Herstellung von mechanisch Tunable und Bioactive Metallgerüste für biomedizinische Anwendungen

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

Während metallische Biomaterialien wurden weithin als tragende Implantate und interne Fixationsvorrichtungen, aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und Widerstandskraft, ^1-3 verwendet sie beinhalten zwei kritischen Herausforderungen: 1) mechanische Fehlanpassung, weil Metalle sind viel steifer als biologisches Gewebe, was zu unerwünschten Schäden zu den umliegenden Geweben und 2) geringe Bioaktivität, die oft zu einer schlechten Oberfläche mit biologischen Geweben, oft provozieren Fremdkörperreaktionen (zB Entzündung oder Thrombose). ^4-6 porösen Metallgerüste vorgeschlagen worden, um das Einwachsen von Knochen in den Strukturen fördern, die Verbesserung . Knochen-Implantat-Kontakt, während die Spannungsabschirmung Effekte werden wegen ihrer geringeren Steifigkeit drückt ^7-9 Außerdem können verschiedene Oberflächenmodifikationen wurden angewandt, um die biologischen Aktivitäten von metallischen Implantaten zu verbessern; Solche Modifikationen schließen Beschichtung der Metalloberfläche mit bioaktiven Molekülen (zB Wachstums facToren) oder Arzneimitteln (zB, Vancomycin, Tetracyclin). ^10-12 jedoch Probleme wie reduzierte mechanische Eigenschaften der porösen Metallgerüste, verminderte Steifigkeit und die schnelle Freisetzung des biologisch aktiven Überzugsschichten ungelöst bleiben. ^13-16

Insbesondere Titan (Ti) und Ti-Legierungen sind eine der beliebtesten Biometall Systeme wegen ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, chemische Stabilität und gute Biokompatibilität. ^13,17-19 Die schaumförmigen Anwendungen wurden zog auch zunehmendes Interesse, weil der 3D- poröse Netzwerke fördern das Einwachsen von Knochen neben knochenartige mechanische Eigenschaften. ^20-22 wurden Anstrengungen unternommen, um die mechanischen Eigenschaften durch die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren, einschließlich Replikation polymerer Schwamm, Sintermetallpartikeln, Rapid Prototyping (RP) Verfahren zu verbessern, und Platzhalter Verfahren, um die verschiedenen Eigenschaften der Poren zu kontrollieren (zB Porenanteil,Form, Größe, Verteilung und Konnektivität) und Materialeigenschaften (zB metallische Phase und Verunreinigung). ^23-25 ​​Vor kurzem hat die Gefriert Gießen von Wasser basierende Metallschlamm beträchtliche Aufmerksamkeit mechanisch verstärkten Ti bildet mit gut ausgerichteten Poren produzieren gewonnen Strukturen durch Ausnutzung der unidirektionalen Eis Dendritenwachstum während der Erstarrung; jedoch Sauerstoffkontamination durch Kontakt von Metallpulvern mit Wasser verursacht erfordert besondere Sorgfalt, um die Versprödung des Ti Gerüsten zu minimieren. ^14,15

Daher haben wir einen neuen Ansatz zur Herstellung von bioaktiven und mechanisch abstimmbaren poröse Ti Gerüsten entwickelt. ^25. Die Gerüste anfänglich porösen Strukturen mit einer Porosität von mehr als 50%. Die hergestellten porösen Gerüste wurden mit bioaktiven Molekülen beschichtet und dann komprimiert unter Verwendung einer mechanischen Presse, in dem die Endporosität, mechanische Eigenschaften und Arzneimittelfreisetzungsverhaltens wurden vom Anmelder gesteuerteed-Stamm. Die verdichteten porösen Ti Implantate geringer Porosität mit guter Festigkeit trotz der geringen Steifigkeit vergleichbar mit der Knochen (3-20 GPa). ² Weil der Beschichtungsschicht gezeigt, wurde die Bioaktivität des verdichteten porösen Ti deutlich verbessert. Darüber hinaus kann aufgrund der einzigartigen Flachporenstrukturen durch das Verdichtungsverfahren induziert wurden die beschichteten biologisch aktiven Moleküle gesehen, allmählich vom Gerüst gelöst werden, die Aufrechterhaltung ihrer Wirksamkeit über einen längeren Zeitraum.

In dieser Studie haben wir unsere etablierten Methode, um verdichtete poröse Ti Gerüsten für die mögliche Verwendung in biomedizinischen Anwendungen herzustellen. Das Protokoll enthält dynamische Gefrierguss mit Metall Schlämmen und Verdichtung der porösen Gerüsten. Erstens, um poröse Ti Gerüsten mit guter Duktilität der dynamische gefrier Gießverfahren eingeführt wurde, wie in 1A gezeigt, herzustellen. Ti-Pulver wurde in flüssigem Camphen dispergiert sind; Dann wird durch Senken der Temperatur,die flüssige Phase verfestigt, was zur Phasentrennung zwischen dem Ti-Pulver Netzwerk und feste Camphen Kristallen. Anschließend wurde die verfestigte Ti-Camphen Grünkörper gesintert, in dem Ti-Pulver wurden mit kontinuierlicher Ti Streben kondensiert und das Camphen Phase wurde vollständig entfernt, um eine poröse Struktur zu erhalten. Die Beschichtungs- und Verdichtungsverfahren mit den erhaltenen porösen Gerüsten wurde eingesetzt, Variieren der Verdichtungsgrad und erste Porosität. Die Beschichtungsschicht und ihre Freisetzungsverhaltens wurden visualisiert und quantifiziert unter Verwendung des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) beschichteten porösen Ti mit oder ohne Verdichtung im Vergleich zu dem GFP-beschichteten dichten Ti. Schließlich wurden funktionsgradierter Ti Gerüsten, die zwei verschiedene poröse Strukturen vorgeschlagen und durch Variieren der Verdichtungsgrad der inneren und äußeren Teile der porösen Gerüsten demonstriert.

Protocol

1. Herstellung von porösen Metallgerüste Vorbereitung Ti-Camphen Schlämme durch Mischen von kommerziell erhältlichen Ti-Pulver, Camphen und KD-4 nach dem Abwiegen der geeigneten Mengen von Materialien, wie in Tabelle 1 für poröse Ti Gerüste mit vier anfänglichen Porositäten (40, 50, 60 und 70) beschrieben. Gießen der Aufschlämmungen in 500 ml-Polyethylen (PE-Flaschen) und drehen die Flaschen bei 55 ° C für 30 min in einer Kugelmühle Ofen bei 30 Umdrehungen pro Minute. …

Representative Results

Der Herstellungsprozess, um poröse Ti Gerüsten verwendet wird in 1A dargestellt. Ti-Pulver gehalten wird homogen in Camphen durch kontinuierliche Drehung des Behälters bei 44 ° C 12 h lang dispergiert und während flüssige Camphen vollständig verfestigt ist, irgendwelche Sedimente des relativ schweren Ti Pulvers minimiert werden. Als Ergebnis wurde die homogene Ti-Camphen Grünkörpers unter Verwendung des dynamischen gefrierGussVerfahren hergestellt, wie in 1B gezeigt,</s…

Discussion

Während Biometall Systeme sind weit verbreitet für biomedizinische Anwendungen verwendet, insbesondere als tragende Materialien, hohe Steifigkeit und geringe Bioaktivität von Metallen haben große Herausforderungen betrachtet. In dieser Studie haben wir die Herstellungsverfahren für eine neue Metall-System, einer verdichteten porösen Metallgerüst, das biomimetische mechanischen Eigenschaften sowie bioaktive Oberfläche mit einer nachhaltigen Freisetzungsverhalten hat. Die Hauptvorteile der Herstellungsverfahren sc…

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