Fabbricazione di meccanicamente Tunable e Bioactive metallo Ponteggi per applicazioni biomediche

Summary

Bioactive and mechanically reliable metal scaffolds have been fabricated through a method which consists of two processes, dynamic freeze casting for the fabrication of porous Ti, and coating and densification of the Ti scaffolds. The densification process is simple, effective and applicable to the fabrication of functionally graded scaffolds.

Abstract

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness and low bioactivity of metals. In this study, we have developed a new method towards fabricating a new type of bioactive and mechanically reliable porous metal scaffolds-densified porous Ti scaffolds. The method consists of two fabrication processes, 1) the fabrication of porous Ti scaffolds by dynamic freeze casting, and 2) coating and densification of the porous scaffolds. The dynamic freeze casting method to fabricate porous Ti scaffolds allowed the densification of porous scaffolds by minimizing the chemical contamination and structural defects. The densification process is distinctive for three reasons. First, the densification process is simple, because it requires a control of only one parameter (degree of densification). Second, it is effective, as it achieves mechanical enhancement and sustainable release of biomolecules from porous scaffolds. Third, it has broad applications, as it is also applicable to the fabrication of functionally graded porous scaffolds by spatially varied strain during densification.

Introduction

Mentre biomateriali metallici sono stati ampiamente utilizzati come protesi portanti e dispositivi di fissaggio interni a causa della loro ottima resistenza meccanica e la resistenza, ^1-3 coinvolgono due sfide cruciali: 1) non corrispondente meccanico perché i metalli sono molto più rigido rispetto ai tessuti biologici, provocando danni indesiderati ai tessuti circostanti e 2) bassa bioattività che spesso si traduce in scarsa interfaccia con i tessuti biologici, spesso provocando reazioni da corpo estraneo (ad esempio, infiammazione o trombosi). ^4-6 ponteggi metallici porosi sono state proposte per promuovere la crescita ossea nelle strutture, migliorando . contatto osso-impianto, mentre gli effetti dello scudo di stress vengono soppressi a causa della loro rigidità ridotta ^7-9 Inoltre, varie modifiche di superficie sono stati applicati per migliorare le attività biologiche di impianti metallici; tali modifiche comprendono il rivestimento della superficie metallica con molecole bioattive (ad esempio, la crescita factori) o farmaci (ad esempio, vancomicina, tetracicline). ^10-12 Tuttavia, problemi come la riduzione delle proprietà meccaniche dei ponteggi metallici porosi, diminuito la rigidità e il rilascio veloce degli strati di rivestimento bioattivi restano irrisolti. ^13-16

In particolare, titanio (Ti) e leghe di Ti sono uno dei più diffusi sistemi Biometal causa delle loro eccellenti proprietà meccaniche, stabilità chimica e buona biocompatibilità. ^13,17-19 loro applicazioni a forma di schiuma hanno attirato un crescente interesse perché il 3D reti porosi promuovere crescita ossea in aggiunta alle proprietà meccaniche simile all'osso. ^20-22 sforzi sono stati fatti per migliorare le proprietà meccaniche sviluppando nuove tecniche di produzione inclusi replica di spugna polimerica, sinterizzazione di particelle metalliche, prototipazione rapida metodo (RP), e Metodo titolare spazio per controllare le varie caratteristiche dei pori (ad esempio, la frazione dei pori,forma, dimensione, di distribuzione, e la connettività) e proprietà dei materiali (ad esempio, di fase metallici e impurità). ^23-25 ​​Recentemente, il casting congelamento dei a base di acqua metallo liquami ha guadagnato una notevole attenzione per la produzione di forme avanzate meccanicamente TI con pori ben allineati strutture, utilizzando la unidirezionale ghiaccio crescita dei dendriti durante la solidificazione; tuttavia, la contaminazione di ossigeno causata dal contatto di polveri di metallo con l'acqua richiede una particolare attenzione per ridurre al minimo la fragilità di ponteggi Ti. ^14,15

Pertanto, abbiamo sviluppato un nuovo approccio verso la fabbricazione di impalcature Ti porosi bioattive e meccanicamente accordabili. ^{25 Le} impalcature hanno inizialmente strutture porose con una porosità superiore al 50%. Gli scaffold porosi fabbricati sono stati rivestiti con molecole bioattive e poi compressi utilizzando una pressa meccanica in cui la porosità finale, proprietà meccaniche e comportamenti rilascio del farmaco erano controllati dal appliceppo ed. Gli impianti addensate Ti porosi hanno dimostrato bassa porosità con buona resistenza nonostante la bassa rigidità paragonabile a quella dell'osso (3-20 GPa). ² A causa dello strato di rivestimento, la bioattività del addensato porosa Ti è significativamente migliorata. Inoltre, a causa delle particolari strutture a pori piane indotte dal processo di densificazione, le molecole bioattive rivestiti sono stati osservati essere gradualmente rilasciato dal ponteggio, mantenendo la loro efficacia per un periodo prolungato.

In questo studio, abbiamo introdotto il nostro metodo stabilito per fabbricare densificati scaffold Ti porosi per uso potenziale in applicazioni biomediche. Il protocollo include colata congelamento dinamico con fanghi metallo e densificazione di scaffold porosi. In primo luogo, per fabbricare scaffold porosi TI con buona duttilità è stato introdotto il metodo freeze fusione dinamica come mostrato nella Figura 1A. Polvere ti è stata dispersa in camphene liquido; quindi, diminuendo la temperatura,la fase liquida è solidificato, causando la separazione di fase tra la rete polvere Ti e cristalli canfene solidi. Successivamente, il corpo verde solidificato Ti-canfene stato sinterizzato in cui le polveri di Ti sono stati condensati con continue puntoni Ti, e la fase canfene stato completamente rimosso per ottenere una struttura porosa. Il rivestimento e processo densificazione con scaffold porosi ottenuti è stato impiegato, variando il grado di addensamento e porosità iniziale. Lo strato di rivestimento ed il suo comportamento rilascio sono stati visualizzati e quantificati tramite la proteina fluorescente verde (GFP) Rivestiti poroso Ti con e senza densificazione rispetto alla GFP rivestite denso Ti. Infine, impalcature Ti funzionalmente graduati che hanno due diverse strutture porose sono stati proposti e dimostrate variando il grado di addensamento delle parti interne ed esterne dei scaffold porosi.

Protocol

1. Realizzazione di metallo poroso Ponteggi Preparare fanghi Ti-canfene mescolando disponibile in commercio in polvere Ti, canfene, e KD-4 dopo aver valutato l'ammontare adeguato di materiali come descritto nella tabella 1 per porosi ponteggi TI con quattro porosità iniziale (40, 50, 60, e 70). Versare fanghi in 500 ml di polietilene (PE) e ruotare le bottiglie bottiglie a 55 ° C per 30 minuti in un forno di macinazione a 30 rpm. Versare fanghi dalle bottiglie…

Representative Results

Il processo di fabbricazione utilizzata per produrre scaffold porosi Ti è illustrato nella Figura 1A. Polvere di Ti è mantenuto disperso omogeneamente in canfene dalla rotazione continua del contenitore a 44 ° C per 12 ore e, mentre canfene liquido è completamente solidificato, eventuali sedimenti di relativamente pesante polvere Ti possono essere minimizzati. Come risultato, il corpo verde omogeneo Ti-canfene stato prodotto utilizzando il processo di congelamento colata dinamica co…

Discussion

Mentre i sistemi Biometal sono stati ampiamente utilizzati per applicazioni biomediche, in particolare, come materiali portanti, elevata rigidità e bassa bioattività dei metalli sono stati considerati come grandi sfide. In questo studio, abbiamo stabilito il metodo di fabbricazione di un nuovo sistema di metallo, una impalcatura metallo poroso addensato che ha biomimetici proprietà meccaniche e di superficie bioattiva con comportamento rilascio sostenibile. I principali vantaggi del nostro metodo di fabbricazione inc…

Materials

Titanium powder	Alfa Aesar	#42624	-325 mesh, 99.5% (metals basis)
Camphene	SigmaAldrich	#456055	95%, C10H16
KD-4	Croda	­	Hypermer, polymeric dispersant
Phosphate Buffer Solution (PBS)	Welgene	ML 008-01	­
Green Fluorescent Protein (GFP)	Genoss Co.	–	>98% purity, 1mg/ml
Ball mill oven	SAMHENUG ENERGY	SH-BDO150	­
Freeze dryer	Ilshin Lab.	PVTFD50A	­
Cold isostatic pressing (CIP) machine	SONGWON SYSTEMS	CIP 42260	­
Vaccum furnace	JEONG MIN INDUSTRIAL	JM-HP20	­
electical chaege machine	FANUC robocut	0iB	External use
Press machine	CG&S	AJP-200	­
Confocal laser scanning spectroscopy (CLSM)	Olympus	FluoView FV1000	External use