Fabrikasjon av mekanisk Tunable og Bioaktive Metal Stillas for Biomedical Applications

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 har blitt mye brukt som bærende implantater og interne fikseringsanordninger på grunn av deres utmerket mekanisk styrke og elastisitet, ^1-3 involvere de to kritiske utfordringer: 1) mekanisk mismatch fordi metallene er mye stivere enn biologiske vev, forårsaker uønskede skader til de omkringliggende vev og 2) lav bioaktivitet som ofte resulterer i dårlig grensesnitt med biologisk vev, ofte vekkfremmedlegemereaksjoner (for eksempel, betennelse eller trombose). ^4-6 Porøse metalliske stillas er blitt foreslått for å fremme beninnvekst i strukturene, bedre . bone-implantat kontakt mens de stresset skjold effekter undertrykkes på grunn av deres redusert stivhet ^7-9 Også ulike overflate modifikasjoner blitt brukt for å forbedre de biologiske aktiviteter av metalliske implantater; slike modifikasjoner inkluderer belegg metalloverflaten med bioaktive molekyler (f.eks vekst factors) eller legemidler (f.eks, vancomycin, tetracyklin). ^10-12 imidlertid problemer som reduserte mekaniske egenskapene til porøse metall stillaser, redusert stivhet og rask frigjøring av bioaktive belegningslag forbli uløst. ^13-16

Spesielt, titan (Ti) og Ti-legeringer er en av de mest populære Biometall systemer på grunn av sine gode mekaniske egenskaper, kjemisk stabilitet, og god biokompatibilitet. ^13,17-19 deres skumformet applikasjoner har også tiltrukket seg økende interesse fordi 3D porøse nettverk fremme beninnvekst i tillegg til beinlignende mekaniske egenskaper. ^20-22 Arbeidet har vært gjort for å forbedre de mekaniske egenskapene ved å utvikle nye produksjonsteknikker som replikering av polymer svamp, sintring av metallpartikler, rapid prototyping (RP) metode, og plass holder metode for å kontrollere de forskjellige funksjoner i porene (f.eks pore fraksjon,form, størrelse, distribusjon, og tilkoblings) og materialegenskaper (f.eks metallic fase og urenhet). ^23-25 ​​Nylig fryse støping av vannbasert metall slurry har fått betydelig oppmerksomhet til å produsere mekanisk forbedrede Ti skjemaer med godt justert pore strukturer ved å utnytte den ensrettede isen Dendritt vekst under størkning; Men oksygen forurensning forårsaket av kontakt av metallpulver med vann krever spesiell omsorg for å redusere sprøhet av Ti stillaser. ^14,15

Derfor har vi utviklet en ny tilnærming mot fabrikere bioaktive og mekanisk tunbare porøse Ti stillaser. ²⁵ stillasene i utgangspunktet har porøse strukturer med en porøsitet på mer enn 50%. De fabrikkerte porøse stillasene ble belagt med bioaktive molekyler og deretter komprimert med en mekanisk trykk der den endelige porøsitet, mekaniske egenskaper og legemiddeldosering atferd ble kontrollert av apparaed belastning. De densifiserte porøse ti- implantater har vist lav porøsitet med god styrke til tross for lav stivhet sammenlignes med ben (3-20 GPa). ^2. På grunn av belegglaget ble bioaktiviteten av det densifiserte porøse Ti betydelig forbedret. Videre, på grunn av de unike flate porestrukturer indusert av fortetningsprosessen ble de belagte bioaktive molekyler sett å bli gradvis frigitt fra stillaset, opprettholde sin effektivitet over en lengre periode.

I denne studien har vi introdusert vår etablert metode for å dikte densifiserte porøse Ti stillaser for potensiell bruk i biomedisinske applikasjoner. Protokollen inkluderer dynamisk frysing casting med metall slurrier og fortetting av porøse stillaser. Først, for å fremstille porøse Ti stillas med god duktilitet den dynamiske frysestøpemetoden ble innført som vist i figur 1A. Ti-pulver ble dispergert i flytende kamfen; deretter, ved å redusere temperaturen,væskefasen ble gjort fast, noe som resulterer i faseseparasjon mellom Ti-pulver nettverket og faste kamfen krystaller. Deretter ble størknet Ti-kamfen grønne legemet sintres hvori Ti-pulver ble kondensert med kontinuerlig Ti struts, og kamfen fase ble fullstendig fjernet for å oppnå en porøs struktur. Belegget og fortetting prosess med de oppnådde porøse stillasene ble anvendt, variere graden av fortetting og initial porøsitet. Dekkbelegget og dets frigjøring oppførsel ble visualisert og kvantifisert ved hjelp av grønt fluorescerende protein (GFP) -belagt porøs Ti med og uten fortetning sammenlignet med GFP-belagte tett Ti. Til slutt ble funksjonelt gradert Ti stillaser som har to forskjellige porøse strukturene foreslått og demonstrert ved å variere graden av fortetting av de indre og ytre deler av de porøse stillaser.

Protocol

1. Fabrikasjon av porøse metallStillas Forbered Ti-kamfen oppslemninger ved å blande kommersielt tilgjengelig Ti-pulver, kamfen, og KD-4 etter veiing i passende mengder av materialer som beskrevet i tabell 1 for porøse Ti stillas med fire innledende porøsiteter (40, 50, 60, og 70). Hell oppslemminger i 500 ml polyetylen (PE) flasker og rotere flaskene ved 55 ° C i 30 minutter i en kulemølle ovn ved 30 rpm. Hell oppslemmingene fra PE-flaskene inn i sylindriske …

Representative Results

Fremstillingsprosessen som brukes til å fremstille porøse Ti stillas er illustrert i figur 1A. Ti pulveret holdes homogent dispergert i kamfen ved kontinuerlig rotasjon av beholderen ved 44 ° C i 12 timer og, mens flytende kamfen er fullstendig størknet, kan eventuelle sedimenter med forholdsvis tung Ti pulver reduseres til et minimum. Som et resultat ble den homogene Ti-kamfen grønne legemet produsert ved hjelp av den dynamiske fryse støpeprosessen som vist i figur 1 B, h…

Discussion

Mens Biometall systemer har vært mye brukt for biomedisinske anvendelser, spesielt, som bærende materialer av høy stivhet og lav bioaktivitet av metaller har vært ansett som store utfordringer. I denne studien har vi etablert fabrikasjon metoden for en ny metall-system, en fortettet porøst metall stillas som har biomimetic mekaniske egenskaper samt bioaktive overflate med bærekraftig utgivelsen oppførsel. De store fordelene ved vår fremstillingsmetode omfatter 1) ingen endring i det foregående dynamisk frysest?…

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