Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление механически перестраиваемых и биологически активных металлов строительные леса для биомедицинских применений

10.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53279

⸱

8 декабря 2015 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Биоактивные и механически надежные металлические каркасы были изготовлены с помощью метода, который состоит из двух процессов: динамического литья в сублимационной форме для изготовления пористого титана и покрытия и уплотнения каркасов из титана. Процесс уплотнения прост, эффективен и применим для изготовления функционально градуированных каркасов.

Аннотация

Биометаллические системы широко используются в биомедицинских целях, в частности, в качестве несущих материалов. Однако основными проблемами являются высокая жесткость и низкая биологическая активность металлов. В данном исследовании мы разработали новый метод изготовления нового типа биоактивных и механически надежных каркасов из пористого металла – уплотненных пористых каркасов из титана. Метод состоит из двух процессов изготовления: 1) изготовления пористых титановых скаффолдов методом динамического литья в условиях сублимационного литья и 2) нанесения покрытия и уплотнения пористых каркасов. Метод динамического литья в условиях сублимационной формы для изготовления пористых титановых скаффолдов позволил уплотнить пористые каркасы за счет минимизации химического загрязнения и структурных дефектов. Процесс уплотнения отличается по трем причинам. Во-первых, процесс уплотнения прост, потому что он требует контроля только одного параметра (степени уплотнения). Во-вторых, он эффективен, так как обеспечивает механическое усиление и устойчивое высвобождение биомолекул из пористых каркасов. В-третьих, он имеет широкое применение, поскольку он также применим для изготовления функционально градиентных пористых каркасов при пространственно изменяемой деформации во время уплотнения.

Введение

В то время как металлические биоматериалы были широко используются в качестве несущих имплантаты и внутренних устройств фиксации из-за их превосходной механической прочностью и упругостью, 1-3 они включают две критические проблемы: 1) механическое несовпадение, поскольку металлы намного жестче, чем биологических тканей, в результате чего нежелательные повреждения с окружающими тканями и 2) низкой биологической активностью, что часто приводит к плохому интерфейс с биологических тканей, часто провоцирующих реакции инородного тела (например, воспаление или тромбоз). Пористые металлические 4-6 каркасы были предложены для содействия врастание кости в структурах, повышение . костного имплантата контакта а эффекты стресса щит подавляются из-за их пониженной жесткости 7-9 Кроме того, различные модификации поверхности были применены для повышения биологической активности металлических имплантатов; такие модификации включают покрытие поверхности металла с биоактивными молекулами (например, роста FACТЗ) или наркотики (например, ванкомицин, тетрациклин). 10-12 Тем не менее, такие проблемы, как снижение механических свойств пористых металлических каркасов, снижение жесткости и быстрое высвобождение биоактивных слоев покрытия остаются нерешенными 13-16.

В частности, титан (Тi) и Ti сплавов являются одним из наиболее популярных biometal систем из-за их превосходных механических свойств, химической стабильности и хорошей биосовместимостью. 13,17-19 Их пены в форме заявки также привлекать все большее внимание, так как 3D пористые сети способствуют врастание кости в дополнение к механическим свойствам кости, как. 20-22 Были предприняты усилия для улучшения механических свойств путем разработки новых технологий производства, включая репликацию полимерного губки, спекание частиц металла, быстрого прототипирования методом (РП), и пространство метод держатель для того, чтобы контролировать различные функции поры (например, доля пор,Форма, размер, распределение и подключение) и свойства материала (например, металлической фазы и примесей). 23-25 ​​Недавно замораживания литье на водной основе металлического шлама получила значительное внимание производству механически усовершенствованных форм Ti с хорошо выровненных поры структуры за счет использования однонаправленного роста дендритов льда во время затвердевания; Однако загрязнение кислорода в результате контакта металлических порошков с водой требует особой осторожности, чтобы свести к минимуму хрупкость Ti лесов. 14,15

Таким образом, мы разработали новый подход к изготовлению биологически активные и механически перестраиваемых пористых каркасов Ti. 25 Леса изначально имеют пористые структуры с пористостью более 50%. Изготовленного пористые леса покрывали биоактивных молекул, а затем сжимается с помощью механического пресса, во время которого окончательное пористость, механические свойства и поведение высвобождения лекарственного контролировались примеред штамм. Уплотненные пористые имплантаты Ti, показали низкую пористость с хорошей прочностью, несмотря на низкой жесткостью, сравнимой с костью (3-20 ГПа). 2 Из слоя покрытия, биологическая активность уплотненного пористого титана была значительно улучшена. Кроме того, из-за уникальных плоских пор структуры, индуцированные процесса уплотнения, покрытые биоактивные молекулы были замечены быть постепенно высвобождается с лесов, сохранении их эффективности в течение длительного периода.

В этом исследовании мы представили наш установленного способа изготовить уплотненных пористых каркасов Ti для возможного использования в биомедицинских приложениях. Протокол включает в себя динамическую литье замерзания с металлическими суспензий и уплотнения пористых каркасов. Во-первых, для изготовления пористых каркасов Ti с хорошей пластичностью динамический метод литья замораживания был введен, как показано на рисунке 1А. Ti порошок диспергируют в жидкой камфена; Затем, за счет снижения температуры,жидкая фаза затвердевает, в результате чего разделение фаз между порошковым сети Ti и твердых кристаллов камфен. Впоследствии затвердевает Ti-камфен сырец спекают в котором Ti порошки конденсируют с непрерывными стоек Ti, а фаза камфен был полностью удален, чтобы получить пористую структуру. Использовалось покрытие и процесса уплотнения с полученными пористых каркасов, изменяя степень уплотнения и начальной пористости. Слой покрытия и его поведение выпуск визуализировали и количественно с помощью зеленый флуоресцентный белок (GFP), -покрытие пористый титан и без уплотнения по сравнению с GFP-покрытием плотной Ti. Наконец, функционально-градиентных Ti каркасы, имеющие два различных пористых структур были предложены и продемонстрированы путем изменения степени уплотнения внутренней и внешней частей пористых каркасов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Изготовление пористой металлической строительные леса

  1. Подготовьте Ti-камфен суспензий путем смешивания коммерчески доступный порошок Ti, камфен, а KD-4 после взвешивания соответствующих количеств материалов, как описано в таблице 1 для пористых каркасов Ti с четырьмя начальными пористости (40, 50, 60, и 70). Налейте суспензий в 500 мл полиэтилена (ПЭ) и вращать бутылки бутылки при 55 ° С в течение 30 мин в шаровой мельнице печи при 30 оборотах в минуту.
  2. Налейте суспензий из бутылок PE в цилиндрической алюминия (Al), пресс-форм диаметром 60 мм и высотой 60 мм. Уплотнение каждый Al форму с соответствующей крышкой Al скольжения и поворота пресс-формы в шаровой мельнице печи со скоростью 30 оборотов в минуту при 55 ° С в течение 10 мин.
    1. Впоследствии, снизить температуру шаровой мельнице печи до 44 ° С, и непрерывно вращать формы со скоростью 30 оборотов в минуту при постоянной температуре 44 ° С в течение 12 ч.
  3. Выньте форму из шариковыхМельница печи после дополнительно вращения формы при комнатной температуре в течение 1 часа для процесса охлаждения. Удалить затвердевшей титана / камфен сырца из формы Al использованием Al поршень.
  4. Поместите затвердевшего титана / камфен зеленый тело в резиновый мешок рукой и полностью закрыть резиновый мешок, связывая рот мешка со строкой. Поместите резиновый мешок в резервуар с водой холодного изостатического прессования (CIP) машины и применить изостатическое давление 200 МПа в течение 10 мин. Удалить сжатого сырца из резиновый мешок.
  5. Передача Ti-камфен сырца на окиси алюминия тигле вручную и поместить тигель в сублимационной сушилки машины. Вымораживанием сухой сырца сублимировать фазу камфен в зеленом тела в - 40 ° С в течение 24 ч.
  6. Впоследствии закрыть тигель из оксида алюминия покровным и поместите закрытом тигле в вакуумной печи (ниже 10 -6 торр) при комнатной температуре. Затем повышают температуру печи до 1300 ° С в нагревательной Rели 5 ° С / мин и удерживать температуру на уровне 1300 ° С в течение 2 ч.
  7. После термообработки, сохранить спеченного пористого Ti в печи в течение 6-7 ч до тех пор, пока печь полностью охлаждают до комнатной температуры.
    Примечание: Во время 6 ч процесса охлаждения, средняя скорость охлаждения вышеуказанного 400 ° С печи ~ 15 ° C / мин, а средняя скорость охлаждения печи ниже 400 ° С составляет ~ 2 ° С / мин.
  8. При необходимости, сократить блок спеченного пористого титана в образцах дискообразных с диаметром 16 мм через электрический разряд обработки (EDM). 27
    Примечание: В зависимости от размера форм Al, размер спеченного пористого титана должна быть изменена в процессе обработки (фиг.2А).
  9. Поместите стеклянный стакан с пористых образцов Ti в автоклав и стерилизуют образцов при 121 ° С в течение 15 мин. Удалить образцы из автоклава. Промыть пористых образцов Ti дистиллированной водой, а затем два раза 70% -ным этанолом два раза.Наконец, оставить пористый титан в чашку Петри и воздушно-сухой пробы при комнатной температуре на чистом столе под УФ-светом.

2. Опустите покрытие каркасов с биологически активными агентами

  1. Развести коммерческую зеленой флуоресценции белка (GFP) с 1 мг / мл до 100 мкг / мл в чистом столе путем смешивания 1 мл GFP с 9 мл фосфатно-солевой буфер (DPBS, рН 7,4) раствор Дульбекко в 10 мл стерилизованного полистирол (PS) трубки, как показано в таблице 1.
  2. Погружают стерилизованного плотную пористую или Ti в 10 мл разбавленного раствора GFP (100 мкг / мл), помещая образцы Ti в PS трубки с GFP раствора при комнатной температуре и размещение на чистом столе.
  3. Поместите PS трубку в вакуумном эксикаторе и эвакуировать эксикаторе в течение 10 мин, чтобы обеспечить решение GFP более эффективно проникает в поры пористого титана.
  4. Снимите пористый титан, от ПС трубки с помощью пинцета. Поместите GFP-покрытием пористой Ti в 10 см в диаметре Петри тарелки и воздушно-сухой O / N в РТ на чистом столе.
  5. Промойте пористый титан в два раза с 10 мл Дульбекко фосфатно-солевой буфер (DPBS) в стеклянном стакане, и переместите пористый титан в 10 см диаметром Петри с помощью пинцета и воздушно-сухой при комнатной температуре на чистом столе.

3. Уплотнение пористых строительные леса

  1. Поместите GFP-покрытием пористых образцов Ti с различной высоты в цилиндрической стальной матрицей и вставить набор штампов в верхней и нижней отверстий стальной матрицей (фиг.3А).
  2. Сжатие пористого Ti в стали пресс-формы при комнатной температуре в направлении Z. образца (фиг.3А) с помощью пресс-машины на промежуточных скоростях деформации 0,05 ~ 0,1 сек -1 против заранее определенных прикладных штаммов, представленных в таблице 2. Удерживая давление в течение 1 мин перед выгрузкой.
  3. Удалить уплотненные образцы Ti от стального штампа. Промыть уплотненного образцы дважды 10 мл DPBSв стакане и воздушно-сухой O / N в РТ на чистом столе.

4. Выпуск Тест GFP-покрытием строительные леса

  1. Погружают три типа образцов (GFP-покрытием плотным Ti (после стадий 2), GFP-покрытием пористой Ti (после этапов 1 и 2) и GFP-покрытием уплотненной пористой Ti (после шагов 1-3)) в 5 мл DPBS (рН 7,4) раствор содержал в 10 мл стерилизованной PS трубке при 37 ° С на чистом столе.
  2. Всасывающий весь раствор DPBS от каждого PS трубке с пробой GFP-покрытием и пополнить раствором новые 5 мл DPBS (рН 7,4) с использованием пипетки в соответствии с заранее определенное время в 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 и 29 дней после погружения.
  3. Возьмем флуоресцентные изображения образцов GFP-покрытием перед погружением (день 0) и после 22 дневного погружения с помощью конфокальной лазерной сканирующей спектроскопии (CLSM).
  4. Измерьте интенсивность сигнала флуоресценции GFP в опубликованном в 1 мл раствора в общей сложности 5 мл раствора DPBS, проведенной от каждого PS трубы в разделе 4.2, используяУФ-спектроскопии при длине волны 215 нм. Преобразование значение интенсивности в концентрации GFP растворе с использованием стандартной кривой.
    Примечание: Перед измерением обратить стандартную кривую GFP раствора путем измерения интенсивности флуоресценции сигнальную GFP раствора в диапазоне концентраций от 0 нг / мл - 10 мкг / мл.

5. Изготовление градуированных пористых Ti строительные леса

  1. Производить блок спеченного пористого титана, повторяя шаг к шагу 1.1 1.7.
  2. Обработка спеченного пористого Ti блок в соответствии с предопределенным конструкций структуры (например, на фиг.5А и 5d) по EDM.
  3. Поместите обработанные образцы Ti с распределением по высоте в стальной пресс-формы, когда диаметр пористого титана составляет ~ 0,1 мм меньше, чем диаметр фильеры и вставить набор штампов в верхней и нижней отверстий стальной пресс-формы.
  4. Выполните шаги 3,2 и 3,3.

6. Пористость меняasurement из Ti строительные леса

  1. Измерьте массу (м ы) Ti лесов.
  2. Рассчитайте кажущийся объем (V ы) путем измерения длины, ширины и высоты Ti лесов.
  3. Вычислить пористость с использованием следующего уравнения:
    figure-protocol-1
    где Р общий процент пористости, ρ Ti является теоретической плотности титана и м S / V S представляет собой измеренное плотность образца.
    Примечание: Пористость образцов Ti может быть непосредственно получены из microCT изображений после съемки microCT осуществляется с помощью микро-сканер компьютерной томографии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Процесс изготовления используется для получения пористых каркасов Ti показано на фиг.1А. Ti порошка хранится гомогенно диспергируют в камфен непрерывным вращением контейнера при 44 ° С в течение 12 ч и, в то время как жидкость камфен полностью затвердевает, любые отложения относительно тяжелым порошка Ti может быть сведено к минимуму. В результате однородное Ti-камфен сырец получают при использовании динамического процесса литья замораживание, как показано на фиг.1В, в котором 3 измерен...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В то время как biometal системы были широко использованы для биомедицинских применений, в частности, в качестве несущих материалов, высокой жесткостью и низкой биологической активности металлов рассматривались как основных проблем. В этом исследовании мы установили способ изготовления новой системы металла, уплотненного пористой металлической эшафот, который имеет биомиметических механические свойства, а также биологически активные поверхности с устойчивым поведением релиза. Основные преимущества нашей технологии изгото...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Это исследование было поддержано Программой технологических инноваций (грант No 0037915, WPM Biomedical Materials-Implant Materials) и Программой стратегического развития технологий в промышленности (грант No 10045329, Разработка индивидуального имплантата с пористой структурой для замены кости), финансируемой Министерством торговли, промышленности и энергетики (MI, Корея), и подразделением материалов BK21 PLUS SNU для обучения креативных мировых лидеров (грант No 13). 21A20131912052).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Титановый порошокAlfa Aesar#42624-325меш, 99,5% (на основе металлов)
CampheneSigmaAldrich#45605595%, C10H16
KD-4Croda­Гипермер, полимерный диспергатор
Фосфатный буферный раствор (PBS)WelgeneML 008-01­
Зеленый флуоресцентный белок (GFP)Genoss Co.->98% чистоты, 1 мг/мл
Печь шаровой мельницыSAMHENUG ENERGYSH-BDO150­
Сублимационная сушилкаIlshin Lab.PVTFD50A&sted;
Машина холодного изостатического прессования (CIP)SONGWON SYSTEMSCIP 42260­
Вакуумная печьJEONG MIN INDUSTRIALJM-HP20­
электрическая машинаFANUC robocut0iBНаружное использование
Пресс-машинаCG& SAJP-200­
Конфокальная лазерная сканирующая спектроскопия (CLSM)OlympusFluoView FV1000Наружное применение

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

GFP
Изготовление механически перестраиваемых и биологически активных металлов строительные леса для биомедицинских применений
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.