Fabrication de mécanique accordable et bioactifs Métal échafaudages pour des applications biomédicales

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

Alors que biomatériaux métalliques ont été largement utilisés comme implants porteurs et dispositifs de fixation interne en raison de leur excellente résistance mécanique et de la résilience, ^1-3 ils impliquent deux défis essentiels: 1) inadéquation mécanique parce que les métaux sont beaucoup plus rigides que les tissus biologiques, causant des dommages indésirables aux tissus environnants et 2) à faible bioactivité qui aboutit souvent à une mauvaise interface avec les tissus biologiques, provoquant souvent des réactions de corps étranger (par exemple, une inflammation ou thrombose). ^4-6 échafaudages métalliques poreux ont été proposées pour favoriser la croissance osseuse dans les structures, l'amélioration . contact os-implant tandis que les effets du stress de blindage sont supprimées en raison de leur rigidité réduite ^7-9 En outre, diverses modifications de surface ont été appliquées pour améliorer les activités biologiques des implants métalliques; de telles modifications comprennent le revêtement de la surface métallique avec des molécules bioactives (par exemple, croissance de facteurs) ou des médicaments (par exemple, la vancomycine, la tétracycline). ^10-12 Cependant, des problèmes tels que les propriétés mécaniques réduites des échafaudages métalliques poreux, ont diminué la rigidité et la libération rapide des couches de revêtement bioactif restent en suspens. ^13-16

En particulier, le titane (Ti) et Ti alliages sont l'un des systèmes les plus populaires biométaux raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, la stabilité chimique et une bonne biocompatibilité. ^13,17-19 Leurs applications en forme de mousse ont également attiré l'intérêt croissant parce que la 3D réseaux poreux promouvoir la croissance osseuse en plus des propriétés mécaniques des os ressemblant. ^20-22 efforts ont été faits pour améliorer les propriétés mécaniques en développant de nouvelles techniques de fabrication, y compris la réplication de l'éponge polymère, le frittage des particules métalliques, prototypage rapide méthode (RP), et Procédé espace de maintien afin de commander les différentes caractéristiques des pores (par exemple, la fraction de pores,forme, la taille, la distribution, et de connectivité) et les propriétés des matériaux (par exemple, la phase métallique et impuretés). ^23-25 ​​Récemment, la coulée de gel de la suspension métallique à base d'eau a gagné une attention considérable pour produire mécaniquement améliorés formes Ti avec pores bien aligné structures en utilisant la croissance de dendrites de glace lors de la solidification unidirectionnelle; Cependant, la contamination de l'oxygène causée par le contact de poudres métalliques avec de l'eau nécessite des soins particuliers afin de minimiser la fragilisation des échafaudages Ti ^14,15.

Par conséquent, nous avons développé une nouvelle approche de la fabrication des échafaudages Ti poreuses bioactifs et mécaniquement accordables. ²⁵ Les échafaudages ont initialement structures poreuses avec une porosité de plus de 50%. Les supports poreux fabriqués ont été revêtues avec des molécules bioactives et ensuite compressés en utilisant une presse mécanique au cours de laquelle la porosité finale, les propriétés mécaniques et le comportement de libération de médicament ont été contrôlés par l'applisouche éd. Les implants Ti poreuses densifiées ont montré une faible porosité avec une bonne résistance malgré la faible rigidité comparable à celle de l'os (3-20 GPa). ² En raison de la couche de revêtement, la bioactivité de la poreuse densifiée Ti a été significativement améliorée. En outre, en raison des structures uniques de pores plates induites par le processus de densification, les molécules bioactives revêtus ont été vus pour être progressivement libéré à partir de l'échafaudage, en conservant leur efficacité pendant une période prolongée.

Dans cette étude, nous avons présenté notre méthode établie pour fabriquer des échafaudages Ti poreuses densifiées pour utilisation potentielle dans des applications biomédicales. Le protocole comprend la coulée de congélation dynamique avec des boues de métaux et la densification des supports poreux. Tout d'abord, pour fabriquer des échafaudages Ti poreuses avec une bonne ductilité du procédé de congélation de coulée dynamique a été présenté comme le montre la figure 1A. Poudre de Ti a été dispersé dans camphène liquide; ensuite, en diminuant la température,la phase liquide est solidifié, ce qui entraîne la séparation de phase entre le réseau de poudre de Ti et de camphène cristaux solides. Par la suite, le corps vert solidifié Ti-camphène a été frittée dans laquelle les poudres de Ti ont été condensés avec des entretoises continues Ti, et la phase de camphène a été complètement éliminé pour obtenir une structure poreuse. Le revêtement et le processus de densification avec les supports poreux obtenus ont été utilisés, en faisant varier le degré de densification et de la porosité initiale. La couche de revêtement et de son comportement de libération ont été visualisés et quantifiés en utilisant la protéine fluorescente verte (GFP) doté d'un revêtement poreux Ti avec et sans densification par rapport à la GFP-Ti revêtu dense. Enfin, les échafaudages Ti fonctionnellement gradués qui ont deux structures poreuses différentes ont été proposées et mises en évidence par la variation de degré de densification des parties interne et externe de l'échafaudage poreux.

Protocol

1. Fabrication de métal poreux échafaudages Préparer boues Ti-camphène par mélange disponible dans le commerce poudre de Ti, camphène, et KD-4 après avoir pesé les quantités appropriées de matériaux tel que décrit dans le tableau 1 pour les échafaudages Ti poreuses avec quatre porosités initiales (40, 50, 60, et 70). Pour les suspensions dans 500 ml de polyéthylène (PE) et faire pivoter les bouteilles des bouteilles à 55 ° C pendant 30 min dans un four broye…

Representative Results

Le procédé de fabrication utilisé pour produire des échafaudages Ti poreux est illustré sur la Figure 1A. Poudre de Ti est maintenu dispersé de façon homogène dans camphène par rotation continue du récipient à 44 ° C pendant 12 heures et, tout en camphène liquide est complètement solidifié, des sédiments de poudre de Ti relativement lourde peuvent être minimisés. En conséquence, le corps vert homogène Ti-camphène a été produit en utilisant le procédé dynamique gel de coulée com…

Discussion

Alors que les systèmes biométaux ont été largement utilisés pour des applications biomédicales, en particulier, en tant que matériaux porteurs, une rigidité élevée et une faible bioactivité des métaux ont été considérées comme des défis majeurs. Dans cette étude, nous avons établi la méthode de fabrication d'un nouveau système de métal, un échafaudage métallique poreuse densifiée qui a des propriétés mécaniques biomimétiques ainsi que surface bioactive avec le comportement de libération…

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