המצאה של מכאני מתכוונן ויו מתכת פיגומים עבור יישומים ביו
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
בעוד בביו-חומרים מתכתיים היה בשימוש נרחב כשתלי עומס נושאות והתקני קיבוע פנימיים בגלל כוחם המעולה המכני והעמידות, 1-3 הם כרוכים שני אתגרים קריטיים: 1) חוסר התאמה מכאנית כי מתכות הן הרבה יותר נוקשה מאשר רקמות ביולוגיות, גרימת נזקים בלתי רצויים לרקמות הסובבות ו- 2) הפעילות הביולוגית נמוכה שלעתים קרובות תוצאות ממשק עני עם רקמות ביולוגיות, לעתים קרובות עוררו תגובות גוף זר (למשל, דלקת או פקקת). 4-6 פיגומי מתכת נקבוביים הוצעו לקדם ingrowth עצם במבנים, שיפור . קשר עצם שתל תוך השפעות מגן מתח מדוכאות בגלל הקשיחות מופחתת שלהם 7-9 יתר על כן, שינויי משטח שונים יושמו כדי לשפר את הפעילות הביולוגית של שתלים מתכתיים; שינויים כאלה כוללים ציפוי משטח המתכת עם מולקולות ביו (למשל, FAC הצמיחהtors) או תרופות (למשל, vancomycin, טטרציקלין). 10-12 עם זאת, בעיות כגון תכונות מכאניות מופחתות של פיגומי מתכת נקבוביים, ירידה בנוקשות והשחרור המהיר של שכבות הציפוי ביו נותרו לא פתורות. 13-16
סגסוגות בפרט, טיטניום (TI) וטי הן אחת ממערכות biometal הפופולריות ביותר בגלל תכונותיהם מכאניות מעולות, היציבות כימית, והתאמה ביולוגית טובה. 13,17-19 גם היישומים בצורת קצפם משכו עניין גוברת מפני 3D רשתות נקבוביות לקדם ingrowth עצם בנוסף לתכונות מכאניות כמו עצם. 20-22 נעשו מאמצים כדי לשפר את התכונות מכאניות על ידי פיתוח שיטות ייצור חדשים, כוללים שכפול של ספוג פולימרים, sintering של חלקיקי מתכת, אב טיפוס ודגמי שיטה (RP), ו שיטת בעל שטח על מנת לשלוט בתכונות השונות של הנקבוביות (למשל, חלק נקבובית,צורה, גודל, הפצה, וקישוריות) וחומר נכסים (למשל, שלב וטומאה מתכתיים). 23-25 לאחרונה, ליהוק ההקפאה של תרחיף מתכת על בסיס מים זכו לתשומת לב רבה כדי לייצר צורות Ti משופרות מכאני עם נקבוביות מיושרות היטב מבנים על ידי ניצול צמיחת דנדריט קרח חד כיווני במהלך התמצקות; עם זאת, זיהום חמצן נגרמים על ידי מגע של אבקות מתכת עם מים דורש טיפול מיוחד כדי למזער embrittlement של פיגומי Ti. 14,15
לכן, פיתחנו גישה חדשה לבודת פיגומי Ti נקבוביים ביו ומכאני מתכונן. תחילה יש 25 הפיגומים מבנים נקבוביים עם נקבוביות של יותר מ -50%. הפיגומים נקבוביים המפוברק היו מצופים במולקולות ביו ולאחר מכן דחוס באמצעות עיתונות מכאנית שבמהלכו הנקבוביות הסופי, תכונות מכאניות ושחרור תרופת התנהגות היו בשליטת appliזן ed. שתלי Ti נקבוביים densified הראו נקבוביות נמוך עם כוח טוב למרות הקשיחות הנמוכה דומה לזה של עצם (3-20 GPA). 2 בגלל שכבת הציפוי, הפעילות הביולוגית של Ti הנקבובי densified השתפרה באופן משמעותי. יתר על כן, בגלל המבנים הנקבוביות שטוחים הייחודיים הנגרמים על ידי תהליך הציפוף, המולקולות ביו המצופה נראו להשתחרר בהדרגה מהפיגום, שמירה על יעילותם לתקופה ממושכת.
במחקר זה, הצגנו שיטה הוקמה לפברק פיגומי Ti נקבוביים densified לשימוש פוטנציאלי ביישומים ביו-רפואיים. הפרוטוקול כולל ליהוק הקפאה דינמי עם slurries מתכת וציפוף של פיגומים נקבוביים. ראשית, לפברק פיגומי Ti נקבוביים עם משיכות טובות שיטת יציקת הקפאה הדינמית הוצגה כפי שמוצגת באיור 1 א. אבקת Ti פוזרה בcamphene הנוזלי; לאחר מכן, על ידי הפחתת הטמפרטורה,השלב הנוזלי היה הקרושה, וכתוצאה מכך ההפרדה בין שלב רשת אבקת טי וגבישי camphene מוצקים. בהמשך לכך, הגוף הירוק טי-camphene התגבש היה sintered בי אבקות Ti היו מרוכזים עם תמוכות Ti רציפות, ושלב camphene הוסר לחלוטין כדי להשיג מבנה נקבובי. הציפוי ותהליך הציפוף עם הפיגומים נקבוביים הושגו הועסקו, משתנים מידת הציפוף ונקבובי ראשוניים. שכבת הציפוי ו התנהגות השחרור היו דמיינו ולכמת באמצעות החלבון פלואורסצנטי הירוק (GFP) -coated Ti הנקבובי עם ובלי ציפוף לעומת Ti הצפוף מצופה GFP. לבסוף, פיגומי Ti מדורגים פונקציונלי שיש שני מבנים נקבוביים שונים הוצעו והפגינו על ידי שינוי מידת הציפוף של החלקים הפנימיים וחיצוניים של הפיגומים נקבוביים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעוד מערכות biometal היו בשימוש נרחב עבור יישומים ביו-רפואיים, במיוחד, כחומרי נושאות עומס, קשיחות גבוהה ופעילות ביולוגית נמוכה של מתכות כבר נחשב לאתגרים גדולים. במחקר זה, הקמנו את שיטת הייצור של מערכת מתכת חדשה, פיגום מתכת נקבובי densified שבו יש תכונות מכאניות biomimetic כמו גם מש…
Disclosures
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 |
References
- 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).
