان تعامل اور مادی تبادلے کو بڑھاتا ہے، جبکہ بیرونی نقصان دہ مادوں کے داخلے کو روکتا ہے۔ لہٰذا، بائیو فلم بننے کے بعد، یہ آسانی سے اینٹی بائیوٹکس، پریزرویٹو اور دیگر بیرونی کیمیکلز سے پریشان نہیں ہوتا، اس لیے اسے عام استعمال ہونے والی اینٹی بائیوٹکس کے ذریعے ہٹانا مشکل ہوتا ہے۔

تصویر 1 بیکٹیریل بائیو فلم کی تشکیل کا عمل

اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم مرکبات کے اینٹی بیکٹیریل میکانزم کو درج ذیل چار مراحل میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: ① اینٹی بیکٹیریل دھات کی سطح اینٹی بیکٹیریل افعال کے ساتھ دھاتی آئنوں کو جاری کرتی ہے۔ ② منفی چارج شدہ بیکٹیریل خلیات اور مثبت چارج شدہ دھاتی آئن ایک دوسرے کی طرف متوجہ ہوتے ہیں، اور دھاتی آئن بیکٹیریا میں جذب ہو جاتے ہیں ③ دھاتی آئن بیکٹیریا کے خلیے کی دیوار اور خلیے کی جھلی کو تباہ کرتے ہیں، یا ان کے پروٹین کی ساخت کو تباہ کرتے ہیں، جس سے سائٹوپلازم کا اخراج ہوتا ہے۔ ④ دھاتی آئن بیکٹیریل سیل کی دیوار میں مزید گھس جاتے ہیں اور بیکٹیریل ڈی این اے کے ساتھ مل جاتے ہیں، جس کی وجہ سے بیکٹیریل ڈینیچریشن اور نقل کی صلاحیت کا نقصان ہوتا ہے۔ چاہے یہ سیل کی دیوار کو نقصان پہنچا ہو یا جینیاتی مواد، بیکٹیریا مر جائیں گے۔

3. تحقیقی پیشرفت

3.1 Ti-Ag اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم مرکب

چاندی (Ag)، ایک مرکب عنصر کے طور پر، ٹائٹینیم پر مبنی دھاتوں کی سنکنرن مزاحمت اور مکینیکل خصوصیات کو بہتر بنا سکتا ہے۔ تاکاہاشی وغیرہ۔ پتہ چلا کہ 20wt% Ag شامل کرنے سے کاسٹ ٹائٹینیم الائیز کی مضبوطی اور پہننے کی مزاحمت کو بہتر بنایا جا سکتا ہے جبکہ زیادہ لمبائی کو برقرار رکھا جا سکتا ہے۔ شیم وغیرہ۔ ثابت ہوا کہ Ti-Ag مرکب خالص ٹائٹینیم سے بہتر سنکنرن مزاحمت رکھتا ہے۔ Ag میں بھی اچھی بایو مطابقت ہے، اور Ag-Hg مرکب دانتوں کے مواد کے طور پر استعمال کیا گیا ہے۔ Ag پر مشتمل کوٹنگز کی بہترین اینٹی بیکٹیریل خصوصیات کی تصدیق کئی مطالعات سے ہوئی ہے۔ لہذا، ٹائٹینیم اور اس کے مرکب میں مناسب Ag شامل کرکے، مخصوص اینٹی بیکٹیریل خصوصیات کے ساتھ Ag پر مشتمل ٹائٹینیم مرکبات حاصل کرنا ممکن ہے۔ تاہم، اگرچہ کچھ Ti-Ag مرکبات میں Ag کا مواد بہت زیادہ ہے، یہاں تک کہ 20wt٪ تک پہنچ جاتا ہے، وہ اہم اینٹی بیکٹیریل اثرات نہیں دکھاتے ہیں، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ Ag پر مشتمل ٹائٹینیم مرکبات کے اینٹی بیکٹیریل اثرات کا تعین مکمل طور پر Ag مواد سے نہیں ہوتا ہے۔

زینگ وغیرہ۔ TiNi شکل کے میموری الائے میں 2.9wt% Ag کا اضافہ کیا، اور حاصل کردہ کاسٹ TiNi الائے نے بعض اینٹی بیکٹیریل خصوصیات کو ظاہر کیا، اور Staphylococcus aureus کے خلاف اینٹی بیکٹیریل شرح 86.3% تک پہنچ گئی۔ چن وغیرہ۔ Ti-xAg مرکبات (x=1,3,5) کی ایک سیریز حاصل کرنے کے لیے خالص ٹائٹینیم پاؤڈر کے ساتھ مل کر سنٹر کرنے کے لیے مختلف مواد اور مختلف پارٹیکل سائز کے ساتھ Ag پاؤڈر کا استعمال کیا۔ ان کی مکینیکل خصوصیات، سنکنرن خصوصیات، اینٹی بیکٹیریل خصوصیات اور وٹرو سیل فیز میں اہلیت کی خصوصیات اور جانچ کی گئی۔ جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے، 10 μm کے Ag ذرہ سائز کے ساتھ Ti-Ag مرکب کی اینٹی بیکٹیریل سرگرمی 75 μm کے Ag ذرہ سائز کے ساتھ Ti-Ag مرکب سے زیادہ ہے۔ Ag آئن کی رہائی کے قانون کے برخلاف، 10 μm کے Ag ذرہ کے سائز کے ساتھ Ti-Ag مرکب مرکب کی آئن کی رہائی کی مقدار Ti-Ag مرکب سے کم ہے جس میں Ag پاؤڈر پارٹیکل سائز 75 μm ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ Ti-Ag الائے کی اینٹی بیکٹیریل کارکردگی کا میٹرکس پر موجود نینو/مائکرون پیمانے کے جامع چاندی کے ذرات سے گہرا تعلق ہونا چاہیے۔

شکل 2 خالص Ti اور Ti-Ag مرکب کی سطح پر بیکٹیریل کالونیاں

3.2 Ti-Cu اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم مرکب

2009 میں، شیرائی وغیرہ۔ پہلے Ti-xCu(x=1,5) مرکب کے اینٹی بیکٹیریل اثر کا مطالعہ کیا۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ Ti-1Cu میں E. coli کے خلاف اہم اینٹی بیکٹیریل خصوصیات ہیں اور اچھی حیاتیاتی حفاظت ہے، جس سے تانبے پر مشتمل بیکٹیریا اور ٹائٹینیم مرکبات کے درمیان فاصلہ کھلتا ہے جو طبی دھاتی مواد کی تحقیق کے لیے پردے کا کام کرتا ہے۔ اس کے بعد، Zhang et al. Ti-10wt%Cu مرکب تیار کرنے کے لیے پاؤڈر میٹالرجی کا استعمال کیا، اور اینٹی بیکٹیریل خصوصیات، مکینیکل خصوصیات اور مرکب کی سنکنرن خصوصیات کا مطالعہ کیا۔ جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے، Ti-10 Cu ملاوٹ Staphylococcus aureus اور Staphylococcus aureus کے خلاف مزاحم ہے۔ E. coli سب کے قتل کے اہم اثرات ہوتے ہیں۔ Ti-10Cu الائے کے انٹرا سیئس امپلانٹیشن ٹیسٹ کے نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ Ti-10Cu الائے میں ہڈیوں کے خلیے کی اچھی مطابقت ہے۔ مزید تحقیقی نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ ٹائٹینیم میں کم از کم 5% Cu شامل کرنے سے ایک اہم اینٹی بیکٹیریل اثر پڑے گا۔ اینٹی بیکٹیریل اور اینٹی انفیکشن کے مقصد کے لیے، انسٹی ٹیوٹ آف میٹل ریسرچ، چائنیز اکیڈمی آف سائنسز نے اینٹی بیکٹیریل افعال کے ساتھ تانبے پر مشتمل ٹائٹینیم مرکبات کی ایک سیریز تیار کی ہے، اور اس نے بڑی تعداد میں وٹرو اور ان ویوو جانوروں کی تجرباتی تحقیق کی ہے۔ Ti میں Cu کی ٹھوس حل پذیری بہت کم ہے۔ جب اعلی درجہ حرارت سے 790 ڈگری تک ٹھنڈا کیا جاتا ہے تو، سپر سیچوریٹڈ Cu ایک Ti2Cu انٹرمیٹالک مرکب کے طور پر تیار ہوتا ہے۔ اس اور میٹرکس کے درمیان ممکنہ فرق جسمانی ماحول میں تانبے کے آئنوں کی ٹریس مقدار کو جاری کرنے کے لیے کھوٹ کو فروغ دے گا۔ ، اس طرح ایک مضبوط جراثیم کش اثر ڈالتا ہے۔

شکل 3 اسٹیفیلوکوکس اوریئس اور ایسچریچیا کولی پر Ti-10Cu کا قتل اثر

3.3 Ti6Al4V-Cu اینٹی بیکٹیریل ٹائٹینیم مرکب

پینگ وغیرہ۔ تھرمل پروسیس شدہ Ti6Al4V-xCu (x=4.5, 6, 7.5) مرکب پر جامع کارکردگی کی اصلاح کی گئی۔ تحقیقی نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ مرکب کی بہترین مکینیکل خصوصیات، سنکنرن مزاحمت اور پہننے کی مزاحمت حاصل کرنے کے لیے، مرکب دھاتوں کے تین گروہوں کی تھرمل پروسیسنگ کے بعد زیادہ سے زیادہ گرمی کے علاج کے عمل کو 720 ڈگری، 740 ڈگری اور 760 ڈگری پر رکھنا ہے۔ 1 گھنٹہ اور پھر ایئر ٹھنڈا. شکل 4 میں، انہیں بالترتیب 4.5Cu-720، 6Cu-740 اور 7.5Cu-760 سے ظاہر کیا گیا ہے۔ مرکب دھاتوں کے تین گروہوں کے اینٹی بیکٹیریل ٹیسٹ اور سائٹوٹوکسیٹی ٹیسٹ کے نتائج شکل 4 میں دکھائے گئے ہیں۔ شکل 4(a)-(d) سے، یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ Ti6Al4V مرکب کے ساتھ کو کلچر کے بعد زیادہ بیکٹیریل کالونیاں ہیں، اور اس کے بعد Ti6A14V-Cu الائے کے ساتھ شریک ثقافت بیکٹیریل کالونیوں کی تعداد کم ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ تانبے پر مشتمل ٹائٹینیم مرکب مضبوط اینٹی بیکٹیریل خصوصیات رکھتا ہے۔ شکل 4 (e) Ti6Al4V-xCu مرکب کی اینٹی بیکٹیریل شرح کو ظاہر کرتی ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ 4.5Cu-720 نمونے کی اینٹی بیکٹیریل شرح تقریباً 80% ہے۔ جیسے جیسے Cu مواد میں اضافہ ہوتا ہے، مصر دات کی اینٹی بیکٹیریل شرح قدرے بڑھ جاتی ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ اینٹی بیکٹیریل کارکردگی میں بہتری آئی ہے۔ جیسا کہ شکل 4(f) سے دیکھا جا سکتا ہے، جب 1 اور 3 دنوں کے لیے خلیات کے ساتھ ہم آہنگی کی جاتی ہے، Ti6A14V-Cu الائے اور Ti6A14V الائے کی جاذبیت کی قدریں زیادہ مختلف نہیں ہوتی ہیں۔ لیکن 7 دنوں میں، 7.5Cu-760 کی قدر Ti6A14V الائے کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ اس میں 7 دنوں میں مخصوص سائٹوٹوکسٹی ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ Ti6A14V-xCu الائے کے لیے، Cu کا مواد 6% سے زیادہ نہیں ہونا چاہیے، بصورت دیگر یہ کھوٹ ایک طویل عرصے کے بعد سائٹوٹوکسیٹی کی ایک خاص ڈگری دکھائے گا۔

شکل 4 Ti6A14V (a) 4.5Cu-720; (b) 6Cu-740; (c) 7.5Cu-760; (d) الائے کو کلچر کے بعد بیکٹیریل گروتھ مورفولوجی؛ (e) Ti6Al4V مرکب کے اینٹی بیکٹیریل نرخوں کا موازنہ؛ (f) 1، 3 اور 7 دنوں کے لیے مختلف مرکب دھاتوں کے ساتھ مل کر تیار کردہ خلیوں کی جاذبیت کی قدریں