जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए यंत्रवत् Tunable और bioactive धातु scaffolds के निर्माण
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
धातु biomaterials के कारण व्यापक रूप से उनके उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति और लचीलापन, 1-3 से लोड असर प्रत्यारोपण और आंतरिक निर्धारण उपकरणों के रूप में इस्तेमाल किया गया है, जबकि वे दो महत्वपूर्ण चुनौतियों से शामिल हैं: 1) यांत्रिक बेमेल धातुओं जैविक ऊतकों की तुलना में काफी कड़ी कर रहे हैं, क्योंकि अवांछनीय नुकसान के कारण अक्सर विदेशी शरीर प्रतिक्रियाओं (जैसे, सूजन या थ्रोम्बोसिस) उत्तेजक आसपास के ऊतकों और अक्सर जैविक ऊतकों के साथ गरीब इंटरफेस में यह परिणाम है कि 2) कम bioactivity, करने के लिए। 4-6 झरझरा धातु मचानों में सुधार, संरचनाओं में हड्डी अंतर्वृद्धि बढ़ावा देने के लिए प्रस्तावित किया गया है । तनाव ढाल प्रभाव की वजह से उनके कम कठोरता से दबा दिया जाता है, जबकि हड्डी प्रत्यारोपण संपर्क 7-9 इसके अलावा, विभिन्न सतह संशोधनों धातु प्रत्यारोपण के जैविक गतिविधियों को बढ़ाने के लिए लागू किया गया है; इस तरह के संशोधन कोटिंग बायोएक्टिव अणुओं (जैसे, विकास कारकों के साथ धातु की सतह शामिलtors) या दवाओं (जैसे, vancomycin, टेट्रासाइक्लिन)। 10-12 हालांकि, इस तरह झरझरा धातु मचानों की कम यांत्रिक गुणों के रूप में समस्याओं, जकड़न और बायोएक्टिव कोटिंग परतों की तेजी से रिलीज अनसुलझे रह कमी आई है। 13-16
विशेष रूप से, टाइटेनियम (तिवारी) और तिवारी मिश्र क्योंकि उनके उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों, रासायनिक स्थिरता के सबसे लोकप्रिय Biometal प्रणालियों में से एक है, और अच्छा biocompatibility हैं। 13,17-19 उनके फोम के आकार का आवेदन भी आकर्षित किया है 3 डी क्योंकि ब्याज में वृद्धि झरझरा नेटवर्क 20-22 प्रयास polymeric स्पंज की प्रतिकृति, धातु कण, रैपिड प्रोटोटाइप (आरपी) विधि के sintering सहित नई निर्माण तकनीक विकसित करके यांत्रिक गुणों में सुधार करने के लिए बनाया गया है। हड्डी की तरह यांत्रिक गुणों के अलावा हड्डी अंतर्वृद्धि बढ़ावा देने, और छिद्रों की विभिन्न सुविधाओं को नियंत्रित करने के लिए अंतरिक्ष धारक विधि (जैसे, ताकना अंश,आकृति, आकार, वितरण, और कनेक्टिविटी) और सामग्री गुण (जैसे, धातु चरण और अशुद्धता)। हाल ही में, पानी आधारित धातु घोल का फ्रीज कास्टिंग अच्छी तरह से गठबंधन ताकना साथ यंत्रवत् बढ़ाया तिवारी रूपों का उत्पादन करने के लिए काफी ध्यान प्राप्त की है 23-25 सम्पिण्डन दौरान दिशाहीन बर्फ dendrite विकास का उपयोग करके संरचनाओं; हालांकि, पानी के साथ धातु पाउडर के संपर्क के कारण ऑक्सीजन संदूषण तिवारी scaffolds के embrittlement को कम से कम करने के लिए विशेष देखभाल की आवश्यकता है। 14,15
इसलिए, हम बायोएक्टिव और यंत्रवत् ट्यून करने योग्य झरझरा तिवारी मचानों fabricating की दिशा में एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है। 25 मचानों शुरू में 50% से अधिक की एक porosity के साथ झरझरा संरचना है। गढ़े झरझरा मचानों अंतिम सरंध्रता, यांत्रिक गुणों और दवा रिहाई व्यवहार appli के द्वारा नियंत्रित किया गया, जिसके दौरान एक यांत्रिक प्रेस का उपयोग बायोएक्टिव अणुओं के साथ लेपित और फिर संकुचित थेएड तनाव। densified झरझरा तिवारी प्रत्यारोपण हड्डी (3-20 GPA)। 2 क्योंकि कोटिंग परत के के बराबर कम कठोरता के बावजूद अच्छी ताकत के साथ कम porosity से पता चला है, densified झरझरा तिवारी की bioactivity काफी सुधार हुआ है। इसके अलावा, क्योंकि densification प्रक्रिया से प्रेरित अद्वितीय फ्लैट ताकना संरचनाओं की, लेपित बायोएक्टिव अणुओं धीरे-धीरे एक लम्बी अवधि के लिए अपने प्रभाव को बनाए रखने, पाड़ से रिलीज होने के लिए देखा गया।
इस अध्ययन में, हम जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में क्षमता उपयोग के लिए densified झरझरा तिवारी मचानों निर्माण करने के लिए हमारे स्थापित विधि की शुरुआत की। प्रोटोकॉल धातु slurries और झरझरा scaffolds के densification के साथ गतिशील ठंड कास्टिंग भी शामिल है। सबसे पहले, चित्रा 1 ए में दिखाया गया है गतिशील फ्रीज कास्टिंग विधि पेश किया गया था अच्छा लचीलापन के साथ झरझरा तिवारी मचानों बनाना। तिवारी पाउडर तरल camphene में फैलाया गया था; तो, तापमान को कम करके,तरल चरण तिवारी पाउडर नेटवर्क और ठोस camphene क्रिस्टल के बीच चरण जुदाई, जिसके परिणामस्वरूप में जम गया था। इसके बाद, जम तिवारी camphene हरी शरीर जिसमें तिवारी पाउडर निरंतर तिवारी struts के साथ सघन गया धातुमल गया था, और camphene चरण पूरी तरह से एक झरझरा संरचना प्राप्त करने के लिए हटा दिया गया था। प्राप्त झरझरा scaffolds के साथ कोटिंग और densification प्रक्रिया densification और प्रारंभिक porosity की डिग्री बदलती है, नियोजित किया गया था। कोटिंग परत और अपनी रिहाई के व्यवहार कल्पना और हरी फ्लोरोसेंट प्रोटीन (GFP) GFP-लेपित घने तिवारी की तुलना के साथ और densification बिना झरझरा तिवारी लिपटे का उपयोग मात्रा थे। अंत में, दो अलग अलग झरझरा संरचना है कि कार्यात्मक वर्गीकृत तिवारी मचानों प्रस्तावित और झरझरा scaffolds के भीतरी और बाहरी हिस्सों की densification की डिग्री बदलती द्वारा प्रदर्शन किया गया।
Protocol
Representative Results
Discussion
Biometal सिस्टम व्यापक रूप से जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया है, विशेष रूप से, लोड असर सामग्री, उच्च कठोरता और धातुओं के कम bioactivity के रूप में प्रमुख चुनौतियों के रूप में माना गया है। इस अध्यय?…
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 |
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