Biyomedikal Uygulamalar için Mekanik ayarlanabilir ve Biyoaktif Metal iskelelerinin Fabrikasyon
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
Metalik biyomalzemeler yaygın nedeniyle mükemmel mekanik mukavemet ve esneklik, 1-3 yük taşıyan implantlar ve internal fiksasyon cihazları olarak kullanılmış olsa da iki kritik zorlukları içerir: 1) Mekanik uyuşmazlığı metaller biyolojik dokulara daha sert olduğu için, istenmeyen hasara yol genellikle yabancı cisim reaksiyonları (örneğin, enflamasyon veya tromboz) provoke çevre dokulara ve genellikle biyolojik dokularla yoksul bir arayüz ile sonuçlanır 2) düşük biyo-için. 4-6 Gözenekli metal iskeleleri iyileştirilmesi, yapılarda kemik büyümesini teşvik etmek için ileri sürülmüştür . Stres kalkan etkileri nedeniyle azaltılmış sertlik bastırılır ise kemik-implant temas 7-9 Dahası, çeşitli yüzey modifikasyonlar metalik implantların biyolojik aktivitelerini geliştirmek için uygulanmıştır; Bu tür modifikasyonlar, kaplamaya biyoaktif moleküllerin (örneğin, büyüme faktörleri için metal yüzeye sahiptirları) ya da ilaçlar (örn, vankomisin, tetrasiklin). 10-12 Ancak, bu tür gözenekli metal iskelelerinin azaltılmış mekanik özellikleri gibi sorunlar, sertlik ve biyoaktif kaplama tabakalarının hızlı salım hâlâ çözülememiştir azalmıştır. 13-16
Özellikle, titanyum (Ti) ve Ti alaşımları için, mükemmel mekanik özellikleri, kimyasal stabilite en popüler BIOMETAL sistemlerinden biri ve iyi biyolojik uygunluktur bulunmaktadır. 13,17-19 Bunların köpük şeklindeki uygulamalar da çeken 3D için artan bir ilgi gözenekli ağlar 20-22 çabalar polimerik sünger çoğaltma, metal parçacıklar, hızlı prototipleme (RP) yönteminin sinterleme dahil olmak üzere yeni üretim tekniklerini geliştirerek mekanik özelliklerini geliştirmek için yapılmıştır. kemik gibi mekanik özelliklerinin yanı sıra, kemik büyümesini teşvik ve gözenekler çeşitli özelliklerini kontrol etmek için uzay tutucu yöntemi (örneğin, gözenek fraksiyonu,şekil, boyut, dağıtım ve bağlantı) ve malzeme özellikleri (örneğin, metalik faz ve kirlilik). Son zamanlarda, su bazlı metal çamurunun donma döküm iyi hizalanmış gözenek ile mekanik gelişmiş Ti formlarını üretmek için büyük ilgi görmüştür 23-25 katılaşma sırasında tek yönlü buz dendrit büyümesini kullanarak yapılar; Ancak, su ile metal tozlarının temasından kaynaklanan oksijen kirlenme Ti iskelelerinin kırılganlığını en aza indirmek için özel bir bakım gerektirir. 14,15
Bu nedenle, biyolojik olarak aktif ve mekanik ayarlanabilir gözenekli Ti iskeleleri imal yönelik yeni bir yaklaşım geliştirmişlerdir. 25 iskeleleri, başlangıçta% 50'nin üzerinde bir gözenekliliğe sahip, gözenekli bir yapıya sahiptir. Imal gözenekli iskeleleri sonuçta elde edilen gözeneklilik, mekanik özellikler ve ilaç salım davranışı başvurunun ile kontrol edildi sırasında mekanik bir pres kullanılarak biyolojik olarak aktif moleküller ile kaplanır ve daha sonra sıkıştırılaned süzün. Yoğunlaştırılmış gözenekli Ti implantlar kemik (3-20 GPa). 2 için kaplama tabakasının karşılaştırılabilir düşük sertliğe rağmen, iyi bir mukavemete sahip düşük bir gözenekliliğe göstermiştir, yoğunlaştırılmış gözenekli Ti biyo-etkinliği önemli ölçüde geliştirilmiştir. Üstelik, yoğunlaştırma işlemi ile oluşturulan eşsiz düz gözenek yapıları kaplanmış biyoaktif molekülleri yavaş yavaş, uzun bir süre boyunca etkinliğini muhafaza iskele açıklanacak görülmüştür.
Bu çalışmada, biyomedikal uygulamalarda potansiyel kullanım için yoğunlaştırılmış gözenekli Ti iskeleleri imal etmek bizim kurulan yöntemi tanıttı. Protokol metal çamurları ve gözenekli iskeleleri sıklaştırılması ile dinamik donma döküm içerir. İlk olarak, Şekil 1A gösterildiği gibi dinamik donma döküm yöntemi tanıtıldı iyi süneklik ile gözenekli Ti iskeleleri imal etmek. Ti tozu, sıvı kamfen içinde dağıtılır; daha sonra, sıcaklık düşürülerekSıvı faz Ti tozu ağı ve bir katı kamfen kristalleri arasında faz ayrımı ile sonuçlanan, katılaştırıldı. Daha sonra, katılaşmış Ti-kamfen yeşil gövde içinde Ti tozlar, sürekli Ti dikmeler ile kondanse edildi sinterlenmiştir ve kamfen fazı tamamen gözenekli bir yapı elde etmek için uzaklaştırılmıştır. Elde edilen gözenekli iskeleleri ile kaplama ve yoğunlaştırma işlemi sıklaştırılması ve ilk gözeneklilik derecesi değişen kullanılmıştır. Kaplama tabakası ve serbest bırakma davranışı görüntülendi ve yeşil flüoresan proteini (GFP) GFP-kaplanmış, yoğun Ti göre ve yoğunlaştırma, gözenekli Ti -kaplı kullanılarak ölçüldü. Son olarak, iki farklı gözenekli yapılara sahiptir fonksiyonel aşamalı Ti iskeleleri önerilen ve gözenekli iskeleler iç ve dış parçaları yoğunlaştırılması derecesini değiştirmek suretiyle gösterildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
BIOMETAL sistemleri yaygın biyomedikal uygulamalar için kullanılmış olsa da, özellikle de, taşıyıcı malzemeler olarak, yüksek sertlik ve metal düşük biyo gibi büyük zorluklar olarak kabul edilmiştir. Bu çalışmada, yeni bir metal sistemi, biyomimetik mekanik özellikleri yanı sıra sürdürülebilir bırakma davranışı ile biyoaktif yüzeye sahip bir yoğunlaştırılmış gözenekli metal iskele imalat yöntemi kurdu. Bizim fabrikasyon yönteminin önemli avantajları 1) biz zaten geliştirilen ö…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by the Technology Innovation Program (Contract grant No. 0037915, WPM Biomedical Materials-Implant Materials) and Industrial Strategic Technology Development Program (Contract grant No. 10045329, Development of customized implant with porous structure for bone replacement), funded by the Ministry of Trade, industry & Energy (MI, Korea), and BK21 PLUS SNU Materials Division for Educating Creative Global Leaders (Contract grant No. 21A20131912052).
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 |
Riferimenti
- Long, M., Rack, H. Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective. Biomaterials. 19 (18), 1621-1639 (1998).
- Niinomi, M. Recent metallic materials for biomedical applications. Metall. Mater. Trans. A. 33 (3), 477-486 (2002).
- Frosch, K. H., Stürmer, K. M. Metallic biomaterials in skeletal repair. Eur. J. Trauma. 32 (2), 149-159 (2006).
- Huiskes, R., Weinans, H., Van Rietbergen, B. The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials. Clin. Orthop. Relat. Res. 274, 124-134 (1992).
- Kanayama, M., et al. In vitro biomechanical investigation of the stability and stress-shielding effect of lumbar interbody fusion devices. J. Neurosurg. Spine. 93 (2), 259-265 (2000).
- Jung, H. -. D., Kim, H. -. E., Koh, Y. -. H. Production and evaluation of porous titanium scaffolds with 3-dimensional periodic macrochannels coated with microporous TiO2. 135, 897-902 (2012).
- Jones, A. C., et al. Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT. Biomaterials. 28 (15), 2491-2504 (2007).
- Li, J. P., et al. Bone ingrowth in porous titanium implants produced by 3D fiber deposition. Biomaterials. 28 (18), 2810-2820 (2007).
- Ahn, M. -. K., Jo, I. -. H., Koh, Y. -. H., Kim, H. -. E. Production of highly porous titanium (Ti) scaffolds by vacuum-assisted foaming of titanium hydride (TiH2) suspension. Mater. Lett. 120 (1), 228-231 (2014).
- Baas, J., et al. The effect of pretreating morselized allograft bone with rhBMP-2 and/or pamidronate on the fixation of porous Ti and HA-coated implants. Biomaterials. 29 (19), 2915-2922 (2008).
- Peng, L., Bian, W. -. G., Liang, F. -. H., Xu, H. -. Z. Implanting hydroxyapatite-coated porous titanium with bone morphogenetic protein-2 and hyaluronic acid into distal femoral metaphysis of rabbits. Chin. J. Traumatol. (English Edition). 11 (3), 179-185 (2008).
- Reiner, T., Kababya, S., Gotman, I. Protein incorporation within Ti scaffold for bone ingrowth using Sol-gel SiO2 as a slow release carrier. J. Mater. Sci. – Mater. Med. 19, 583-589 (2008).
- Lee, J. H., Kim, H. E., Shin, K. H., Koh, Y. H. Improving the strength and biocompatibility of porous titanium scaffolds by creating elongated pores coated with a bioactive, nanoporous TiO2 layer. Mater. Lett. 64, 2526-2529 (2010).
- Li, J. C., Dunand, D. C. Mechanical properties of directionally freeze-cast titanium foams. Acta Mater. 59 (1), 146-158 (2011).
- Chino, Y., Dunand, D. C. Directionally freeze-cast titanium foam with aligned, elongated pores. Acta Mater. 56 (1), 105-113 (2008).
- Kim, S. W., et al. Fabrication of porous titanium scaffold with controlled porous structure and net-shape using magnesium as spacer. Mater. Sci. Eng. C. 33 (5), 2808-2815 (2013).
- Brentel, A. S., et al. Histomorphometric analysis of pure titanium implants with porous surface versus rough surface. J. Appl. Oral Sci. 14 (3), 213-218 (2006).
- Buser, D., et al. Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs. J. Biomed. Mater. Res. 25 (7), 889-902 (1991).
- Cochran, D., Schenk, R., Lussi, A., Higginbottom, F., Buser, D. Bone response to unloaded and loaded titanium implants with a sandblasted and acid-etched surface: a histometric study in the canine mandible. J. Biomed. Mater. Res. 40 (1), 1-11 (1998).
- Young, D. R., Robb, R. A., Rock, M. G., Chao, E. Y. Analysis of periprosthetic tissue formation around a porous titanium endoprosthesis using CT-based spatial reconstruction. J. Comput. Assist. Tomo. 18 (3), 461-468 (1994).
- Spoerke, E. D., et al. A bioactive titanium foam scaffold for bone repair. Acta Biomater. 1 (5), 523-533 (2005).
- Jung, H. D., et al. Highly aligned porous Ti scaffold coated with bone morphogenetic protein-loaded silica/chitosan hybrid for enhanced bone regeneration. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 102 (5), 913-921 (2013).
- Ryan, G. E., Pandit, A. S., Apatsidis, D. P. Porous titanium scaffolds fabricated using a rapid prototyping and powder metallurgy technique. Biomaterials. 29 (27), 3625-3635 (2008).
- Vasconcellos, L. M. R., et al. Porous titanium scaffolds produced by powder metallurgy for biomedical applications. Mater. Res. 11 (3), 275-280 (2008).
- Jung, H. D., Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. Fabrication of titanium scaffolds with porosity and pore size gradients by sequential freeze casting. Mater. Lett. 63 (17), 1545-1547 (2009).
- Jung, H. -. D., Jang, T. -. S., Wang, L., Kim, H. -. E., Koh, Y. -. H., Song, J. Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants. Biomaterials. 37, 49-61 (2015).
- Tarng, Y. S., Ma, S. C., Chung, L. K. Determination of optimal cutting parameters in wire electrical discharge machining. Int. J. Mach. Tools Manufact. 35 (12), 1693-1701 (1995).
- Jung, H. -. D., et al. Dynamic Freeze Casting for the Production of Porous Titanium (Ti) Scaffolds. Mater. Sci. Eng. C. 33 (1), 59-63 (2013).
- Lee, J. -. H., Kim, H. -. E., Shin, K. -. H., Koh, Y. -. H. Improving the strength and biocompatibility of porous titanium scaffolds by creating elongated pores coated with a bioactive, nanoporous TiO2. Mater. Lett. 64 (22), 2526-2529 (2010).
- Jung, H. -. D., Yook, S. -. W., Kim, H. -. E., Koh, Y. -. H. Fabrication of titanium scaffolds with porosity and pore size gradients by sequential freeze casting. Mater. Lett. 63 (17), 1545-1547 (2009).
- Yook, S. -. W., et al. Reverse freeze casting: A new method for fabricating highly porous titanium scaffolds with aligned large pores. Acta Biomater. 8 (6), 2401-2410 (2012).
- Yook, S. W., Yoon, B. H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Kim, Y. S. Porous titanium (Ti) scaffolds by freezing TiH2/camphene slurries. Mater. Lett. 62 (30), 4506-4508 (2008).
- Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. Fabrication of porous titanium scaffolds with high compressive strength using camphene-based freeze casting. Mater. Lett. 63 (17), 1502-1504 (2009).
