Fabrikation af mekanisk Tunable og bioaktive Metal Stilladser til biomedicinske anvendelser

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

Mens metalliske biomaterialer er ofte blevet brugt som bærende implantater og interne fikseringsanordninger på grund af deres fremragende mekanisk styrke og modstandskraft, ^1-3 de involverer to kritiske udfordringer: 1) mekanisk misforhold, fordi metaller er meget stivere end biologiske væv, der forårsager uønskede skader til de omgivende væv og 2) lav bioaktivitet, der ofte resulterer i dårlig grænseflade med biologiske væv, ofte fremprovokerer fremmedlegeme reaktioner (f.eks, inflammation eller trombose). ^4-6 porøse, metalliske stilladser er blevet foreslået at fremme knogleindvækst i de strukturer, forbedre . knogle-implantat kontakt, mens de stress skjold effekter undertrykkes på grund af deres reducerede stivhed ^7-9 Desuden har forskellige overflademodifikationer blevet påført forbedre de biologiske aktiviteter af metalliske implantater; sådanne modifikationer indbefatter coating metaloverfladen med bioaktive molekyler (f.eks væksten factorer) eller lægemidler (fx vancomycin, tetracyclin). ^10-12, problemer såsom reducerede mekaniske egenskaber af porøse metal stilladser, faldt imidlertid stivhed og hurtig frigivelse af de bioaktive coatingslag uløste. ^13-16

Især titan (Ti) og Ti legeringer er en af de mest populære biometal systemer på grund af deres fremragende mekaniske egenskaber, kemisk stabilitet og god biokompatibilitet. ^13,17-19 Deres skum-formede ansøgninger har også tiltrukket stigende interesse, fordi 3D porøse netværk fremmer knogleindvækst foruden knogle-lignende mekaniske egenskaber. Der er foretaget ^20-22 indsats for at forbedre de mekaniske egenskaber ved at udvikle nye produktionsteknikker, herunder replikering af polymer svamp, sintring af metalpartikler, rapid prototyping (RP) metoden, og plads holder fremgangsmåde med henblik på at styre de forskellige funktioner i porerne (f.eks pore fraktion,form, størrelse, distributions- og tilslutningsmuligheder), og materialeegenskaber (fx metallisk fase og urenheder). ^23-25 ​​For nylig har fryse støbning af vandbaseret metal gylle opnået betydelig opmærksomhed til at producere mekanisk forbedrede Ti formularer med godt afstemt pore strukturer ved at udnytte den ensrettede is dendritceller vækst under størkning; dog oxygen forurening forårsaget af kontakt af metalpulvere med vand kræver særlig omhu for at minimere skørhed af Ti stilladser. ^14,15

Derfor har vi udviklet en ny tilgang til opdigte bioaktive og mekanisk afstemmelige porøse Ti stilladser. ^{25 De} stilladser oprindeligt har porøse strukturer med en porøsitet på mere end 50%. De fabrikerede porøse stilladser blev overtrukket med bioaktive molekyler og derefter komprimeret ved anvendelse af en mekanisk presse, i hvilken den endelige porøsitet, blev mekaniske egenskaber og lægemiddelfrigivelse adfærd styres af ansøged stamme. De komprimerede porøse Ti implantater har vist lav porøsitet med god styrke på trods af den lave stivhed sammenlignelig med knogle (3-20 GPa). ² På grund af coatinglaget, blev bioaktiviteten af det fortættede porøse Ti væsentligt forbedret. Desuden, på grund af de unikke flade porestrukturer induceret af fortætning proces blev de overtrukne bioaktive molekyler ses at være gradvist frigivet fra stilladset, bevarer deres virkning i en længere periode.

I denne undersøgelse, vi introducerede vores etablerede metode til at fabrikere fortættede porøse Ti stillads til potentiel anvendelse i biomedicinske anvendelser. Protokollen omfatter støbning dynamisk frysning med metal opslæmninger og fortætning af porøse stilladser. For det første at fremstille porøse Ti stilladser med god duktilitet blev indført den dynamiske fryse støbemetode som vist i figur 1A. Ti pulver blev dispergeret i flydende camphen; derefter, ved at sænke temperaturen,væskefasen blev størknet, hvilket resulterer i faseadskillelse mellem Ti pulver netværk og faste camphen krystaller. Efterfølgende blev det størknede Ti-camphen grønne legeme sintres hvor Ti pulvere blev kondenseret med kontinuerlige Ti stivere, og camphen fase blev fuldstændigt fjernet for at opnå en porøs struktur. Belægningen og fortætning processen med de opnåede porøse stilladser blev anvendt, varierer graden af ​​fortætning og indledende porøsitet. Overtrækslaget og dets frigivelse adfærd blev visualiseret og kvantificeret under anvendelse af grønt fluorescerende protein (GFP) -belagt porøse Ti med og uden densifikation sammenlignet med GFP-coatede tætte Ti. Endelig blev Funktionelt sorterede Ti stilladser, der har to forskellige porøse strukturer foreslået og demonstreret ved at variere graden af ​​fortætning af de indre og ydre dele af de porøse stilladser.

Protocol

1. Fremstilling af porøst metal Stilladser Forbered Ti-camphen opslæmninger ved at blande kommercielt tilgængeligt Ti pulver, camphen og KD-4 efter vejning af passende mængder af materialer som beskrevet i tabel 1 til porøse Ti stilladser med fire oprindelige porøsiteter (40, 50, 60 og 70). Hæld opslæmningerne i 500 ml polyethylen (PE) flasker og rotere flaskerne ved 55 ° C i 30 minutter i en kuglemølle ovn ved 30 rpm. Hæld opslæmningerne fra PE-flasker …

Representative Results

Produktionsprocessen anvendes til fremstilling af porøse stilladser Ti er illustreret i figur 1A. Ti pulveret holdes dispergeret homogent i camphen ved kontinuerlig rotation af beholderen ved 44 ° C i 12 timer og, medens flydende camphen er fuldt størknet, kan eventuelle aflejringer af relativt tunge Ti pulver minimeres. Som følge heraf blev den homogene Ti-camphen grønt legeme fremstillet ved anvendelse af dynamiske fryse støbeprocessen som vist i figur 1…

Discussion

Mens biometal systemer er ofte blevet brugt til biomedicinske anvendelser, især som bærende materialer af høj stivhed og lav bioaktivitet af metaller er blevet betragtet som store udfordringer. I denne undersøgelse har vi etableret fremstillingsmetode af et nyt metal, et fortættet porøst metal stillads, som har biomimetiske mekaniske egenskaber samt bioaktive overflade med bæredygtig adfærd frigivelse. De store fordele ved vores fremstillingsmetode omfatter 1) ingen ændring i det foregående dynamiske frysning …

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