Изготовление механически перестраиваемых и биологически активных металлов строительные леса для биомедицинских применений

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

В то время как металлические биоматериалы были широко используются в качестве несущих имплантаты и внутренних устройств фиксации из-за их превосходной механической прочностью и ^{упругостью,} 1-3 они включают две критические проблемы: 1) механическое несовпадение, поскольку металлы намного жестче, чем биологических тканей, в результате чего нежелательные повреждения с окружающими тканями и 2) низкой биологической активностью, что часто приводит к плохому интерфейс с биологических тканей, часто провоцирующих реакции инородного тела (например, воспаление или тромбоз). Пористые металлические ^4-6 каркасы были предложены для содействия врастание кости в структурах, повышение . костного имплантата контакта а эффекты стресса щит подавляются из-за их пониженной жесткости ^7-9 Кроме того, различные модификации поверхности были применены для повышения биологической активности металлических имплантатов; такие модификации включают покрытие поверхности металла с биоактивными молекулами (например, роста FACТЗ) или наркотики (например, ванкомицин, тетрациклин). ^10-12 Тем не менее, такие проблемы, как снижение механических свойств пористых металлических каркасов, снижение жесткости и быстрое высвобождение биоактивных слоев покрытия остаются нерешенными ^13-16.

В частности, титан (Тi) и Ti сплавов являются одним из наиболее популярных biometal систем из-за их превосходных механических свойств, химической стабильности и хорошей биосовместимостью. ^13,17-19 Их пены в форме заявки также привлекать все большее внимание, так как 3D пористые сети способствуют врастание кости в дополнение к механическим свойствам кости, как. ^20-22 Были предприняты усилия для улучшения механических свойств путем разработки новых технологий производства, включая репликацию полимерного губки, спекание частиц металла, быстрого прототипирования методом (РП), и пространство метод держатель для того, чтобы контролировать различные функции поры (например, доля пор,Форма, размер, распределение и подключение) и свойства материала (например, металлической фазы и примесей). ^23-25 ​​Недавно замораживания литье на водной основе металлического шлама получила значительное внимание производству механически усовершенствованных форм Ti с хорошо выровненных поры структуры за счет использования однонаправленного роста дендритов льда во время затвердевания; Однако загрязнение кислорода в результате контакта металлических порошков с водой требует особой осторожности, чтобы свести к минимуму хрупкость Ti лесов. ^14,15

Таким образом, мы разработали новый подход к изготовлению биологически активные и механически перестраиваемых пористых каркасов Ti. ²⁵ Леса изначально имеют пористые структуры с пористостью более 50%. Изготовленного пористые леса покрывали биоактивных молекул, а затем сжимается с помощью механического пресса, во время которого окончательное пористость, механические свойства и поведение высвобождения лекарственного контролировались примеред штамм. Уплотненные пористые имплантаты Ti, показали низкую пористость с хорошей прочностью, несмотря на низкой жесткостью, сравнимой с костью (3-20 ГПа). ² Из слоя покрытия, биологическая активность уплотненного пористого титана была значительно улучшена. Кроме того, из-за уникальных плоских пор структуры, индуцированные процесса уплотнения, покрытые биоактивные молекулы были замечены быть постепенно высвобождается с лесов, сохранении их эффективности в течение длительного периода.

В этом исследовании мы представили наш установленного способа изготовить уплотненных пористых каркасов Ti для возможного использования в биомедицинских приложениях. Протокол включает в себя динамическую литье замерзания с металлическими суспензий и уплотнения пористых каркасов. Во-первых, для изготовления пористых каркасов Ti с хорошей пластичностью динамический метод литья замораживания был введен, как показано на рисунке 1А. Ti порошок диспергируют в жидкой камфена; Затем, за счет снижения температуры,жидкая фаза затвердевает, в результате чего разделение фаз между порошковым сети Ti и твердых кристаллов камфен. Впоследствии затвердевает Ti-камфен сырец спекают в котором Ti порошки конденсируют с непрерывными стоек Ti, а фаза камфен был полностью удален, чтобы получить пористую структуру. Использовалось покрытие и процесса уплотнения с полученными пористых каркасов, изменяя степень уплотнения и начальной пористости. Слой покрытия и его поведение выпуск визуализировали и количественно с помощью зеленый флуоресцентный белок (GFP), -покрытие пористый титан и без уплотнения по сравнению с GFP-покрытием плотной Ti. Наконец, функционально-градиентных Ti каркасы, имеющие два различных пористых структур были предложены и продемонстрированы путем изменения степени уплотнения внутренней и внешней частей пористых каркасов.

Protocol

1. Изготовление пористой металлической строительные леса Подготовьте Ti-камфен суспензий путем смешивания коммерчески доступный порошок Ti, камфен, а KD-4 после взвешивания соответствующих количеств материалов, как описано в таблице 1 для пористых каркасов Ti с четырьмя нач…

Representative Results

Процесс изготовления используется для получения пористых каркасов Ti показано на фиг.1А. Ti порошка хранится гомогенно диспергируют в камфен непрерывным вращением контейнера при 44 ° С в течение 12 ч и, в то время как жидкость камфен полностью затвердевает, любые отложения относи?…

Discussion

В то время как biometal системы были широко использованы для биомедицинских применений, в частности, в качестве несущих материалов, высокой жесткостью и низкой биологической активности металлов рассматривались как основных проблем. В этом исследовании мы установили способ изготовления ?…

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