Name: Produkcja mechanicznie przestrajalnych i bioaktywnych rusztowań metalowych do zastosowań biomedycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-08T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 56 s
Description: Poznaj metodę produkcji mechanicznie przestrajalnych rusztowań metalowych z tytanu do zastosowań biomedycznych. Prosty proces dynamicznego odlewu mrożonego umożliwia kontrolowane uwalnianie leków w implantach ortopedycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było wspierane przez Program Innowacji Technologicznych (Grant Kontraktowy nr 0037915, WPM Materiały Biomedyczne-Materiały Implantologiczne) oraz Przemysłowy Program Rozwoju Technologii Strategicznych (Grant Kontraktowy nr 10045329, Opracowanie niestandardowego implantu o porowatej strukturze do zastępowania kości), finansowane przez Ministerstwo Handlu, Przemysłu i Energii (MI, Korea), oraz BK21 PLUS SNU Materials Division for Educating Creative Global Leaders (Grant nr umowy. 21A20131912052).

1. Wytwarzanie porowatych rusztowań metalowych
<ol>
	<li>Przygotować zawiesiny Ti-kamphen poprzez zmieszanie dostępnego w handlu proszku Ti, kamphenu i KD-4 po odważeniu odpowiednich ilości materiałów, zgodnie z opisem w Tabeli 1 dla porowatych rusztowań Ti o czterech początkowych porowatościach (40, 50, 60 i 70). Przelać zawiesiny do polietylenowych (PE) butelek o pojemności 500 ml i obracać butelki w temperaturze 55 °C przez 30 min w piecu z mieszadłem kulowym przy 30 rpm.</li>
	<li>Przelać zawiesiny z butelek PE do cylindrycznych aluminiowych (Al) form o średnicy 60 mm i wysokości 60 mm. Zamknąć każdą formę Al odpowiednią przykrywką Al i obracać formy w piecu z mieszadłem kulowym z prędkością 30 rpm w temperaturze 55 °C przez 10 min.
	<ol>
		<li>Następnie obniżyć temperaturę pieca z mieszadłem kulowym do 44 °C i nieprzerwanie obracać formy z prędkością 30 rpm w stałej temperaturze 44 °C przez 12 hr.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyjąć formę z pieca z mieszadłem kulowym po dodatkowym obracaniu form w temperaturze pokojowej (RT) przez 1 hr w celu schłodzenia. Usunąć utwardzony „green body” tytanu/kamphenu z formy Al za pomocą aluminiowego tłoka.</li>
	<li>Umieścić utwardzony „green body” tytanu/kamphenu w gumowej torbie i całkowicie ją zamknąć, zawiązując wlot torby sznurkiem. Umieścić gumową torbę w zbiorniku wodnym maszyny do zimnego prasowania izostatycznego (CIP) i zastosować ciśnienie izostatyczne 200 MPa przez 10 min. Wyjąć sprasowany „green body” z gumowej torby.</li>
	<li>Przenieść „green body” Ti-kamphen do tyglowego naczynia z tlenku glinu i umieścić tygiel w liofilizatorze. Liofilizować „green body” w temperaturze - 40 °C przez 24 hr w celu sublimacji fazy kamphenu w materiale.</li>
	<li>Następnie zamknąć tygiel przykrywką z tlenku glinu i umieścić zamknięty tygiel w piecu próżniowym (poniżej 10-6 Torr) w temperaturze pokojowej (RT). Następnie zwiększyć temperaturę pieca do 1 300 °C z szybkością grzania 5 °C/min i utrzymać temperaturę 1 300 °C przez 2 hr.</li>
	<li>Po obróbce cieplnej pozostawić spieczony porowaty Ti w piecu przez 6-7 hr, aż piec całkowicie ostygnie do temperatury pokojowej (RT). 
	Uwaga: Podczas 6-godzinnego procesu chłodzenia średnia szybkość chłodzenia pieca powyżej 400 °C wynosi ~15 °C/min, a średnia szybkość chłodzenia pieca poniżej 400 °C wynosi ~2 °C/min.</li>
	<li>W razie potrzeby wyciąć z bloku spieczonego porowatego Ti próbki w kształcie dysków o średnicy 16 mm za pomocą obróbki elektroerozyjnej (EDM).27 
	Uwaga: W zależności od rozmiaru form Al rozmiar spieczonego porowatego Ti musi zostać zmodyfikowany w procesie obróbki (Rysunek 2A).</li>
	<li>Umieścić szklany zlew z próbkami porowatego Ti w autoklawie i sterylizować próbki w temperaturze 121 °C przez 15 min. Wyjąć próbki z autoklawu. Przemyć próbki porowatego Ti wodą destylowaną dwukrotnie, a następnie dwukrotnie 70% etanolem. Na koniec umieścić porowaty Ti w czarce Petriego i suszyć próbki na powietrzu w temperaturze pokojowej (RT) w komorze z laminarnym przepływem powietrza pod światłem UV.</li>
</ol>
2. Powlekanie rusztowań za pomocą metody dip coating czynnikami bioaktywnymi
<ol>
	<li>Rozcieńcz komercyjne białko zielonej fluorescencji (GFP) z 1 mg/ml do 100 μg/ml w komorze laminarnej, mieszając 1 ml GFP z 9 ml roztworu buforu fosforanowego Dulbecco (DPBS, pH 7.4) w sterylnym polistyrenowym (PS) probówce o pojemności 10 ml, zgodnie z Tabelą 1.</li>
	<li>Zanurz sterylizowany gęsty lub porowaty Ti w 10 ml rozcieńczonego roztworu GFP (100 µg/ml), umieszczając próbki Ti w probówce PS z roztworem GFP w RT w komorze laminarnej.</li>
	<li>Umieść probówkę PS w deskrypatorze próżniowym i odsysaj powietrze przez 10 min, aby zapewnić skuteczniejszą penetrację roztworu GFP w pory porowatego Ti.</li>
	<li>Wyjmij porowaty tytan z probówki PS za pomocą pęsety. Umieść porowaty Ti pokryty GFP w czalce Petri o średnicy 10 cm i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu O/N w RT w komorze laminarnej.</li>
	<li>Przepłucz porowaty Ti dwukrotnie 10 ml buforu fosforanowego Dulbecco (DPBS) w zlewce szklanej, a następnie przenieś porowaty Ti do czalki Petri o średnicy 10 cm za pomocą pęsety i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu w RT w komorze laminarnej.</li>
</ol>
3. Zagęszczanie rusztowań porowatych
<ol>
	<li>Umieść porowate próbki Ti powlekone GFP o różnych wysokościach w cylindrycznej stalowej matrycy, a następnie włóż zestaw przebijaków w górny i dolny otwór matrycy stalowej (Rycina 3A).</li>
	<li>S prasuj porowaty Ti wewnątrz zestawu z matrycą stalową w temperaturze RT w kierunku z próbki (Rycina 3A) przy użyciu prasy z pośrednimi prędkościami odkształcania od 0,05 do 0,1 sec-1, zgodnie z wcześniej określonymi wartościami odkształceń podanymi w Tabeli 2. Przed odciążeniem utrzymaj nacisk przez 1 min.</li>
	<li>Wyjmij zagęszczone próbki Ti z matrycy stalowej. Przemyj zagęszczone próbki dwukrotnie 10 ml DPBS w zlewce i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez noc (O/N) w temperaturze RT w komorze z laminarnym przepływem powietrza.</li>
</ol>
4. Test uwalniania z rusztowań powlekanych GFP
<ol>
	<li>Zanurz trzy rodzaje próbek (gęsty Ti powlekany GFP (po kroku 2), porowaty Ti powlekany GFP (po krokach 1 i 2) oraz zagęszczony Ti porowaty powlekany GFP (po krokach 1-3)) w 5 ml roztworu DPBS (pH 7.4) umieszczonego w 10 ml sterylnej probówce PS w temperaturze 37 °C w warunkach czystej strefy.</li>
	<li>Odsuń za pomocą ssaka cały roztwór DPBS z każdej probówki PS zawierającej próbkę powlekaną GFP i uzupełnij go nowymi 5 ml roztworu DPBS (pH 7.4) za pomocą pipety w ustalonych odstępach czasu: 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 i 29 dni po zanurzeniu.</li>
	<li>Wykonaj obrazy fluorescencyjne próbek powlekanych GFP przed zanurzeniem (dzień 0) oraz po 22 dniach zanurzenia, wykorzystując konfokalną spektroskopię skaningową (CLSM).</li>
	<li>Zmierz natężenie sygnału fluorescencji uwolnionego GFP w 1 ml roztworu pobranego z całkowitej objętości 5 ml roztworu DPBS z każdej probówki PS opisanej w sekcji 4.2, używając spektroskopii UV przy długości fali 215 nm. Przelicz wartość natężenia na stężenie roztworu GFP, korzystając z krzywej wzorcowej. 
	Uwaga: Przed pomiarem wyznacz krzywą wzorcową dla roztworu GFP, mierząc natężenie sygnału fluorescencji roztworu GFP w zakresie stężeń od 0 ng/ml do 10 µg/ml.</li>
</ol>
5. Wytwarzanie gradientowych porowatych rusztowań z Ti
<ol>
	<li>Przygotuj blok spiekanego porowatego Ti, powtarzając kroki od 1.1 do 1.7.</li>
	<li>Obrób metodą EDM blok spiekanego porowatego Ti zgodnie z wcześniej ustalonymi projektami struktury (np. Rycina 5a i 5d).</li>
	<li>Umieść obrobione próbki Ti o różnej wysokości w stalowej formie, w której średnica porowatego Ti jest o ok. 0,1 mm mniejsza od średnicy formy, a następnie włóż zestaw punktaków w górne i dolne otwory stalowej formy.</li>
	<li>Wykonaj kroki 3.2 i 3.3.</li>
</ol>
6. Pomiar porowatości rusztowań z Ti
<ol>
	<li>Zmierz masę (ms) rusztowań z Ti.</li>
	<li>Oblicz objętość pozorną (Vs), mierząc długość, szerokość i wysokość rusztowań z Ti.</li>
	<li>Oblicz porowatość, korzystając z poniższego równania: 
	  <img alt="Wzór na równowagę statyczną P=100(1−mS/VS)/ρTl. Przedstawienie równania." src="/files/ftp_upload/53279/53279eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> 
	gdzie P to całkowity procent porowatości, ρTi to gęstość teoretyczna tytanu, a mS/VS to zmierzona gęstość próbki. 
	Uwaga: Porowatość próbek z Ti można uzyskać bezpośrednio z obrazów microCT po przeprowadzeniu obrazowania za pomocą skanera mikrotomografii komputerowej.</li>
</ol>

<ol><li>Long, M., Rack, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Titanium+alloys+in+total+joint+replacement-a+materials+science+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective.</a> Biomaterials. 19 (18), 1621-1639 (1998).</li>
<li>Niinomi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+metallic+materials+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Metall.+Mater.+Trans.+A%22%5BJournal%5D)">Recent metallic materials for biomedical applications.</a> Metall. Mater. Trans. A. 33 (3), 477-486 (2002).</li>
<li>Frosch, K. H., Stürmer, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metallic+biomaterials+in+skeletal+repair%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Trauma%22%5BJournal%5D)">Metallic biomaterials in skeletal repair.</a> Eur. J. Trauma. 32 (2), 149-159 (2006).</li>
<li>Huiskes, R., Weinans, H., Van Rietbergen, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+stress+shielding+and+bone+resorption+around+total+hip+stems+and+the+effects+of+flexible+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Orthop.+Relat.+Res%22%5BJournal%5D)">The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials.</a> Clin. Orthop. Relat. Res. 274, 124-134 (1992).</li>
<li>Kanayama, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+biomechanical+investigation+of+the+stability+and+stress-shielding+effect+of+lumbar+interbody+fusion+devices%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosurg.+Spine%22%5BJournal%5D)">In vitro biomechanical investigation of the stability and stress-shielding effect of lumbar interbody fusion devices.</a> J. Neurosurg. Spine. 93 (2), 259-265 (2000).</li>
<li>Jung, H. -D., Kim, H. -E., Koh, Y. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+and+evaluation+of+porous+titanium+scaffolds+with+3-dimensional+periodic+macrochannels+coated+with+microporous+TiO2%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Production and evaluation of porous titanium scaffolds with 3-dimensional periodic macrochannels coated with microporous TiO2.</a> 135, 897-902 (2012).</li>
<li>Jones, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+bone+ingrowth+into+porous+biomaterials+using+MICRO-CT%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT.</a> Biomaterials. 28 (15), 2491-2504 (2007).</li>
<li>Li, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+ingrowth+in+porous+titanium+implants+produced+by+3D+fiber+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Bone ingrowth in porous titanium implants produced by 3D fiber deposition.</a> Biomaterials. 28 (18), 2810-2820 (2007).</li>
<li>Ahn, M. -K., Jo, I. -H., Koh, Y. -H., Kim, H. -E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+highly+porous+titanium+%28Ti%29+scaffolds+by+vacuum-assisted+foaming+of+titanium+hydride+%28TiH2%29+suspension%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Production of highly porous titanium (Ti) scaffolds by vacuum-assisted foaming of titanium hydride (TiH2) suspension.</a> Mater. Lett. 120 (1), 228-231 (2014).</li>
<li>Baas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+pretreating+morselized+allograft+bone+with+rhBMP-2+and%2For+pamidronate+on+the+fixation+of+porous+Ti+and+HA-coated+implants%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">The effect of pretreating morselized allograft bone with rhBMP-2 and/or pamidronate on the fixation of porous Ti and HA-coated implants.</a> Biomaterials. 29 (19), 2915-2922 (2008).</li>
<li>Peng, L., Bian, W. -G., Liang, F. -H., Xu, H. -Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implanting+hydroxyapatite-coated+porous+titanium+with+bone+morphogenetic+protein-2+and+hyaluronic+acid+into+distal+femoral+metaphysis+of+rabbits%5BTitle%5D)+AND+%22Chin.+J.+Traumatol.+%28English+Edition%29%22%5BJournal%5D)">Implanting hydroxyapatite-coated porous titanium with bone morphogenetic protein-2 and hyaluronic acid into distal femoral metaphysis of rabbits.</a> Chin. J. Traumatol. (English Edition). 11 (3), 179-185 (2008).</li>
<li>Reiner, T., Kababya, S., Gotman, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+incorporation+within+Ti+scaffold+for+bone+ingrowth+using+Sol-gel+SiO2+as+a+slow+release+carrier%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Sci.+-+Mater.+Med%22%5BJournal%5D)">Protein incorporation within Ti scaffold for bone ingrowth using Sol-gel SiO2 as a slow release carrier.</a> J. Mater. Sci. - Mater. Med. 19, 583-589 (2008).</li>
<li>Lee, J. H., Kim, H. E., Shin, K. H., Koh, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+the+strength+and+biocompatibility+of+porous+titanium+scaffolds+by+creating+elongated+pores+coated+with+a+bioactive%2C+nanoporous+TiO2+layer%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Improving the strength and biocompatibility of porous titanium scaffolds by creating elongated pores coated with a bioactive, nanoporous TiO2 layer.</a> Mater. Lett. 64, 2526-2529 (2010).</li>
<li>Li, J. C., Dunand, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+directionally+freeze-cast+titanium+foams%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of directionally freeze-cast titanium foams.</a> Acta Mater. 59 (1), 146-158 (2011).</li>
<li>Chino, Y., Dunand, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Directionally+freeze-cast+titanium+foam+with+aligned%2C+elongated+pores%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">Directionally freeze-cast titanium foam with aligned, elongated pores.</a> Acta Mater. 56 (1), 105-113 (2008).</li>
<li>Kim, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+porous+titanium+scaffold+with+controlled+porous+structure+and+net-shape+using+magnesium+as+spacer%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+C%22%5BJournal%5D)">Fabrication of porous titanium scaffold with controlled porous structure and net-shape using magnesium as spacer.</a> Mater. Sci. Eng. C. 33 (5), 2808-2815 (2013).</li>
<li>Brentel, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Histomorphometric+analysis+of+pure+titanium+implants+with+porous+surface+versus+rough+surface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Oral+Sci%22%5BJournal%5D)">Histomorphometric analysis of pure titanium implants with porous surface versus rough surface.</a> J. Appl. Oral Sci. 14 (3), 213-218 (2006).</li>
<li>Buser, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+surface+characteristics+on+bone+integration+of+titanium+implants.+A+histomorphometric+study+in+miniature+pigs%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Mater.+Res%22%5BJournal%5D)">Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs.</a> J. Biomed. Mater. Res. 25 (7), 889-902 (1991).</li>
<li>Cochran, D., Schenk, R., Lussi, A., Higginbottom, F., Buser, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bone+response+to+unloaded+and+loaded+titanium+implants+with+a+sandblasted+and+acid-etched+surface%3A+a+histometric+study+in+the+canine+mandible%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Mater.+Res%22%5BJournal%5D)">Bone response to unloaded and loaded titanium implants with a sandblasted and acid-etched surface: a histometric study in the canine mandible.</a> J. Biomed. Mater. Res. 40 (1), 1-11 (1998).</li>
<li>Young, D. R., Robb, R. A., Rock, M. G., Chao, E. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+periprosthetic+tissue+formation+around+a+porous+titanium+endoprosthesis+using+CT-based+spatial+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comput.+Assist.+Tomo%22%5BJournal%5D)">Analysis of periprosthetic tissue formation around a porous titanium endoprosthesis using CT-based spatial reconstruction.</a> J. Comput. Assist. Tomo. 18 (3), 461-468 (1994).</li>
<li>Spoerke, E. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+bioactive+titanium+foam+scaffold+for+bone+repair%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">A bioactive titanium foam scaffold for bone repair.</a> Acta Biomater. 1 (5), 523-533 (2005).</li>
<li>Jung, H. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+aligned+porous+Ti+scaffold+coated+with+bone+morphogenetic+protein-loaded+silica%2Fchitosan+hybrid+for+enhanced+bone+regeneration%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Mater.+Res.+Part+B+Appl.+Biomater%22%5BJournal%5D)">Highly aligned porous Ti scaffold coated with bone morphogenetic protein-loaded silica/chitosan hybrid for enhanced bone regeneration.</a> J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 102 (5), 913-921 (2013).</li>
<li>Ryan, G. E., Pandit, A. S., Apatsidis, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Porous+titanium+scaffolds+fabricated+using+a+rapid+prototyping+and+powder+metallurgy+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Porous titanium scaffolds fabricated using a rapid prototyping and powder metallurgy technique.</a> Biomaterials. 29 (27), 3625-3635 (2008).</li>
<li>Vasconcellos, L. M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Porous+titanium+scaffolds+produced+by+powder+metallurgy+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res%22%5BJournal%5D)">Porous titanium scaffolds produced by powder metallurgy for biomedical applications.</a> Mater. Res. 11 (3), 275-280 (2008).</li>
<li>Jung, H. D., Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+titanium+scaffolds+with+porosity+and+pore+size+gradients+by+sequential+freeze+casting%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fabrication of titanium scaffolds with porosity and pore size gradients by sequential freeze casting.</a> Mater. Lett. 63 (17), 1545-1547 (2009).</li>
<li>Jung, H. -D., Jang, T. -S., Wang, L., Kim, H. -E., Koh, Y. -H., Song, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+strategy+for+mechanically+tunable+and+bioactive+metal+implants%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants.</a> Biomaterials. 37, 49-61 (2015).</li>
<li>Tarng, Y. S., Ma, S. C., Chung, L. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+optimal+cutting+parameters+in+wire+electrical+discharge+machining%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Mach.+Tools+Manufact%22%5BJournal%5D)">Determination of optimal cutting parameters in wire electrical discharge machining.</a> Int. J. Mach. Tools Manufact. 35 (12), 1693-1701 (1995).</li>
<li>Jung, H. -D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+Freeze+Casting+for+the+Production+of+Porous+Titanium+%28Ti%29+Scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+C%22%5BJournal%5D)">Dynamic Freeze Casting for the Production of Porous Titanium (Ti) Scaffolds.</a> Mater. Sci. Eng. C. 33 (1), 59-63 (2013).</li>
<li>Lee, J. -H., Kim, H. -E., Shin, K. -H., Koh, Y. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+the+strength+and+biocompatibility+of+porous+titanium+scaffolds+by+creating+elongated+pores+coated+with+a+bioactive%2C+nanoporous+TiO2%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Improving the strength and biocompatibility of porous titanium scaffolds by creating elongated pores coated with a bioactive, nanoporous TiO2.</a> Mater. Lett. 64 (22), 2526-2529 (2010).</li>
<li>Jung, H. -D., Yook, S. -W., Kim, H. -E., Koh, Y. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+titanium+scaffolds+with+porosity+and+pore+size+gradients+by+sequential+freeze+casting%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fabrication of titanium scaffolds with porosity and pore size gradients by sequential freeze casting.</a> Mater. Lett. 63 (17), 1545-1547 (2009).</li>
<li>Yook, S. -W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reverse+freeze+casting%3A+A+new+method+for+fabricating+highly+porous+titanium+scaffolds+with+aligned+large+pores%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">Reverse freeze casting: A new method for fabricating highly porous titanium scaffolds with aligned large pores.</a> Acta Biomater. 8 (6), 2401-2410 (2012).</li>
<li>Yook, S. W., Yoon, B. H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Kim, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Porous+titanium+%28Ti%29+scaffolds+by+freezing+TiH2%2Fcamphene+slurries%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Porous titanium (Ti) scaffolds by freezing TiH2/camphene slurries.</a> Mater. Lett. 62 (30), 4506-4508 (2008).</li>
<li>Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+porous+titanium+scaffolds+with+high+compressive+strength+using+camphene-based+freeze+casting%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fabrication of porous titanium scaffolds with high compressive strength using camphene-based freeze casting.</a> Mater. Lett. 63 (17), 1502-1504 (2009).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podczas gdy systemy biometaliczne są szeroko stosowane w zastosowaniach biomedycznych, w szczególności jako materiały nośne, wysoka sztywność i niska bioaktywność metali są uważane za główne wyzwania. W tym badaniu ustaliliśmy metodę wytwarzania nowego systemu metalowego, zagęszczonego porowatego rusztowania metalowego, które ma biomimetyczne właściwości mechaniczne, a także bioaktywną powierzchnię o zrównoważonym uwalnianiu. Do głównych zalet naszej metody wytwarzania należą: 1) brak zmian w poprzedniej metodzie dynamic...

Podczas gdy metaliczne biomateriały były szeroko stosowane jako implanty nośne i wewnętrzne urządzenia mocujące ze względu na ich doskonałą wytrzymałość mechaniczną i odporność,1-3 wiążą się one z dwoma krytycznymi wyzwaniami: 1) niedopasowanie mechaniczne, ponieważ metale są znacznie sztywniejsze niż tkanki biologiczne, powodując niepożądane uszkodzenia otaczających tkanek i 2) niska bioaktywność, która często skutkuje słabym interfejsem z tkankami biologicznymi, często wywołujące reakcje na ciała obce (np. zapalenie lub zakrzepicę). 4-6 Zaproponowano porowate metalowe rusztowania, które sprzyjają wrastaniu kości w struktury, poprawiając kontakt kości z implantem, podczas gdy efekty tarczy antystresowej są tłumione ze względu na ich zmniejszoną sztywność. 7-9 Ponadto zastosowano różne modyfikacje powierzchni w celu zwiększenia aktywności biologicznej implantów metalowych; Takie modyfikacje obejmują powlekanie powierzchni metalu cząsteczkami bioaktywnymi (np. czynnikami wzrostu) lub lekami (np. wankomycyną, tetracykliną). 10-12 Jednak problemy, takie jak obniżone właściwości mechaniczne porowatych rusztowań metalowych, zmniejszona sztywność i szybkie uwalnianie bioaktywnych warstw powłoki, pozostają nierozwiązane. 13-16
W szczególności, tytan (Ti) i stopy Ti są jednymi z najbardziej popularnych systemów biometalowych ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne, stabilność chemiczną i dobrą biokompatybilność. 13,17-19 Ich zastosowania w kształcie pianki również cieszą się rosnącym zainteresowaniem, ponieważ porowate sieci 3D sprzyjają wrastaniu kości, a także właściwościom mechanicznym podobnym do kości. 20-22 Podjęto wysiłki w celu poprawy właściwości mechanicznych poprzez opracowanie nowych technik wytwarzania, w tym replikacji gąbki polimerowej, spiekania cząstek metalu, metody szybkiego prototypowania (RP) i metody utrzymywania przestrzeni w celu kontrolowania różnych cech porów (np. frakcji porów, kształtu, rozmiaru, rozmieszczenia i łączności) oraz właściwości materiału (np. fazy metalicznej i zanieczyszczeń). 23-25 Ostatnio odlewanie przez mrzonkę zawiesiny metalowej na bazie wody zyskało znaczną uwagę w celu uzyskania mechanicznie wzmocnionych form Ti z dobrze wyrównanymi strukturami porów poprzez wykorzystanie jednokierunkowego wzrostu dendrytów lodowych podczas krzepnięcia; jednak zanieczyszczenie tlenem spowodowane kontaktem proszków metali z wodą wymaga szczególnej ostrożności, aby zminimalizować kruchość rusztowań Ti. 14,15
Dlatego opracowaliśmy nowe podejście do produkcji bioaktywnych i mechanicznie przestrajalnych porowatych rusztowań Ti. 25 Rusztowania mają początkowo porowate struktury o porowatości przekraczającej 50%. Wytworzone porowate rusztowania pokryto bioaktywnymi cząsteczkami, a następnie sprasowano za pomocą prasy mechanicznej, podczas której zastosowana porowatość była kontrolowana przez zastosowane odkształcenie, porowatość końcową, właściwości mechaniczne i zachowanie uwalniania leku. Zagęszczone, porowate implanty Ti wykazały niską porowatość przy dobrej wytrzymałości pomimo niskiej sztywności porównywalnej z sztywnością kości (3-20 GPa). 2 Ze względu na warstwę powłoki bioaktywność zagęszczonego porowatego Ti uległa znacznej poprawie. Co więcej, ze względu na unikalne struktury płaskich porów wywołane procesem zagęszczenia, zaobserwowano, że powlekane cząsteczki bioaktywne są stopniowo uwalniane z rusztowania, utrzymując swoją skuteczność przez dłuższy czas.
W tym badaniu przedstawiliśmy naszą sprawdzoną metodę wytwarzania gęstych porowatych rusztowań Ti do potencjalnego zastosowania w zastosowaniach biomedycznych. Protokół obejmuje dynamiczne zamrażanie odlewania z zawiesinami metalowymi oraz zagęszczanie porowatych rusztowań. Po pierwsze, aby wytworzyć porowate rusztowania Ti o dobrej ciągliwości, wprowadzono metodę dynamicznego odlewania przez zamrażanie, jak pokazano na rysunku 1A. Proszek Ti zdyspergowano w płynnym kamfenie; następnie, poprzez obniżenie temperatury, faza ciekła została zestalona, w wyniku czego nastąpiło rozdzielenie faz między siecią proszku Ti a stałymi kryształami kamfenu. Następnie zestalony zielony korpus Ti-kamfenu został spiekany, w którym proszki Ti zostały skondensowane za pomocą ciągłych rozpórek Ti, a faza kamfenowa została całkowicie usunięta, aby uzyskać porowatą strukturę. Zastosowano proces powlekania i zagęszczania uzyskanymi rusztowaniami porowatymi, zmieniając stopień zagęszczenia i porowatość początkową. Warstwę powłoki i jej zachowanie podczas uwalniania zwizualizowano i określono ilościowo przy użyciu porowatego Ti pokrytego zielonym białkiem fluorescencyjnym (GFP) z gęstością i bez gęstości w porównaniu z gęstym Ti pokrytym GFP. Na koniec zaproponowano funkcjonalnie stopniowane rusztowania Ti, które mają dwie różne porowate struktury, które zademonstrowano poprzez zmianę stopnia zagęszczenia wewnętrznej i zewnętrznej części porowatych rusztowań.

<table><tbody><tr><td>Tytan w proszku</td><td>Alfa Aesar</td><td>#42624-325</td> <td>siatka, 99,5% (na bazie metali)</td></tr><tr><td>Camphene</td><td>SigmaAldrich</td><td>#456055</td><td>95%, C10H16</td></tr><tr><td>KD-4</td><td>Croda</td><td>&shy;</td><td>Hipermer, polimerowy środek dyspergujący</td></tr><tr><td>Bufor fosforanowy (PBS)</td><td>Welgene</td><td>ML 008-01</td><td>&shy;</td></tr><tr><td>Białko zielonej fluorescencji (GFP)</td><td>Genoss Co.</td><td>-</td><td>>98% czystości, 1 mg/ml</td></tr><tr><td>Młyn kulowy</td><td>SAMHENUG ENERGY</td><td>SH-BDO150</td><td>&shy;</td></tr><tr><td>Liofilizator</td><td>Ilshin Lab.</td><td>PVTFD50A</td><td>&nieśmiały;</td></tr><tr><td>Maszyna do prasowania izostatycznego na zimno ()</td><td>SONGWON SYSTEMS</td><td>42260</td><td>&shy;</td></tr><tr><td>Piec próżniowy</td><td>JEONG MIN INDUSTRIAL</td><td>JM-HP20</td><td>&shy;</td></tr><tr><td>elektryczna maszyna do prasowania</td><td>FANUC robocut</td><td>0iB</td><td>Do zastosowań zewnętrznych</td></tr><tr><td>Prasa</td><td>CG& S</td><td>AJP-200</td><td>&nieśmiały;</td></tr><tr><td>Konfokalna laserowa spektroskopia skaningowa (CLSM)</td><td>Olympus</td><td>FluoView FV1000</td><td>Do użytku zewnętrznego</td></tr></tbody></table>

produkcja mechanicznie przestrajalnych i bioaktywnych rusztowań metalowych do zastosowań biomedycznych

Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

Systemy biometalowe są szeroko stosowane w zastosowaniach biomedycznych, w szczególności jako materiały nośne. Jednak głównymi wyzwaniami są wysoka sztywność i niska bioaktywność metali. W tym badaniu opracowaliśmy nową metodę wytwarzania nowego typu bioaktywnych i mechanicznie niezawodnych porowatych rusztowań metalowych - zagęszczonych porowatych rusztowań Ti. Metoda składa się z dwóch procesów wytwarzania, 1) wytwarzania porowatych rusztowań Ti poprzez dynamiczne odlewanie zamrażalne oraz 2) powlekania i zagęszczania porowatych rusztowań. Metoda dynamicznego odlewania zamrażalnego w celu wytwarzania porowatych rusztowań Ti pozwoliła na zagęszczenie porowatych rusztowań poprzez zminimalizowanie zanieczyszczenia chemicznego i wad strukturalnych. Proces zagęszczenia jest charakterystyczny z trzech powodów. Po pierwsze, proces zagęszczenia jest prosty, ponieważ wymaga kontroli tylko jednego parametru (stopnia zagęszczenia). Po drugie, jest skuteczny, ponieważ zapewnia mechaniczne wzmocnienie i zrównoważone uwalnianie biomolekuł z porowatych rusztowań. Po trzecie, ma szerokie zastosowanie, ponieważ ma również zastosowanie do wytwarzania funkcjonalnie stopniowanych rusztowań porowatych za pomocą przestrzennie zróżnicowanych odkształceń podczas zagęszczania.

Proces wytwarzania wykorzystany do produkcji porowatych rusztowań z Ti został przedstawiony na Rysunku 1A. Proszek Ti utrzymuje się w stanie jednorodnej dyspersji w kamphenie poprzez ciągłe obracanie pojemnika w temperaturze 44 °C przez 12 hr, co pozwala zminimalizować osadzanie się względnie ciężkiego proszku Ti podczas pełnego krzepnięcia ciekłego kamphenu. W rezultacie, wykorzystując proces dynamicznego odlewania mrozowego, otrzymano jednorodny prefabrykat (green body) Ti-kamphen, jak pokazano na <str...

Bioaktywne i mechanicznie niezawodne rusztowania metalowe zostały wyprodukowane metodą składającą się z dwóch procesów, dynamicznego odlewania zamrażalnego w celu wytworzenia porowatego Ti oraz powlekania i zagęszczenia rusztowań Ti. Proces zagęszczania jest prosty, skuteczny i ma zastosowanie do wytwarzania rusztowań o stopniu funkcjonalnym.

Produkcja mechanicznie przestrajalnych i bioaktywnych rusztowań metalowych do zastosowań biomedycznych

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness ...

Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie mechanicznie regulowanych i bioaktywnych rusztowań metalowych do zastosowań biomedycznych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie implantów ortopedycznych, takie jak możliwość zastosowania mechanicznie regulowanego rusztowania metalowego zdolnego do dostarczania leków. Ta metoda gentryfikacji jest prosta, ponieważ wymaga jedynie jednej kontroli.Parametry te zapewniają zarówno wzmocnienie mechaniczne, jak i zrównoważone uwalnianie leku, a także umożliwiają wytwarzanie funkcjonalnych struktur porowatych. W pierwszej kolejności wymieszać odpowiednie ilości proszku tytanowego, kofeiny i KD 4 w celu przygotowania porowatych rusztowań tytanowych o czterech początkowych poziomach porowatości w polietylenowych butelkach o pojemności 500 ml. Butelki należy obracać w piecu z młynem kulowym z prędkością 30 RPM w temperaturze 55 °C przez 30 minut. Następnie przelać zawiesiny z butelek polietylenowych do cylindrycznych form aluminiowych o średnicy i wysokości 60 mm.Po zamknięciu każdej aluminiowej formy aluminiową płytką przykrywkową, rotuj formy w piecu do młyna kulowego z prędkością 30 RPM w temperaturze 55 °C

fabrication-mechanically-tunable-bioactive-metal-scaffolds-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Przedstawiamy dwa procesy mikrofabrykacji porowatych polimerowych chipów do trójwymiarowej hodowli komórek. Pierwszy z nich to tłoczenie na gorąco w połączeniu z procesem spawania oparami rozpuszczalnika. Drugi wykorzystuje niedawno opracowany proces mikrotermoformowania w połączeniu z technologią śladów jonowych, co prowadzi do znacznego uproszczenia produkcji.

Mikrofabrykacja rusztowań w skali chipa do trójwymiarowej hodowli komórek

W tym filmie zademonstrujemy techniki modyfikacji porowatych metalowych implantów w celu poprawy ich funkcjonalności i kontroli migracji komórek. Techniki obejmują opracowywanie gradientów porów w celu kontrolowania ruchu komórek w 3D oraz wytwarzanie naśladowców błony podstawnej w celu kontrolowania ruchu komórek w 2D. Opisano również opartą na HPLC metodę monitorowania integracji implantów in vivo poprzez analizę białek krwi.

Wieloskalowa modyfikacja implantów metalowych z gradientami porów, polielektrolitami i ich pośrednie monitorowanie in vivo

Mieszanie to efektywne podejście do generowania biomateriałów o szerokim zakresie właściwości i połączonych cechach. Przewidując interakcje molekularne między różnymi naturalnymi białkami jedwabiu, można zaprojektować nowe platformy ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu o regulowanej odporności mechanicznej, reakcji elektrycznej, przezroczystości optycznej, przetwarzalności chemicznej, biodegradowalności lub stabilności termicznej.

Projektowanie materiałów ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu do zastosowań biomedycznych

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania elektroprzędzonych rusztowań z nanowłókien o stopniowanej organizacji włókien i badamy ich zastosowania w regulacji morfologii/orientacji komórek. Gradienty w odniesieniu do właściwości fizycznych i chemicznych rusztowań z nanowłókien oferują szeroką gamę zastosowań w dziedzinie biomedycyny.

Rusztowania z nanowłókien elektroprzędzonych z gradacją w organizacji włókien

Interesujące są rusztowania zdolne do dopasowania się do ubytków kostnych czaszkowo-szczękowo-twarzowych (CMF), wykazując jednocześnie osteoprzewodnictwo i bioaktywność. Protokół ten opisuje przygotowanie rusztowania z pamięcią kształtu na bazie dikrylanu polikaprolaktonu (PCL-DA) przy użyciu metody odlewania rozpuszczalnikiem i ługowania cząstek stałych (SCPL) z wykorzystaniem stopionej matrycy solnej i nałożeniu bioaktywnej powłoki polidopaminowej .

Produkcja bioaktywnego, opartego na PCL "samodopasowanego" rusztowania polimerowego z pamięcią kształtu

Innowacyjna technika biofabrykacji została opracowana w celu inżynierii trójwymiarowych konstrukcji, które przypominają cechy architektoniczne, komponenty i właściwości mechaniczne tkanki in vivo. Technika ta wykorzystuje nowo opracowany materiał protektorowy, kauczuk BSA, który przenosi szczegółowe cechy przestrzenne, odtwarzając architekturę in vivo szerokiej gamy tkanek.

Trójwymiarowa technologia biomimetyczna: nowatorski biokauczuk tworzy zdefiniowane architektury w mikro i makroskali w hydrożelach kolagenowych

W tej pracy, rusztowania z poli(kwasu mlekowego)/glikolu polietylenowego (PLA/PEG) zostały przygotowane przy użyciu kombinacji mieszania stopionego i selektywnego ługowania. Omawiana tu metoda pozwoliła na opracowanie rusztowań trójwarstwowych poprzez ścisłą kontrolę zarówno porowatości, jak i wielkości porów. Właściwości mechaniczne oceniano również w środowisku fizjologicznym.

Łatwa i przyjazna dla środowiska metoda wytwarzania rusztowań z poli(kwasu mlekowego) o stopniowanej wielkości porów

Ten protokół służy jako kompleksowa wytyczna do wytwarzania rusztowań za pomocą elektroprzędzenia z polimerami stopionymi w trybie bezpośredniego zapisu. Systematycznie nakreślamy proces i definiujemy odpowiednie ustawienia parametrów w celu osiągnięcia docelowych architektur rusztowań.

Zapis elektroprzędzenia ze stopu trójwymiarowych rusztowań poli(ε-kaprolaktonu) z kontrolowanymi morfologiami do zastosowań w inżynierii tkankowej

Bezkomórkowe rusztowania pochodzące z chrząstki mogą być używane jako rusztowanie do naprawy chrząstki i jako środek do regeneracji tkanki kostno-chrzęstnej. W artykule szczegółowo opisano proces decelularyzacji i przedstawiono sugestie dotyczące wykorzystania tych rusztowań w warunkach in vitro.

Wytwarzanie bezkomórkowych rusztowań matrycowych pochodzących z chrząstki

Ten protokół opisuje produkcję filamentu polikaprolaktonu (PCL) z wbudowanymi mikrosferami kwasu polimlekowego (PLA), które zawierają matryce decelularyzowane (DM) do druku 3D strukturalnych konstrukcji inżynierii tkankowej.

Nowatorski proces druku 3D matryc bezkomórkowych

Polerowanie plazmowe to obiecująca technologia obróbki powierzchni, szczególnie odpowiednia do druku 3D porowatych elementów ze stopu tytanu. Może usuwać częściowo stopione proszki i ablacyjne warstwy tlenku, skutecznie zmniejszając w ten sposób chropowatość powierzchni i poprawiając jakość powierzchni.

Polerowanie plazmowe jako nowa opcja polerowania w celu zmniejszenia chropowatości powierzchni porowatego stopu tytanu do druku 3D

Poznaj metodę produkcji mechanicznie przestrajalnych rusztowań metalowych z tytanu do zastosowań biomedycznych. Prosty proces dynamicznego odlewu mrożonego umożliwia kontrolowane uwalnianie leków w implantach ortopedycznych.

Produkcja mechanicznie przestrajalnych i bioaktywnych rusztowań metalowych do zastosowań biomedycznych

Przeglądaj więcej filmów