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방법 논문

바이오 메디컬 응용 프로그램을위한 기계적 조정 및 생리 활성 금속 비계의 제조

10.6K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/53279

⸱

2015년 12월 8일

 ,  ,  ,  , 
1Liquid Processing & Casting Technology R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, 2Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University, 3Advanced Institutes of Convergence Technology, Seoul National University, 4School of Biomedical Engineering, Korea University

이 논문에서

요약

생체 활성 및 기계적으로 신뢰할 수 있는 금속 골격은 다공성 Ti 제조를 위한 동적 동결 주조와 Ti 골격의 코팅 및 치밀화의 두 가지 공정으로 구성된 방법을 통해 제작되었습니다. 밀집화 공정은 간단하고 효과적이며 기능적으로 등급이 매겨진 골격 제작에 적용할

수 있습니다.

초록

바이오메탈 시스템은 생체 의학 응용 분야, 특히 하중을 견디는 재료로 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 주요 과제는 금속의 높은 강성과 낮은 생체 활성입니다. 이 연구에서는 새로운 유형의 생체 활성 및 기계적으로 신뢰할 수 있는 다공성 금속 골격 밀도 다공성 Ti 골격을 제조하기 위한 새로운 방법을 개발했습니다. 이 방법은 1) 동적 동결 주조에 의한 다공성 Ti 지지체 제작과 2) 다공성 지지체의 코팅 및 치밀화의 두 가지 제조 공정으로 구성됩니다. 다공성 Ti 스캐폴드를 제작하는 동적 동결 주조 방법은 화학적 오염 및 구조적 결함을 최소화하여 다공성 스캐폴드의 고밀도화를 가능하게 했습니다. 밀집화 과정은 세 가지 이유로 독특합니다. 첫째, 고밀도화 과정은 하나의 매개변수(고밀도화 정도)만 제어하면 되기 때문에 간단합니다. 둘째, 다공성 골격에서 생체 분자의 기계적 향상과 지속 가능한 방출을 달성하기 때문에 효과적입니다. 셋째, 밀집화 동안 공간적으로 다양한 변형률에 의해 기능적으로 등급이 매겨진 다공성 스캐폴드의 제작에도 적용할 수 있기 때문에 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.

서론

금속 생체 재료가 널리 때문에 우수한 기계적 강도 및 탄력성, 1-3의로드 베어링 임플란트 및 내고정 장치로서 사용되었지만 그들은 두 가지 중요한 문제점을 포함한다 : 1) 기계적인 불일치 금속은 생물학적 조직보다 더 뻣뻣하기 때문에, 바람직하지 않은 손상을 야기 자주 이물 반응 (예, 염증이나 혈전)을 자극하는 주변 조직과 자주 생물학적 조직과 가난한 인터페이스를 초래 2) 낮은 생체 활성에. 4-6 다공성 금속 지지체는 개선, 구조에 뼈 안쪽으로의 성장을 촉진하기 위해 제안되었다 . 응력 차폐 효과 때문에 감소 된 강성을 억제하는 동안 뼈 임플란트 접촉 7-9 또한, 각종 표면 변형은 금속 임플란트의 생물학적 활성을 향상시키기 위해 적용되었다; 이러한 변형은 코팅에게 생체 활성 분자 (예, 성장 FAC으로 금속 표면을 포함TORS) 또는 약물 (예를 들어, 반코마이신, 테트라 사이클린). 10-12 그러나, 상기 다공성 금속 지지체의 기계적 물성 저하 등의 문제는, 강성과 생활 성 코팅층의 빠른 방출 풀리지 감소. 13-16

특히, 티타늄 (Ti)과 티타늄 합금은 그들의 우수한 기계적 특성, 화학적 안정성의 가장 인기있는 바이오 시스템 중 하나, 양호한 생체 적합성이다. 13,17-19 그들의 발포 형 애플리케이션도 끌었다 3D 때문에 관심이 증가 다공성 네트워크는 20-22 노력이 중합체 스폰지의 복제, 금속 입자, 쾌속 조형 (RP)에있어서의 소결 등의 새로운 제조 기술을 개발하여 기계적 성질을 향상시키기 위해 이루어지고있다. 뼈와 같은 기계적 특성에 더하여 뼈 내 증식을 촉진하고, 기공의 다양한 기능을 제어하기 위해 공간 홀더 방법 (예를 들면, 공극 분율형상, 크기, 분포 및 연결)과 재료 특성 (예를 들면, 금속 상 및 불순물). 최근에, 수계 금속 슬러리의 동결 주조는 잘 정렬 된 기공을 가진 기계적으로 강화 티타늄 형태를 생성하기 위해 상당한 관심을 받고있다 23-25 방향성 응고 동안에 얼음 덴 드라이트 성장을 이용하여 구조물; 그러나, 물과 금속 분말의 접촉에 의한 산소 오염 티 비계의 취성을 최소화하기 위해 특별한주의가 필요합니다. 14, 15

따라서 생체 활성 및 기계적 동조의 Ti 다공성 지지체를 제조 향해 새로운 접근법을 개발 하였다. (25) 지지체가 초기 50 % 이상의 다공도를 가진 다공성 구조를 갖는다. 제작 된 다공성 지지체는 최종 기공이, 기계적 특성 및 약물 방출의 동작은 어플리에 의해 제어 된 동안 기계 프레스를 사용하여 생체 활성 분자로 코팅 한 다음 압축 된에드 변형. 치밀화 다공성 티타늄 임플란트는 뼈 (3-20 GPA). (2) 때문에 코팅층에 필적 낮은 강성에도 불구하고 양호한 강도와 낮은 기공도를 도시 한 조밀화 다공성 티타늄의 생체 활성이 현저하게 향상되었다. 또한, 인해 조밀화 프로세스에 의해 유도 된 고유 평면 기공 구조, 코팅 된 생체 활성 분자 서서히 장기간 그 효능을 유지하는 발판으로부터 배출되는 보였다.

이 연구에서 우리는 생물 의학 분야에서 잠재적 인 사용을위한 고밀도 다공성 티타늄 지지체를 제조하는 우리의 설립 방법을 소개했다. 이 프로토콜은 금속 슬러리 및 다공성 지지체의 치밀화와 동적 동결 주조를 포함한다. 우선,도 1a에 도시 된 바와 같이 동적 동결 주조 방법이 도입되었다 양호한 연성 다공성 티타늄 지지체를 제조한다. TI 분말 캄펜 액체에 분산시키고; 이어서, 온도를 감소시킴으로써,액체 상에 Ti 분말 및 네트워크 고체 캄펜 결정 간의 상분리 결과, 응고했다. 이어서, 고화 티 - 성형체는 캄펜되는 티타늄 분말 연속 티 스트러트와 축합 된 소결하고, 캄펜 위상은 완전히 다공성 구조를 얻기 위해 제거 하였다. 얻어진 다공질 지지체와 코팅 및 고밀도화 과정 치밀화 초기 다공성의 정도를 변화 채용 하였다. 코팅층의 박리 문제가 가시화 및 녹색 형광 단백질 (GFP)의 GFP 코팅에 비해 고밀도의 Ti와 치밀화없이 피복 된 다공성 티타늄을 사용하여 정량 하였다. 마지막으로, 두 개의 다른 다공성 구조를 가지고 경사 기능 티 비계 제안 및 다공성 지지체의 내측과 외측 부분의 치밀화 정도의 변화에​​ 의해 증명되었다.

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프로토콜

다공성 금속 비계의 1. 제작

  1. 네 초기 공극률 (40, 50, 60, 70)과 다공성 티타늄 지지체는 표 1에 기재된 바와 같이 재료의 적절한 양을 계량 한 후에 시판의 Ti 분말, 캄펜, 및 KD-4를 혼합하여 티타늄 - 캄펜 슬러리를 준비한다. 500 ml의 폴리에틸렌 (PE) 병에 슬러리를 붓고 30 rpm에서 볼 - 밀 오븐에서 30 분 동안 55 ℃에서 병을 돌립니다.
  2. 원통형 알루미늄 (Al)으로 60mm의 직경과 60mm의 높이를 가진 몰드에 PE 병에서 슬러리를 붓는다. 해당 알루미늄 커버 슬립 각 알루미늄 금형을 밀봉하고 10 분 동안 55 ℃에서 30 rpm의 속도로 볼 밀 오븐에서 금형을 회전 할 수 있습니다.
    1. 이어서, 44 ℃로 볼밀 오븐의 온도를 감소시키고, 12 시간 동안 지속적으로 44 ° C의 일정 온도에서 30 rpm의 속도로 회전 금형.
  3. 공 -에서 금형을 꺼내밀 오븐 후 별도로 냉각 공정을 1 시간 동안 RT에서 금형을 회전. 알 플런저를 사용하여 알 금형에서 응고 티타늄 / 캄펜 녹색 몸을 제거합니다.
  4. 손으로 고무 가방에 응고 티타늄 / 캄펜 녹색 몸을 놓고 완전히 끈으로 가방의 입구를 묶는하여 고무 백을 봉인. 냉간 정수압 프레스 (CIP) 시스템의 수조에서 고무 백을 넣고 10 분 동안은 200MPa의 정수압 압력을 적용한다. 고무 가방에서 압축 성형체를 제거합니다.
  5. 손으로 알루미나 도가니에 티 - 캄펜 녹색 몸을 전송하고 동결 건조기 기계의 도가니를 배치합니다. 동결 건조시에 성형체 캄펜 상을 승화 성형체를 - 24 시간 동안 40 ° C.
  6. 그 후, 알루미나 커버 슬립과 도가니를 닫고 실온에서 (10-6 토르 이하) 진공로의 폐쇄 도가니를 배치합니다. 그리고, 가열로 (R) 1300 ° C로 노의 온도를 상승5 ℃ / 분의 식사를하고 2 시간 동안 1,300 ° C의 온도를 유지.
  7. 열처리 후, 퍼니스가 완전히 실온으로 냉각 될 때까지 6-7 시간 동안 노에서 소결 된 다공성 티타늄 유지.
    주 : 냉각 공정의 6 시간 동안 400 ℃ 이상의 가열로의 평균 냉각 속도가 ~ 15 ℃ / 분, 400 ° C 이하로의 평균 냉각 속도 것은 ~ 2 ℃ / 분이다.
  8. 필요한 경우, 방전 가공 내지 16mm (EDM)의 직경을 갖는 디스크 형상의 샘플로 소결 된 다공성 티타늄의 블록을 잘라. 27
    주 : Al의 금형의 ​​크기에 따라, 다공성 티타늄 소결체의 크기가 가공 공정 (도 2a)를 통해 수정 될 필요가있다.
  9. 오토 클레이브 다공성 티타늄 샘플 유리 비커를 놓고 15 분 동안 121 ℃에서 샘플을 소독. 오토 클레이브에서 샘플을 제거합니다. 두번 70 % 에탄올로 두 번 후 증류수 다공성 티타늄 샘플을 세척한다.마지막으로, 페트리 접시에 다공성 티타늄을 떠나 자외선 아래에서 클린 벤치에 실온에서 샘플을 공기 - 건조.

생물 활성제와 비계의 2 딥 코팅

  1. 9 둘 베코 인산염 완충 식염수 (DPBS, pH를 7.4) 용액 10 ㎖에 ml의 멸균과 GFP 1 ㎖를 혼합하여 클린 벤치에서 100 ㎍ / ml의 1 밀리그램 /로부터 상업적 녹색 형광 단백질 (GFP)을 희석 표 1에 나타낸 바와 같이, 폴리스티렌 (PS) 튜브.
  2. RT에서 GFP 용액 PS 튜브에 티 샘플을 배치 및 클린 벤치에 배치하여 GFP 희석 용액 (100 μg의 / mL)을 10 ml의 살균 또는 고밀도 다공성 티타늄 담가.
  3. 진공 데시 케이 터 내에서 PS 튜브를 넣고 10 분 GFP 용액보다 효과적으로 다공성 티타늄의 구멍을 관통 보장하기 위해 건조기 대피.
  4. 핀셋을 사용하여 PS 튜브의 다공성 티타늄을 제거합니다. 10cm 직경 PE로 GFP 코팅 된 다공성 티타늄 배치트라이 요리와 자연 건조 O / N 클린 벤치에 실온에서.
  5. 유리 비커에 둘 베코의 인산염 완충 생리 식염수 (DPBS) 10 ㎖로 두 번 다공성 티 린스, 깨끗한 벤치에 실온에서 핀셋과 자연 건조를 사용하여 10cm 직경 페트리 접시에 다공성 티타늄 이동합니다.

다공성 비계의 3 치밀화

  1. 원통형 스틸 주형 내에서 다양한 높이와 GFP 코팅 된 다공성 티타늄 샘플을 배치하고, 스틸 다이 (도 3a)의 상부 및 하부 펀치 구멍의 세트를 삽입한다.
  2. 0.05 ~ 0.1 초의 중간 변형율에서 프레스 기계를 사용하여 샘플 (도 3a)의 Z 방향의 RT에서 스틸 다이 조립체 내에 다공성 티타늄 압축 -1 표 2에 나타낸 소정의인가 균주 대. 압력을 잡아 하역 전에 1 분.
  3. 스틸 다이에서 고밀도 티 샘플을 제거합니다. DPBS 10 ㎖로 두 번 고밀도 샘플을 씻으십시오클린 벤치에 실온에서 비커와 공기 건조 O / N에서.

GFP 코팅 비계의 4 릴리스 테스트

  1. 표본의 세 가지 유형을 담가 (GFP 코팅 밀도 티 (단계 후 2), GFP가 코팅 된 다공성 티타늄 (1 단계와 2 단계) 및 GFP 코팅 고밀도 다공성 티타늄 (1-3 단계) 후 후) 5 ML의 DPBS에 (PH 클린 벤치에 37 ℃에서 10 mL의 멸균 PS 튜브에 포함 된 7.4) 용액.
  2. 및 GFP 코팅 샘플 각각 PS 관으로부터 흡입 밖으로 모든 DPBS 용액 1의 소정 시간, 2, 3, 5, 8, 12에있어서 피펫을 사용하여 새로운 5 ㎖의 DPBS 용액 (PH 7.4)으로 보충 침수 후 15, 22, 29 일입니다.
  3. 침수 (0 일) 전에 GFP - 코팅 된 샘플의 형광 이미지를 가지고 이십이일 침지 후 공 초점 레이저 주사 분광법 (CLSM)를 사용.
  4. 하여 섹션 4.2에 각각 PS 관으로부터 인출 5 ㎖ DPBS 용액 총 1 ml의 용액에 출시의 GFP 형광 신호의 세기를 측정215 nm의 파장에서의 UV 분광학. 표준 곡선을 이용하여 GFP 용액의 농도에 강도 값을 변환한다.
    주 : 측정 전, 0 NG / ㎖의 농도 범위에서 GFP 용액의 형광 신호 강도를 측정함으로써 GFP 용액의 표준 곡선을 그리는 - 10 μg의 / mL로.

그레이드 다공성 티타늄 비계의 5. 제작

  1. 단계 1.7 단계 1.1를 반복함으로써, 소결 된 다공성 티타늄의 블록을 생성한다.
  2. 기계 EDM에 의해 소정 구조의 설계 (예를 들어,도 5a 및도 5d)에 기재된 소결 다공성 티타늄 블록.
  3. 다공성 티타늄의 직경이고 ~ 다이의 직경이 0.1 mm보다 작은 강철 다이 높이 분포와 가공 티 샘플을 놓고 스틸 다이의 상부 및 하부 구멍 펀치의 세트를 삽입한다.
  4. 단계 3.2 및 3.3를 수행합니다.

6. 다공성 나티 비계의 asurement

  1. 티 비계의 질량 (M s의)를 측정한다.
  2. 티 비계의 길이, 폭 및 높이를 측정하여 겉보기 부피 (V의 S)를 계산한다.
  3. 다음 식을 이용하여 공극율을 계산한다 :
    figure-protocol-1
    P는 총 다공도 백분율이며, ρ는 티타늄과 티타늄 m S의 이론 밀도이다 / V S는 시료의 밀도를 측정한다.
    주 : microCT 촬상는 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 스캐너를 이용하여 수행 한 후 시료의 Ti의 기공율 직접 microCT 이미지에서 검색 될 수있다.

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결과

티 다공성 지지체를 제조하는 데 사용되는 제조 공정은도 1a에 도시되어있다. TI 분말 캄펜 액체가 완전히 고화되는 동안 상대적으로 무거운 티타늄 분말 중 어느 퇴적물을 최소화 할 수 있으며, 12 시간 동안 44 ℃에서 용기의 회전에 의해 연속 캄펜에 균일하게 분산 및 유지된다. 된 3 차원 적 상호 큰 캄펜 기공은 티타늄 분체 상 (도 1C)에 의해 둘러싸여 있으며,도 1b에 도시 된 바와 같이 결과적으로, 균질의 Ti-캄펜 성형체는 동적 동결 주조 공정을 사용하여 제조 하였다. 그러나, 컨테이너의 잘못된 회전은 종종 녹색 몸에 Ti 및 캄펜 단계의 균일 분포, 왜곡의 원인 또는 열처리 다음과 같은 다공성 지지체의 균열을 초래한다. 회전 속도의 최적의 상태는 대부분의 경우에 균질 성형체를 제조 할 수 있었다 (30) RPM,이었다. 전 진행열처리로 보내고, 캄펜의 광범위한 성장은도 1C에 도시 된 바와 ...

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토론

바이오 시스템들은 생물 의학적 용도로 사용되었지만, 특히 부하 - 함유 물질, 높은 강성과 낮은 생체 활성 금속의 주요 과제로 간주되어왔다. 본 연구에서, 우리는 새로운 메탈 시스템, 생체 모방 기계적 특성뿐만 아니라 지속 방출 거동과 생리 활성 표면을 가지는 조밀화 된 다공성 금속 지지체의 제조 방법을 확립. 우리의 제조 방법의 주요한 장점은 1) 이미 개발 이전 동적 동결 주조법에 변화, 등 (28) 2) 중 하나의 파라미터도 제어 기계적 향상 및 다공성 생체 분자의 지속 방출 거동을 양립 치밀화 간 금속 지지체 3) 잠재적 인 응용 프로그램은 기능적으로 자료를 등급입니다.

조밀화 된 다공성 금속을 제조하기 위해 필요한 중요한 단계 중 하나는 두 가지 중요한 featu 보유 다공성 티타늄의 제조이다입술 : 1) 연성 생체 활성 분자와 기계적 성질의 방출 속도를 제어하는​​ 2) 높은 기공 상호로드 및 생체 분자를 방출. 그러나, 이전에 한정된 세공 상호...

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공개 사항

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부(MI, Korea)의 지원을 받아 기술혁신사업(계약과제 제0037915호, WPM Biomedical Materials-임플란트 재료)과 산업전략기술개발 사업(계약보조금 제10045329호, 뼈치환을 위한 다공성 구조 맞춤형 임플란트 개발), 그리고 BK21 PLUS 서울대학교 창의적 글로벌 리더 양성 재료분과(Contract grant No. 21A20131912052)를 참조하십시오.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
티타늄 분말Alfa Aesar#42624-325mesh, 99.5% (금속 기준)
CampheneSigmaAldrich#456055 95%, C10H16
KD-4Croda­Hypermer, 고분자 분산제
인산염 완충 용액 (PBS)WelgeneML 008-01­
녹색 형광 단백질(GFP)Genoss Co.->98% 순도, 1 mg/ml
볼 밀 오븐SAMHENUG ENERGYSH-BDO150­
동결건조기Ilshin Lab.PVTFD50A&수줍음;
냉간 등압 프레스(CIP) 기계SONGWON SYSTEMSCIP 42260­
진공 용광로JEONG MIN INDUSTRIALJM-HP20­
electical chaege 기계FANUC robocut0iB외부 사용
프레스 기계CG& SAJP-200&샤이;
컨포칼 레이저 스캐닝 분광법(CLSM)OlympusFluoView FV1000External use

참고문헌

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  33. Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. Fabrication of porous titanium scaffolds with high compressive strength using camphene-based freeze casting. Mater. Lett. 63 (17), 1502-1504 (2009).

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