Fabricação de Mecanicamente Tunable e Bioativos metal andaimes para aplicações biomédicas

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

Enquanto biomateriais metálicos têm sido amplamente utilizados como implantes de apoio de carga e dispositivos de fixação interna por causa da sua excelente resistência mecânica e elasticidade, ^1-3 envolvem dois desafios importantes: 1) incompatibilidade mecânico porque os metais são muito mais rígidos do que os tecidos biológicos, causando danos indesejáveis para os tecidos circundantes e 2) baixa bioactividade que muitas vezes resulta em fraca relação com os tecidos biológicos, muitas vezes provocam reacções de corpos estranhos (por exemplo, inflamação ou trombose). ^4-6 andaimes metálicos porosos têm sido propostos para promover o crescimento ósseo nas estruturas, melhorando . contacto osso-implante, enquanto os efeitos de stress de blindagem são suprimidos por causa da sua rigidez reduzida ^7-9 Além disso, várias modificações da superfície ter sido aplicada para melhorar as actividades biológicas dos implantes metálicos; tais modificações incluem revestimento de superfície do metal com moléculas bioactivas (por exemplo, crescimento FACres) ou fármacos (por exemplo, vancomicina, tetraciclina) ^10-12. No entanto, os problemas, tais como reduzidas propriedades mecânicas de andaimes de metal porosos, diminuição da rigidez e a libertação rápida das camadas de revestimento bioactivos continuam por resolver ^13-16.

Em particular, titânio (Ti) e Ti ligas são um dos sistemas Biometal mais populares por causa de suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade química, e boa biocompatibilidade. ^13,17-19 Suas aplicações em forma de espuma, também têm atraído crescente interesse porque o 3D redes porosas promover crescimento ósseo, além das propriedades mecânicas do osso semelhantes. ^20-22 Foram feitos esforços para melhorar as propriedades mecânicas através do desenvolvimento de novas técnicas de fabrico, incluindo a replicação de esponja polimérica, a sinterização de partículas de metal, de prototipagem rápida método (RP), e espaço método de suporte, a fim de controlar as várias características de poros (por exemplo, fracção de poros,forma, tamanho, distribuição e conectividade) e propriedades do material (por exemplo, fase metálica e de impurezas). ^23-25 ​​Recentemente, a fundição congelamento de lodo em metal à base de água tem ganhado considerável atenção para produzir aprimorados mecanicamente formas Ti com poros bem alinhados estruturas, utilizando o unidireccional crescimento dendrítico gelo durante a solidificação; no entanto, a contaminação de oxigênio causada pelo contato de pós metálicos com água requer cuidados especiais para minimizar a fragilização de andaimes Ti. ^14,15

Por isso, desenvolvemos uma nova abordagem para a fabricação de scaffolds bioativos Ti porosos e ajustáveis ​​mecanicamente. ²⁵ Os andaimes inicialmente têm estruturas porosas com uma porosidade de mais de 50%. As matrizes porosas fabricadas foram revestidas com moléculas bioactivas e depois comprimida utilizando uma prensa mecânica durante os quais a porosidade final, as propriedades mecânicas e comportamento de libertação do fármaco foi controlada pela aplied tensão. Os implantes porosos densificadas Ti demonstraram baixa porosidade com boa resistência, apesar da baixa rigidez comparável à do osso (3-20 GPa). ² Por causa da camada de revestimento, a bioactividade do densificada Ti poroso foi significativamente melhorada. Além disso, por causa das estruturas de poros planas originais induzidas pelo processo de densificação, as moléculas bioactivas revestidos foram vistos a ser gradualmente libertado a partir do andaime, mantendo a sua eficácia durante um período prolongado.

Neste estudo, nós introduzimos nosso método estabelecido para fabricar densificadas andaimes Ti porosas para uso potencial em aplicações biomédicas. O protocolo inclui fundição congelamento dinâmica com lamas e densificação de scaffolds porosos metálicos. Em primeiro lugar, para o fabrico de andaimes Ti porosas com boa ductilidade do método de fundição de congelação dinâmica foi introduzido como mostrado na Figura 1A. Ti em pó foi disperso em canfeno líquido; em seguida, pela diminuição da temperatura,a fase líquida foi solidificada, resultando na separação de fase entre a rede de Ti em pó e cristais sólidos canfeno. Subsequentemente, o corpo verde solidificou Ti-canfeno foi sinterizado no qual pós de Ti foram condensados ​​com escoras contínuas Ti, e a fase de canfeno foi completamente removido para se obter uma estrutura porosa. O revestimento e processo de densificação com as matrizes porosas obtidas foi utilizado, variando o grau de densificação e porosidade inicial. A camada de revestimento e o seu comportamento de libertação foram visualizadas e quantificadas utilizando a proteína fluorescente verde (GFP) -Revestido poroso Ti com e sem densificação em comparação com a GFP denso revestido-Ti. Finalmente, andaimes Ti gradação funcional que têm duas estruturas porosas diferentes foram propostos e demonstrados através da variação do grau de densificação das partes internas e externas das matrizes porosas.

Protocol

1. A fabricação de andaimes metálicos porosos Prepare lamas Ti-canfeno por mistura em pó disponíveis comercialmente Ti, canfeno, e KD-4 depois de pesar as quantidades apropriadas de materiais como descrito na Tabela 1 para andaimes Ti porosos com porosidades quatro iniciais (40, 50, 60 e 70). Pour as suspensões em 500 ml de polietileno (PE) e rodar garrafas os frascos a 55 ° C durante 30 min num forno em moinho de bolas a 30 rpm. Pour as lamas provenientes dos frascos de PE e…

Representative Results

O processo de fabrico usado para produzir suportes porosos Ti é ilustrado na Figura 1A. Ti é mantido em pó disperso homogeneamente em canfeno pela rotação contínua do recipiente a 44 ° C durante 12 h e, ao mesmo tempo canfeno líquido é totalmente solidificados, quaisquer sedimentos de pó Ti relativamente pesado pode ser minimizada. Como um resultado, o corpo verde homogénea Ti-canfeno foi produzido utilizando o processo de fundição de congelação dinâmica, como mostrado n…

Discussion

Embora os sistemas de Biometal têm sido amplamente utilizado para aplicações biomédicas, em particular, como materiais de suporte de carga, elevada rigidez e baixa bioactividade de metais têm sido consideradas como principais desafios. Neste estudo, foi estabelecido o método de fabricação de um novo sistema de metal, um andaime de metal poroso densificada que tem propriedades mecânicas, bem como biomiméticos superfície bioactiva com comportamento de libertação sustentável. As principais vantagens do nosso …

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