Fabricação de Mecanicamente Tunable e Bioativos metal andaimes para aplicações biomédicas
8 de dezembro de 2015
Andaimes metálicos bioativos e mecanicamente confiáveis foram fabricados por meio de um método que consiste em dois processos, fundição por congelamento dinâmico para a fabricação de Ti poroso e revestimento e densificação dos andaimes de Ti. O processo de densificação é simples, eficaz e aplicável à fabricação de andaimes funcionalmente classificados.
O objetivo geral deste procedimento é fabricar estruturas metálicas mecanicamente ajustáveis e bioativas para aplicações biomédicas. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de implantes ortopédicos, como a viabilidade de uma estrutura metálica mecanicamente ajustável capaz de liberar medicamentos. Este método de fabricação é simples porque requer apenas um controle.
Os parâmetros alcançam tanto a melhoria mecânica quanto a liberação sustentável de fármacos e são capazes de fabricar funcionalidades criadas em por oid. Primeiro, misture as quantidades apropriadas de pó de titânio, cafeína e KD quatro para obtenção de estruturas de titânio poroso com quatro porosidades iniciais em frascos de polietileno de 500 mililitros. Gire os frascos em um moinho de bolas em forno a uma velocidade de 30 RPM a 55 graus Celsius por 30 minutos. Despeje as suspensões dos frascos de polietileno em moldes cilíndricos de alumínio com diâmetro e altura de 60 milímetros.
Após selar cada molde de alumínio com uma lamínula de alumínio, gire os moldes em um forno de moinho de bolas a uma velocidade de 30 RPM a 55 graus Celsius por 10 minutos. Em seguida, reduza a temperatura do forno de moinho de bolas para 44 graus Celsius e continue girando os moldes a uma velocidade de 30 RPM a 44 graus Celsius por 12 horas. Após resfriar os moldes mediante rotação à temperatura ambiente por uma hora, remova-os do forno de moinho de bolas.
Em seguida, remova o corpo verde solidificado de cafeína com titânio de cada molde de alumínio utilizando um êmbolo de alumínio. Após isso, coloque o corpo verde solidificado de cafeína com titânio em um saco de borracha e feche completamente o saco amarrando-o com um barbante.
Coloque o saco de borracha em um tanque de água de uma prensa isostática a frio e aplique uma pressão isostática de 200 megapascals por 10 minutos. Após remover o saco de borracha da máquina, retire o corpo verde comprimido do saco de borracha. Transfira o corpo verde de cafeína de titânio para um cadinho Illumina.
Coloque o cadinho em uma máquina de liofilização e liofilize o corpo verde para sublimar a fase de cafeína a menos 40 graus Celsius por 24 horas. Após a liofilização, feche o cadinho com uma lamínula Illumina. Coloque o cadinho fechado em um forno a vácuo à temperatura ambiente.
Em seguida, aumente a temperatura do forno até 1300 graus Celsius a uma taxa de aquecimento de cinco graus Celsius por minuto. As amostras de corpo verde secas ao ar geralmente são frágeis e podem colapsar. É necessário ter cuidado extra durante o manuseio.
Após manter a temperatura em 1300 graus Celsius por duas horas, mantenha o titânio poroso centralizado no forno por seis a sete horas até que o forno seja completamente resfriado até a temperatura ambiente. Uma vez que as amostras tenham sido retiradas do forno, usine as amostras para obter espécimes menores e transfira-as para um béquer de vidro. Coloque o béquer em uma autoclave e esterilize as amostras a 121 graus Celsius por 15 minutos.
Quando terminado, lave as amostras esterilizadas duas vezes com água destilada e duas vezes com etanol a 70%. Em seguida, coloque o titânio poroso em uma placa de Petri e seque as amostras ao ar à temperatura ambiente sob luz ultravioleta. Neste ponto, dilua a proteína verde fluorescente ou GFP até 100 microgramas por mililitro, misturando um mililitro com nove mililitros de solução salina tamponada com fosfato ECCOs em um tubo de poliestireno esterilizado de 50 mililitros. Mergulhe o titânio poroso na solução diluída de GFP à temperatura ambiente.
Em seguida, coloque imediatamente a amostra em um dessecador a vácuo e aplique vácuo no dessecador por 10 minutos. Para garantir uma melhor penetração da solução de GFP nos poros do titânio poroso, remova o béquer de vidro do dessecador. Em seguida, remova o titânio poroso do béquer de vidro utilizando pinças.
Coloque o titânio poroso revestido com GFP em uma placa de Petri de 10 centímetros de diâmetro e deixe secar ao ar durante a noite à temperatura ambiente em uma bancada limpa no dia seguinte; enxágue o titânio poroso duas vezes com 10 mililitros de solução salina tamponada com fosfato ECCOs em um frasco de vidro. Em seguida, coloque o titânio poroso em uma placa de Petri de 10 centímetros de diâmetro usando pinças e deixe secar ao ar durante a noite à temperatura ambiente em uma bancada limpa. A seguir, posicione as amostras de titânio poroso revestido com GFP com diferentes alturas em um molde cilíndrico de aço e insira um conjunto de punções nos orifícios superior e inferior do molde de aço.
Comprima o titânio poroso dentro do conjunto de molde de aço à temperatura ambiente na direção Z da amostra. Utilize uma prensa em taxas de deformação intermediárias de 0,05 a 0,1 segundos inversos contra as deformações aplicadas predeterminadas. Mantenha a pressão por um minuto.
Remova o molde da prensa. Coloque o anel de aço sobre a base do corpo do molde e retorne o molde à prensa. Após inverter o molde, aplique pressão lentamente até que o êmbolo empurre as amostras densificadas para fora do furo D e remova o molde da prensa.
Remova as amostras de titânio densificadas do molde de aço. Por fim, lave as amostras densificadas duas vezes com 10 mililitros de solução salina tamponada com fosfato ECCOs em um béquer e seque ao ar durante a noite à temperatura ambiente sobre uma bancada limpa. A estrutura porosa do titânio obtida por moldagem por congelamento convencional mostra alinhamento direcional dos poros com poros de formato irregular devido ao crescimento dendrítico da cafeína.
Durante o congelamento da amostra a partir do processo de moldagem por congelamento dinâmico, observam-se poros quase esféricos com distribuição aleatória; a forma dos poros se torna achatada à medida que o grau de densificação aumenta, e os poros quase desaparecem na maior densificação, pois poros vizinhos entram em contato uns com os outros. Quatro espécimes com diferentes porosidades apresentam alturas iniciais distintas antes da densificação e alturas quase idênticas após a densificação. Tanto os implantes quanto o titânio poroso apresentaram liberação rápida de GFP, com um efeito inicial de pico, sendo a maior parte liberada dentro de uma semana.
O titânio poroso densificado mostra liberação contínua por até um mês, evidenciando claramente GFP na superfície mesmo após um mês. Para a estrutura com núcleo mais denso, a parte externa foi encurtada por usinagem mecânica. A imagem de micro-TC após a densificação seletiva da parte interna mais elevada mostra as partes interna e externa da estrutura com diferentes porosidades; o titânio poroso com partes externa mais alta e interna mais baixa resulta em uma parte externa mais densa após a densificação, na qual a porosidade da parte externa foi reduzida, enquanto a parte interna manteve a porosidade inicial preservada Uma vez dominado.
Essa técnica pode ser realizada em 72 horas se for executada corretamente após um desenvolvimento. Essa técnica abriu caminho para pesquisadores na área de biomateriais explorarem a viabilidade de fabricar uma metálogo com propriedades mecânicas dinâmicas e relacionada a medicamentos para o tratamento de lesões na medula espinhal. As implicações dessa técnica estenderam-se à terapia de lesões na medula espinhal, pois a estrutura produzida pode atuar como substituição artificial de disco com liberação controlada de medicamentos.
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Visão Geral
Este estudo apresenta um método para fabricar estruturas metálicas bioativas e com ajuste mecânico para aplicações biomédicas. A abordagem combina a fundição por congelamento dinâmico e um processo simples de densificação para criar estruturas porosas de titânio capazes de liberar fármacos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Engenharia Biomédica
- Implantes Ortopédicos
- Ciência dos Materiais
Contexto
- Os esqueletos metálicos são essenciais para diversas aplicações biomédicas.
- A capacidade de ajuste mecânico e a bioatividade são fundamentais para implantes ortopédicos.
- As capacidades de liberação de fármacos nos esqueletos podem melhorar os resultados terapêuticos.
- Os métodos existentes podem carecer de simplicidade e eficácia na fabricação de esqueletos.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para criar estruturas metálicas com propriedades mecânicas ajustáveis.
- Investigar a viabilidade da liberação de fármacos por meio dessas estruturas.
- Simplificar o processo de fabricação, ao mesmo tempo que melhora as propriedades mecânicas.
Métodos Utilizados
- Mistura de pó de titânio, cafeína e KD para scaffolds porosos.
- Uso de moinho de bolas para homogeneização em temperatura e velocidade controladas.
- Colocação de barbotinas em moldes cilíndricos para moldagem.
- Aplicação de solidificação por congelamento dinâmico para formação do scaffold.
Resultados Principais
- Produziu com sucesso scaffolds de titânio porosos com porosidades variadas.
- Demonstrou melhoria mecânica por meio do processo de densificação.
- Mostrou potencial para capacidades de liberação sustentável de fármacos.
- Validou a aplicabilidade do método para scaffolds funcionalmente graduados.
Conclusões
- O método proposto é eficaz para a criação de estruturas metálicas bioativas.
- A ajustabilidade mecânica pode ser alcançada com um processo simples.
- Essa abordagem abre novas perspectivas para o desenvolvimento de implantes ortopédicos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Esqueletos metálicos mecanicamente ajustáveis e bioativos resolvem um desafio crítico no desenvolvimento de implantes ortopédicos, ao permitir tanto suporte para carga quanto liberação controlada de biomoléculas. Este método de fabricação oferece uma abordagem simplificada para gerar esqueletos porosos de titânio com propriedades mecânicas personalizáveis e perfis de liberação sustentada, impactando diretamente o desenvolvimento inicial de dispositivos e a pesquisa translacional. A capacidade de controlar espacialmente a densificação do esqueleto sustenta decisões de portfólio ajustadas ao risco para dispositivos implantáveis de nova geração.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação das propriedades mecânicas do suporte relevantes para ambientes-alvo ortopédicos.
- Apóia a validação funcional da liberação de substâncias bioativas a partir de superfícies de implantes.
- Facilita a redução de riscos mecanicistas ao permitir controle preciso sobre a porosidade e a cinética de liberação de fármacos.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Oferece sistemas padronizados de titânio poroso para testes reprodutíveis in vitro e ex vivo.
- Permite avaliação quantitativa do reforço mecânico e dos perfis de liberação de biomoléculas.
- Permite escalonamento e reutilização da plataforma para triagem de compostos ou biológicos em contextos de implantes.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha as propriedades do andame com modelos ortopédicos relevantes para doenças, permitindo avaliação pré-clínica.
- Permite continuidade do descobrimento até a validação pré-clínica, apoiando tanto pontos finais mecânicos quanto bioativos.
- Reduz o risco de translação ao demonstrar liberação sustentada de biomoléculas e confiabilidade mecânica em uma única plataforma.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este método se integra ao continuum de descoberta a pré-clínico para o desenvolvimento de dispositivos em medicina ortopédica e regenerativa.
- Biologia da Descoberta: Apoia testes de hipóteses para entrega de fármacos mediada por scaffolds e adaptação mecânica.
- Triagem: Fornece scaffolds reprodutíveis e ajustáveis para avaliação comparativa de bioatividade e desempenho mecânico.
- Análises: Permite medição quantitativa de porosidade, densificação e cinética de liberação para tomada de decisões baseada em dados.
- Pesquisa Translacional: Conecta a descoberta inicial e a validação pré-clínica ao alinhar as propriedades dos scaffolds com requisitos clínicos.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma modular de fabricação adaptável a diversas aplicações de implantes e entrega de fármacos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva no desempenho do scaffold e na liberação de agentes bioativos.
- Valor Operacional: Simplifica a fabricação com densificação de parâmetro único e minimiza o risco de contaminação.
- Valor Estratégico: Permite decisões eficientes de prosseguir/não prosseguir para candidatos a implante com propriedades ajustáveis.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco de programas de dispositivos e produtos combinados.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em ciência dos materiais e técnicas de fabricação de estruturas tridimensionais.
- Necessita de acesso à infraestrutura de moldagem por congelamento dinâmico, prensagem isostática e forno a vácuo.
- Exige padronização entre equipes para protocolos de porosidade, densificação e revestimentos bioativos.
- Adaptável a diversos sistemas modelo mediante ajuste da geometria da estrutura tridimensional e dos parâmetros de densificação.
- As limitações incluem a fragilidade dos corpos verdes durante o manuseio e a garantia de distribuição uniforme de biomoléculas.
