Fabricación de Mecánicamente sintonizable y Bioactivos metal andamios para Aplicaciones 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

Mientras biomateriales metálicos han sido ampliamente utilizados como implantes de soporte de carga y dispositivos de fijación interna, debido a su excelente resistencia mecánica y resistencia ^a 1-3 que involucran a dos retos críticos: 1) desajuste mecánico porque los metales son mucho más rígidos que los tejidos biológicos, causando daños indeseables a los tejidos circundantes y 2) baja bioactividad que a menudo resulta en pobres interfaz con los tejidos biológicos, a menudo provocan reacciones a cuerpos extraños (por ejemplo, inflamación o trombosis). Se han propuesto ^4-6 andamios metálicos porosos para promover el crecimiento óseo en las estructuras, mejorando . contacto hueso-implante mientras que los efectos de escudo de estrés son suprimidos debido a su rigidez reducida ^7-9 Además, diversas modificaciones de la superficie se han aplicado para mejorar las actividades biológicas de los implantes metálicos; tales modificaciones incluyen recubrimiento de la superficie metálica con moléculas bioactivas (por ejemplo, fac crecimientores) o drogas (por ejemplo, vancomicina, tetraciclina) ^10-12. Sin embargo, los problemas tales como propiedades mecánicas reducidas de andamios metálicos porosos, disminución de la rigidez y la liberación rápida de las capas de recubrimiento bioactivo siguen sin resolverse. ^{13-16 de}

En particular, el titanio (Ti) y Ti aleaciones son uno de los sistemas Biometal más populares debido a sus excelentes propiedades mecánicas, estabilidad química, y buena biocompatibilidad. ^13,17-19 Sus aplicaciones en forma de espuma también han atraído un interés creciente debido a que el 3D redes porosas promueven el crecimiento óseo, además de propiedades mecánicas similares al hueso. Se han hecho esfuerzos para mejorar ^20-22 las propiedades mecánicas mediante el desarrollo de nuevas técnicas de fabricación, incluyendo la replicación de la esponja polimérica, sinterización de partículas de metal, método de creación rápida de prototipos (RP), y espacio método de soporte con el fin de controlar las diversas características de los poros (por ejemplo, la fracción de poros,forma, tamaño, distribución y conectividad) y de las propiedades del material (por ejemplo, la fase metálica y de impurezas). ^23-25 ​​Recientemente, el casting congelación de suspensión metálica a base de agua se ha ganado una considerable atención para producir formas Ti mejoradas mecánicamente con poros bien alineada estructuras utilizando el crecimiento de dendritas de hielo durante la solidificación unidireccional; sin embargo, la contaminación de oxígeno causada por el contacto de polvos metálicos con agua requiere un cuidado especial para minimizar la fragilización de los andamios Ti ^14,15.

Por lo tanto, hemos desarrollado un nuevo enfoque hacia la fabricación de andamios porosos Ti bioactivos y mecánicamente sintonizables. ²⁵ Los andamios inicialmente tienen estructuras porosas con una porosidad de más de 50%. Los andamios porosos fabricados fueron recubiertas con moléculas bioactivas y luego comprimidos usando una prensa mecánica durante el cual la porosidad final, las propiedades mecánicas y el comportamiento de liberación del fármaco se controla mediante la aplicepa ed. Los implantes densificadas Ti porosos han mostrado baja porosidad con una buena resistencia a pesar de la baja rigidez comparable a la del hueso (desde 3 hasta 20 GPa). ² Debido a la capa de recubrimiento, la bioactividad de la densificado porosa Ti mejoró significativamente. Por otra parte, debido a las estructuras de poros planas únicas inducidas por el proceso de densificación, se observaron las moléculas bioactivas revestidos para ser lanzado gradualmente desde el andamio, manteniendo su eficacia durante un período prolongado.

En este estudio, hemos introducido nuestro método establecido para fabricar andamios densificadas Ti porosas para uso potencial en aplicaciones biomédicas. El protocolo incluye la fundición de congelación dinámica con lechadas de metal y densificación de andamios porosos. En primer lugar, para fabricar andamios porosos Ti con buena ductilidad se introdujo el método de colada de congelación dinámica como se muestra en la Figura 1A. Polvo de Ti se dispersó en canfeno líquido; entonces, por la disminución de la temperatura,la fase líquida se solidificó, dando como resultado la separación de fases entre la red de polvo de Ti y canfeno cristales sólidos. Posteriormente, el cuerpo verde solidificado Ti-canfeno se sinterizó en el que polvos de Ti se condensaron con puntales continuos Ti, y la fase canfeno se eliminó completamente para obtener una estructura porosa. Se empleó el revestimiento y proceso de densificación con los andamios porosos obtenidos, variando el grado de densificación y la porosidad inicial. La capa de recubrimiento y su comportamiento de liberación se visualizaron y cuantificaron utilizando la proteína fluorescente verde (GFP) presenta el revestimiento poroso Ti con y sin densificación en comparación con la GFP-revestido densa Ti. Por último, se propusieron y demostraron mediante la variación del grado de densificación de las partes interior y exterior de los andamios porosos andamios Ti funcionalmente graduadas que tienen dos diferentes estructuras porosas.

Protocol

1. La fabricación de andamios porosos de metal Preparar suspensiones Ti-canfeno mezclando disponible comercialmente polvo de Ti, canfeno, y KD-4 después de pesar las cantidades apropiadas de materiales como se describe en la Tabla 1 para andamios porosos Ti con cuatro porosidades iniciales (40, 50, 60, y 70). Verter las suspensiones en 500 ml de polietileno (PE) y girar las botellas botellas a 55 ° C durante 30 min en un horno de molino de bolas a 30 rpm. Verter …

Representative Results

El proceso de fabricación utilizado para producir andamios porosos Ti se ilustra en la Figura 1A. Polvo de Ti se mantiene dispersa homogéneamente en canfeno por la rotación continua del recipiente a 44 ° C durante 12 horas y, mientras canfeno líquido se solidifica completamente, ningún sedimentos relativamente pesado polvo de Ti se pueden minimizar. Como resultado, el cuerpo verde homogénea Ti-canfeno fue producido usando el proceso de fundición de congelación dinámica como se muestra …

Discussion

Mientras que los sistemas Biometal han sido ampliamente utilizados para aplicaciones biomédicas, sobre todo, como materiales de carga, alta rigidez y baja bioactividad de los metales han sido considerados como los principales desafíos. En este estudio, hemos establecido el método de fabricación de un nuevo sistema de metal, un andamio de metal poroso densificado que tiene propiedades mecánicas biomiméticos, así como con superficie bioactiva comportamiento de liberación sostenible. Las principales ventajas de nue…

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