تصنيع ميكانيكيا الانضباطي والحيويه المعادن سقالات للتطبيقات الطبية الحيوية

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع سكلات معدنية ذات نشاط حيوي وقابلية للضبط الميكانيكي للتطبيقات الطبية الحيوية. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال غرسات تقويم العظام، مثل مدى جدوى استخدام سكلة معدنية قابلة للضبط ميكانيكياً وقادرة على إيصال الأدوية. وتتميز طريقة التعديل هذه ببساطتها لأنها تتطلب تحكماً واحداً فقط.

تحقق المعايير كلاً من التحسين الميكانيكي والتحرر المستدام للدواء، وهي قادرة على تصنيع مسام وظيفية. أولاً، اخلط الكميات المناسبة من مسحوق التيتانيوم والكافيين وKD four لتحضير سقالات تيتانيوم مسامية بأربع مساميات أولية في زجاجات بولي إيثيلين سعة 500 milliliter. قم بتدوير الزجاجات في فرن طاحونة كرات بسرعة 30 RPM عند درجة حرارة 55 degrees Celsius لمدة 30 دقيقة. صب الملاط من زجاجات البولي إيثيلين في قوالب ألمنيوم أسطوانية بقطر وارتفاع 60 millimeters.

بعد إغلاق كل قالب ألومنيوم باستخدام شريحة غطاء من الألومنيوم، يتم تدوير القوالب في فرن طاحونة كروية بسرعة 30 RPM عند درجة حرارة 55 °C لمدة 10 دقائق. بعد ذلك، يتم خفض درجة حرارة فرن الطاحونة الكروية إلى 44 °C وتدوير القوالب باستمرار بسرعة 30 RPM عند درجة حرارة 44 °C لمدة 12 ساعة. وبعد تبريد القوالب عن طريق التدوير في درجة حرارة الغرفة لمدة ساعة واحدة، يتم إخراجها من فرن الطاحونة الكروية.

بعد ذلك، قم بإزالة جسم التيتانيوم والكافيين الأخضر المتصلب من كل قالب ألومنيوم باستخدام مكبس ألومنيوم. عقب ذلك، ضع جسم التيتانيوم والكافيين الأخضر المتصلب في كيس مطاطي وأغلق الكيس تمامًا بربطه بخيط.

ضع الكيس المطاطي في خزان المياه بجهاز الكبس الإيزوستاتيكي البارد، وقم بتطبيق ضغط إيزوستاتيكي قدره 200 megapascals لمدة 10 دقائق. بعد إخراج الكيس المطاطي من الجهاز، قم بإزالة الجسم الأخضر المضغوط من الكيس المطاطي. ثم انقل الجسم الأخضر من تيتانيوم الكافيين إلى بوطقة Illumina.

ضع البوتقة في جهاز التجفيف بالتجميد وقم بتجفيف الجسم الأخضر بالتجميد لتسامي طور الكافيين عند درجة حرارة 40- °C لمدة 24 ساعة. بعد التجفيف بالتجميد، أغلق البوتقة باستخدام شريحة غطاء Illumina. ضع البوتقة المغلقة في فرن تفريغ في درجة حرارة الغرفة.

ثم ارفع درجة حرارة الفرن إلى 1300 °C بمعدل تسخين قدره 5 °C في الدقيقة. عادة ما تكون عينات الأجسام الخضراء المجففة بالهواء ضعيفة وقد تنهار، لذا يلزم توخي الحذر الشديد أثناء التعامل معها.

بعد تثبيت درجة الحرارة عند 1300 درجة مئوية لمدة ساعتين، يُترك التيتانيوم المسامي المتمركز داخل الفرن لمدة تتراوح بين ست إلى سبع ساعات حتى يبرد الفرن تماماً ويصل إلى درجة حرارة الغرفة. وبمجرد إخراج العينات من الفرن، يتم تشغيل العينات للحصول على نماذج أصغر حجماً، ثم تُنقل العينات إلى دورق زجاجي. يُوضع الدورق في جهاز التعقيم (autoclave) وتُعقم العينات عند 121 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.

عند الانتهاء، اغسل العينات المعقمة مرتين بالماء المقطر ومرتين بإيثانول 70%. بعد ذلك، ضع التيتانيوم المسامي في طبق بتري واترك العينات تجف في الهواء في درجة حرارة الغرفة تحت الأشعة فوق البنفسجية. في هذه المرحلة، خفف البروتين الفلوري الأخضر أو GFP إلى 100 micrograms per milliliter عن طريق خلط 1 milliliter مع 9 milliliters من محلول ECCOs phosphate buffered saline. وفي أنبوب بوليسترين معقم سعة 50 milliliter، اغمر التيتانيوم المسامي في محلول GFP المخفف في درجة حرارة الغرفة.

بعد ذلك، ضع العينة فوراً في مجفف تفريغ (vacuum desiccator) وقم بتفريغ الهواء من المجفف لمدة 10 دقائق. ولضمان تغلغل محلول GFP في مسام التيتانيوم المسامي بشكل أكثر فعالية، قم بإزالة الكأس الزجاجي من المجفف. ثم أخرج التيتانيوم المسامي من الكأس الزجاجي باستخدام ملاقط.

ضع التيتانيوم المسامي المغلف بـ GFP في طبق بتري بقطر 10 سنتيمتر واتركه ليجف في الهواء طوال الليل في درجة حرارة الغرفة على طاولة معقمة؛ وفي اليوم التالي، اشطف التيتانيوم المسامي مرتين باستخدام 10 ملليلتر من محلول ECCOs phosphate buffered saline في وعاء زجاجي. ثم ضع التيتانيوم المسامي في طبق بتري بقطر 10 سنتيمتر باستخدام ملاقط واتركه ليجف في الهواء طوال الليل في درجة حرارة الغرفة على طاولة معقمة. بعد ذلك، ضع عينات التيتانيوم المسامي المغلفة بـ GFP ذات الارتفاعات المختلفة في قالب فولاذي أسطواني، ثم أدخل مجموعة من القوالب الثاقبة في الفتحات العلوية والسفلية للقالب الفولاذي.

قم بضغط التيتانيوم المسامي داخل مجموعة قالب الفولاذ في درجة حرارة الغرفة في الاتجاه Z للعينة. استخدم آلة كبس بمعدلات انفعال متوسطة تتراوح من 0.05 إلى 0.1 inverse seconds مقابل الانفعالات المطبقة المحددة مسبقاً. حافظ على الضغط لمدة دقيقة واحدة.

أخرج القالب من آلة الكبس. ضع الحلقة الفولاذية فوق الجزء السفلي من جسم القالب ثم أعد القالب إلى الآلة. بعد قلب القالب، قم بتطبيق الضغط ببطء حتى يدفع المكبس العينات المكثفة خارج فتحة D، ثم أخرج القالب من آلة الكبس.

أخرج عينات التيتانيوم المكثفة من القالب الفولاذي. وأخيرًا، اغسل العينات المكثفة مرتين باستخدام 10 milliliters من محلول ECCOs phosphate buffered saline في بيكر، ثم اتركها لتجف في الهواء طوال الليل في درجة حرارة الغرفة على طاولة عمل نظيفة. يُظهر هيكل مسام التيتانيوم الناتج عن الصب بالتجميد التقليدي محاذاة مسامية اتجاهية مع مسام غير منتظمة الشكل بسبب النمو الشجري للكافيين.

أثناء تجميد العينة الناتجة عن الصب بالتجميد الديناميكي، تظهر مسام كروية تقريبًا ذات توزيع عشوائي، ويصبح شكل المسام مسطحًا مع زيادة درجة التكثيف، وتكاد المسام تختفي عند أعلى مستويات التكثيف نظرًا لتلامس المسام المتجاورة مع بعضها البعض. وأظهرت أربع عينات ذات مساميات متفاوتة ارتفاعات أولية مختلفة قبل التكثيف، بينما كانت ارتفاعاتها متطابقة تقريبًا بعد التكثيف. ووُجد أن كلًا من العينات المسننة والتيتانيوم المسامي يتميزان بسلوك إطلاق سريع لبروتين GFP مع تأثير تدفق أولي، حيث تم إطلاق معظم البروتين خلال أسبوع واحد.

يظهر التيتانيوم المسامي المكثف تحرراً مستمراً لمدة تصل إلى شهر واحد، حيث يظهر بروتين GFP بوضوح على السطح حتى بعد مرور شهر. بالنسبة للسقالة ذات النواة الأكثر كثافة، تم تقصير الجزء الخارجي عن طريق التشغيل الميكانيكي. وتظهر صورة الأشعة المقطعية الدقيقة (micro CT) بعد التكثيف الانتقائي للجزء الداخلي الأعلى الأجزاء الداخلية والخارجية للسقالة بمساميات مختلفة؛ حيث يؤدي التيتانيوم المسامي ذو الأجزاء الخارجية الأعلى والداخلية الأدنى إلى الحصول على جزء خارجي أكثر كثافة بعد التكثيف، وهو ما أدى إلى خفض مسامية الجزء الخارجي مع الحفاظ على المسامية الأولية للجزء الداخلي بمجرد إتقان العملية.

يمكن تنفيذ هذه التقنية في غضون 72 ساعة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح بعد التطوير. وقد مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال المواد الحيوية لاستكشاف جدوى تصنيع مواد ميتا (meta ology) ذات خصائص ميكانيكية متغيرة وقدرات مرتبطة بالأدوية لعلاج إصابات العمود الفقري. وتمتد آثار هذه التقنية إلى علاج إصابات العمود الفقري لأن السقالة الناتجة يمكن أن تعمل كبديل اصطناعي للقرص مع توفير خاصية إيصال الدواء.