加工机械可调和生物活性金属支架的生物医学应用

Summary

生物活性和机械可靠的金属支架是通过一种方法制造的，该方法包括两个过程，用于制造多孔 Ti 的动态冷冻铸造，以及 Ti 支架的涂层和致密化。致密化过程简单、有效，适用于制造功能分级的支架。

Abstract

生物金属系统已广泛用于生物医学应用，特别是作为承重材料。然而，主要挑战是金属的高刚度和低生物活性。在这项研究中，我们开发了一种新方法，用于制造一种新型的生物活性和机械可靠的多孔金属支架——致密多孔 Ti 支架。该方法包括两个制造过程，1） 通过动态冷冻铸造制造多孔 Ti 支架，以及 2） 多孔支架的涂层和致密化。用于制造多孔 Ti 支架的动态冷冻铸造方法允许通过最大限度地减少化学污染和结构缺陷来致密化多孔支架。致密化过程之所以独特，有三个原因。首先，致密化过程很简单，因为它只需要控制一个参数（致密化程度）。其次，它是有效的，因为它实现了生物分子的机械增强和从多孔支架中可持续释放。第三，它具有广泛的应用，因为它也适用于在致密化过程中通过空间变化的应变制造功能梯度的多孔支架。

Introduction

而金属生物材料已被广泛用作由于其优异的机械强度和韧性^，1-3承重植入物和内固定装置，他们涉及两个关键的挑战:1）机械失配，因为金属是比生物体组织硬得多，从而导致不希望的损害到周围组织和2）低的生物活性，往往导致界面差与生物组织，往往挑起异物反应 （如炎症或血栓形成）。已经提出了促进骨向内生长的结构^4-6多孔金属支架，改善骨-植入物接触，而应力屏蔽效果，因为它们降低的刚性抑制^7-9此外，各种表面改性已经应用于提高金属植入物的生物活性;这些修改包括涂层将金属表面与生物活性分子（例如，生长的fac器）或药物 （如万古霉素，四环素^）10-12但是，存在的问题，如多孔金属支架降低机械性能，降低的硬度和快速释放的生物活性涂层的层仍然没有得到解决^。13-16

特别是，钛（Ti）和Ti的合金是一体的，因为它们的优异的机械性能，化学稳定性的最流行​​biometal系统，以及良好的生物相容性^。13,17-19其泡沫形的应用也引起越来越多的关注，因为在3D多孔网络促进除了骨样的机械性能的骨向内生长^。20-22已作出努力通过开发新的制造技术，包括聚合海绵的复制，金属粒子，快速成型（RP）的方法的烧结来提高机械性能，并为了控制孔的各种特征空间保持器的方法（例如，孔隙分数，形状，....

Protocol

1.制备多孔金属支架的

1. 通过混合市售的Ti粉末，莰烯，和KD-4 如表1中描述的多孔钛支架具有四个初始孔隙率（40，50，60，和70）称量材料的适当的量后制备的Ti-莰泥浆。倾浆料到500ml聚乙烯（PE）瓶和旋转瓶在55℃下30分钟在球磨机烘箱在30rpm。
2. 倾从PE瓶浆料成圆柱形的铝（Al）的模具，其直径为60毫米和60毫米的高度。密封每个铝模具与相应的A1盖玻片并旋转在球磨机烘箱模具以30rpm的速度在55℃下进行10分钟。
   1. 随后，降低球磨机烘箱的温度升高到44℃，并连续旋转模具以30rpm的速度在44℃进行12小时的恒温。
3. 取出模具从球 -磨炉之后附加地旋转所述模具在RT 1小时的冷却过程。从使用Al柱塞铝模具中取出固化的钛/莰生坯。
4. 将固化的钛/莰生坯在一橡胶袋通过手和完全由捆扎袋的口用字符串密封橡胶袋。将橡胶袋在冷等静压（CIP），机的水槽中，并应用​​为200MPa的等静压力10分钟。从橡胶袋中取出压缩坯体。
5. 上手工传送的Ti-莰生坯氧化铝坩埚放置在坩埚中的冷冻干燥机。冷冻干燥该生坯升华莰相在生坯在 - 40℃下放置24小时。
6. 接着，关闭该坩埚有氧化铝盖玻片并将封闭坩埚在真空炉中（低于10 ^-6托 ）于RT。然后，增加了炉的温度升高到1300℃，在一个加热ř吃了5℃/分钟并保持温度在1300℃进行2小时。

Results

用于生产多孔钛的支架的制造方法示于图1A。钛粉末被保持在莰均匀分散由容器的连续旋转在44℃下12小时和，而液体莰被完全固化，相对较重的Ti粉末的任何沉积物最小化。其结果是，将均匀的Ti-莰生坯使用动态冷冻浇铸方法生产，如图1B所示，在其中三维地相互连接的大莰孔隙由钛粉末相（图1C）所包围。然而，不正确的容器的转动经常导致Ti和莰烯相的在生坯中不均匀分布，引起畸变或多孔支架的下列热处理开裂。转速的最佳条件被发现是每分钟30转，这是能够产生均匀的坯体在大多数情况下。在继续荷兰国际集团与热处理，莰烯的广泛生长是通过观察在Ti-莰生坯的横截面，如图1C证实。如果莰相是不连续的微细孔的一个显著尺寸分布，动态冷冻浇铸的温度和时间需要复位。通常，所述的Ti-莰生坯的莰相被认为是发达的后12小时动态冷冻浇铸，其中莰相成为连续因为大的球形孔是在相互接触。在多孔钛的孔的大小，形态和连通使用显微CT分析热处理后进一步评估。 .......

Discussion

而biometal系统已被广泛地用于生物医学应用，特别是，作为承重材料，高刚度和金属的低生物活性已被视为重大的挑战。在这项研究中，我们建立了一个新的金属系统，致密多孔金属支架具有仿生机械性能以及生物活性表面与可持续释放行为的制造方法。我们的制作方法的主要优点包括:1）在前面的动态冷冻的铸造方法没有变化，我们已经开发^，28 2）中的一个参数度的控制致密化-实现机械增强和从多孔生物分子的持续释放行为都金属支架和3）潜在的应用功能梯度材料。

之一的生产所需的致密化多孔金属的关键步骤是多孔钛，其具有两个重要功能个人的制造水库:1）延展性，以控制生物活性分子和机械性能的释放速率和2）高的孔互连性加载和释放的生物分子。然而，先前报道的多孔钛支架使用空间保持器方法制造，海绵模板法，和粉末冶金表明要么限定孔互连性或延展性^。14,24,29尤其是，通过金属粉末与其它周围反应产生的杂质在热处理过程中的材料是已知的显著降低材料的延展性，因为金属粉末是在与第二材料相接触（例如，空间保持器或聚合物模板），导致下机械试验脆性破坏^{。14,2.......}

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
钛粉	Alfa Aesar	#42624-325	目，99.5%（金属基）
莰烯	SigmaAldrich	#456055	95%，C10H16
KD-4	Croda	­	Hypermer、聚合物分散剂
磷酸盐缓冲溶液 （PBS）	Welgene	ML 008-01	­
绿色荧光蛋白 （GFP）	Genoss Co.	-	>98% 纯度，1 mg/ml
球磨机烘箱	SAMHENUG ENERGY	SH-BDO150	­
冷冻干燥机	Ilshin Lab.	PVTFD50A	&害羞;
冷等静压 （CIP） 机	SONGWON SYSTEMS	CIP 42260	­
真空炉	JEONG MIN INDUSTRIAL	JM-HP20	­
电动冲	FANUC robocut	0iB	外用
冲床	CG&S	AJP-200	&害羞;
共聚焦激光扫描光谱仪 （CLSM）	Olympus	FluoView FV1000	外部使用