Herstellung von mechanisch Tunable und Bioactive Metallgerüste für biomedizinische Anwendungen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, mechanisch einstellbare und bioaktive Metallgerüste für biomedizinische Anwendungen herzustellen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der orthopädischen Implantate zu beantworten, beispielsweise die Machbarkeit eines mechanisch einstellbaren Metallgerüsts, das in der Lage ist, Wirkstoffe abzugeben. Diese Methode ist einfach, da sie nur eine Steuerung erfordert.

Parameter erreichen sowohl eine mechanische Verstärkung als auch eine nachhaltige Arzneimittelfreisetzung und eignen sich für die Herstellung funktionalisierter poröser Strukturen. Mischen Sie zunächst die geeigneten Mengen an Titanpulver, Koffein und KD vier für poröse Titan-Scaffolds mit vier verschiedenen Anfangsporositäten in 500-Milliliter-Polyethylenflaschen. Drehen Sie die Flaschen in einem Kugelmühlofen mit einer Geschwindigkeit von 30 U/min bei 55 Grad Celsius für 30 Minuten. Gießen Sie die Suspensionen aus den Polyethylenflaschen in zylindrische Aluminiumformen mit einem Durchmesser und einer Höhe von jeweils 60 Millimetern.

Nachdem jede Aluminiumform mit einem Aluminium-Deckglas verschlossen wurde, drehen Sie die Formen 10 Minuten lang in einem Kugelmühlofen mit einer Geschwindigkeit von 30 U/min bei 55 Grad Celsius. Danach senken Sie die Temperatur des Kugelmühlofens auf 44 Grad Celsius und drehen die Formen kontinuierlich 12 Stunden lang mit einer Geschwindigkeit von 30 U/min bei 44 Grad Celsius. Nach dem Abkühlen der Formen durch eine Stunde Drehen bei Raumtemperatur nehmen Sie sie aus dem Kugelmühlofen heraus.

Entfernen Sie dann den erstarrten grünen Körper aus Titan-Koffein aus jeder Aluminiumform mithilfe eines Aluminiumstößels. Danach platzieren Sie den erstarrten grünen Körper aus Titan-Koffein in eine Gummihülle und verschließen Sie die Hülle vollständig, indem Sie sie mit einer Schnur zubinden.

Legen Sie den Gummibeutel in einen Wassertank einer kaltisostatischen Presse und bringen Sie einen isostatischen Druck von 200 Megapascal für 10 Minuten auf. Nachdem Sie den Gummibeutel aus der Maschine entfernt haben, nehmen Sie den komprimierten Grünkörper aus dem Gummibeutel heraus. Überführen Sie den Grünkörper aus Titan-Coffein in eine Illumina-Tiegel.

Stellen Sie den Tiegel in eine Gefriertrocknungsanlage und trocknen Sie den grünen Körper bei minus 40 Grad Celsius 24 Stunden lang gefriertrocknend, um die Caffeinphase zu sublimieren. Schließen Sie nach der Gefriertrocknung den Tiegel mit einem Abdeckobjektträger von Illumina. Stellen Sie den geschlossenen Tiegel bei Raumtemperatur in einen Vakuumofen.

Erhöhen Sie dann die Ofentemperatur auf 1300 Grad Celsius mit einer Heizrate von fünf Grad Celsius pro Minute. Luftgetrocknete Grünkörperproben sind in der Regel schwach und können einstürzen. Bei der Handhabung ist besondere Vorsicht erforderlich.

Nachdem die Temperatur zwei Stunden lang bei 1300 Grad Celsius gehalten wurde, den zentrierten porösen Titan im Ofen sechs bis sieben Stunden lang belassen, bis der Ofen vollständig auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Sobald die Proben aus dem Ofen entnommen wurden, die Proben maschinell zu kleineren Exemplaren verarbeiten und in ein Glasbecherglas überführen. Das Becherglas in einen Autoklaven stellen und die Proben bei 121 Grad Celsius 15 Minuten lang sterilisieren.

Wenn der Vorgang abgeschlossen ist, spülen Sie die sterilisierten Proben zweimal mit destilliertem Wasser und zweimal mit 70 % Ethanol. Anschließend geben Sie das poröse Titan in eine Petrischale und lassen die Proben bei Raumtemperatur unter UV-Licht trocknen. Verdünnen Sie zu diesem Zeitpunkt grünes Fluoreszenzprotein oder GFP auf 100 Mikrogramm pro Milliliter, indem Sie ein Milliliter mit neun Milliliter der mit ECCOs gepufferten phosphathaltigen Salzlösung mischen. In einem 50-Milliliter-sterilen Polystyrolrohr tauchen Sie das poröse Titan bei Raumtemperatur in die verdünnte GFP-Lösung ein.

Bringen Sie die Probe anschließend sofort in einen Vakuum-Exsikkator und evakuieren Sie den Exsikkator 10 Minuten lang. Um sicherzustellen, dass die GFP-Lösung die Poren des porösen Titans wirksamer durchdringt, nehmen Sie das Glasbecherglas aus dem Exsikkator heraus. Anschließend entfernen Sie das poröse Titan mit einer Pinzette aus dem Glasbecher.

Platzieren Sie den mit GFP beschichteten porösen Titan in eine Petrischale mit einem Durchmesser von 10 Zentimetern und lassen Sie ihn am folgenden Tag über Nacht bei Raumtemperatur auf einer sauberen Arbeitsbank lufttrocknen. Spülen Sie den porösen Titan anschließend zweimal mit je 10 Milliliter Phosphat-gepufferter Salzlösung (ECCOs) in einem Glasbehälter ab. Danach bringen Sie den porösen Titan mit Hilfe einer Pinzette in eine Petrischale mit einem Durchmesser von 10 Zentimetern und lassen ihn erneut über Nacht bei Raumtemperatur auf einer sauberen Arbeitsbank lufttrocknen. Stellen Sie danach die mit GFP beschichteten Proben des porösen Titans mit unterschiedlichen Höhen in eine zylindrische Stahlform und führen Sie einen Satz Stempel in die oberen und unteren Öffnungen der Stahlform ein.

Das poröse Titan im Stahlformteil in Z-Richtung der Probe bei Raumtemperatur komprimieren. Mit einer Presse bei mittleren Dehnraten von 0,05 bis 0,1 inversen Sekunden bis zu den vorbestimmten angelegten Dehnungen arbeiten. Den Druck eine Minute lang halten.

Entfernen Sie die Form von der Pressemaschine. Legen Sie den Stahlring über das untere Ende des Formkörpers und setzen Sie die Form anschließend wieder in die Presse ein. Nach dem Umkehren der Form langsam Druck ausüben, bis der Kolben die verdichteten Proben aus der D-Bohrung herausdrückt, und danach die Form von der Presse entfernen.

Entfernen Sie die verdichteten Titanproben aus der Stahlfarbe. Spülen Sie die verdichteten Proben abschließend zweimal mit je 10 Milliliter eingeschossenem, phosphatgepuffertem Salzlösung in einem Becher und lassen Sie sie über Nacht bei Raumtemperatur auf einer sauberen Arbeitsfläche an der Luft trocknen. Die Porenstruktur von Titan aus herkömmlichem Schrittgießen weist eine gerichtete Porenausrichtung mit unregelmäßig geformten Poren auf, bedingt durch das dendritische Wachstum von Koffein.

Während des Einfrierens weist die Probe aus dynamischem Scherfreierschäumen nahezu kugelförmige Poren mit zufälliger Porenverteilung auf; die Porenform wird abgeflacht, je stärker die Verdichtung fortschreitet, und die Poren verschwinden bei stärkster Verdichtung nahezu, da benachbarte Poren miteinander in Kontakt geraten. Vier Proben mit unterschiedlichen Porositäten zeigen verschiedene Ausgangshöhen vor der Verdichtung, jedoch nahezu identische Höhen nach der Verdichtung. Sowohl Vertiefungen als auch poröses Titan wiesen ein schnelles Freisetzungsverhalten von GFP mit einem initialen Burst-Effekt auf, wobei der größte Teil innerhalb einer Woche freigesetzt wurde.

Verdichtetes poröses Titan zeigt eine kontinuierliche Freisetzung über einen Zeitraum von bis zu einem Monat, wobei GFP bereits nach einem Monat deutlich auf der Oberfläche sichtbar ist. Bei dem Scaffold mit dichterem Kern wurde der äußere Teil durch maschinelles Bearbeiten verkürzt. Das Mikro-CT-Bild nach selektiver Verdichtung des höheren inneren Bereichs zeigt die innere und äußere Partie des Scaffold mit unterschiedlichen Porositäten; poröses Titan mit höherer äußerer und niedrigerer innerer Dichte führt nach der Verdichtung zu einem dichteren äußeren Bereich, bei dem die Porosität des äußeren Teils verringert wurde, während der innere Teil die ursprüngliche Porosität beibehielt, sobald der Prozess beherrscht war.

Diese Technik kann innerhalb von 72 Stunden durchgeführt werden, wenn sie nach einer Entwicklung ordnungsgemäß angewendet wird. Diese Technik ebnete den Weg für Forscher im Bereich der Biomaterialien, die Machbarkeit der Herstellung von Metakonstruktionen mit umschaltbaren mechanischen Eigenschaften und der Freisetzung von Arzneimitteln zur Behandlung von Wirbelsäulenverletzungen zu untersuchen. Die Auswirkungen dieser Technik reichen bis in die Therapie von Wirbelsäulenverletzungen hinein, da das hergestellte Gerüst als künstlicher Bandscheibenersatz mit Arzneimittelabgabe fungieren kann.