Introduction
Während metallische Biomaterialien wurden weithin als tragende Implantate und interne Fixationsvorrichtungen, aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und Widerstandskraft, 1-3 verwendet sie beinhalten zwei kritischen Herausforderungen: 1) mechanische Fehlanpassung, weil Metalle sind viel steifer als biologisches Gewebe, was zu unerwünschten Schäden zu den umliegenden Geweben und 2) geringe Bioaktivität, die oft zu einer schlechten Oberfläche mit biologischen Geweben, oft provozieren Fremdkörperreaktionen (zB Entzündung oder Thrombose). 4-6 porösen Metallgerüste vorgeschlagen worden, um das Einwachsen von Knochen in den Strukturen fördern, die Verbesserung . Knochen-Implantat-Kontakt, während die Spannungsabschirmung Effekte werden wegen ihrer geringeren Steifigkeit drückt 7-9 Außerdem können verschiedene Oberflächenmodifikationen wurden angewandt, um die biologischen Aktivitäten von metallischen Implantaten zu verbessern; Solche Modifikationen schließen Beschichtung der Metalloberfläche mit bioaktiven Molekülen (zB Wachstums facToren) oder Arzneimitteln (zB, Vancomycin, Tetracyclin). 10-12 jedoch Probleme wie reduzierte mechanische Eigenschaften der porösen Metallgerüste, verminderte Steifigkeit und die schnelle Freisetzung des biologisch aktiven Überzugsschichten ungelöst bleiben. 13-16
Insbesondere Titan (Ti) und Ti-Legierungen sind eine der beliebtesten Biometall Systeme wegen ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, chemische Stabilität und gute Biokompatibilität. 13,17-19 Die schaumförmigen Anwendungen wurden zog auch zunehmendes Interesse, weil der 3D- poröse Netzwerke fördern das Einwachsen von Knochen neben knochenartige mechanische Eigenschaften. 20-22 wurden Anstrengungen unternommen, um die mechanischen Eigenschaften durch die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren, einschließlich Replikation polymerer Schwamm, Sintermetallpartikeln, Rapid Prototyping (RP) Verfahren zu verbessern, und Platzhalter Verfahren, um die verschiedenen Eigenschaften der Poren zu kontrollieren (zB Porenanteil,Form, Größe, Verteilung und Konnektivität) und Materialeigenschaften (zB metallische Phase und Verunreinigung). 23-25 Vor kurzem hat die Gefriert Gießen von Wasser basierende Metallschlamm beträchtliche Aufmerksamkeit mechanisch verstärkten Ti bildet mit gut ausgerichteten Poren produzieren gewonnen Strukturen durch Ausnutzung der unidirektionalen Eis Dendritenwachstum während der Erstarrung; jedoch Sauerstoffkontamination durch Kontakt von Metallpulvern mit Wasser verursacht erfordert besondere Sorgfalt, um die Versprödung des Ti Gerüsten zu minimieren. 14,15
Daher haben wir einen neuen Ansatz zur Herstellung von bioaktiven und mechanisch abstimmbaren poröse Ti Gerüsten entwickelt. 25. Die Gerüste anfänglich porösen Strukturen mit einer Porosität von mehr als 50%. Die hergestellten porösen Gerüste wurden mit bioaktiven Molekülen beschichtet und dann komprimiert unter Verwendung einer mechanischen Presse, in dem die Endporosität, mechanische Eigenschaften und Arzneimittelfreisetzungsverhaltens wurden vom Anmelder gesteuerteed-Stamm. Die verdichteten porösen Ti Implantate geringer Porosität mit guter Festigkeit trotz der geringen Steifigkeit vergleichbar mit der Knochen (3-20 GPa). 2 Weil der Beschichtungsschicht gezeigt, wurde die Bioaktivität des verdichteten porösen Ti deutlich verbessert. Darüber hinaus kann aufgrund der einzigartigen Flachporenstrukturen durch das Verdichtungsverfahren induziert wurden die beschichteten biologisch aktiven Moleküle gesehen, allmählich vom Gerüst gelöst werden, die Aufrechterhaltung ihrer Wirksamkeit über einen längeren Zeitraum.
In dieser Studie haben wir unsere etablierten Methode, um verdichtete poröse Ti Gerüsten für die mögliche Verwendung in biomedizinischen Anwendungen herzustellen. Das Protokoll enthält dynamische Gefrierguss mit Metall Schlämmen und Verdichtung der porösen Gerüsten. Erstens, um poröse Ti Gerüsten mit guter Duktilität der dynamische gefrier Gießverfahren eingeführt wurde, wie in 1A gezeigt, herzustellen. Ti-Pulver wurde in flüssigem Camphen dispergiert sind; Dann wird durch Senken der Temperatur,die flüssige Phase verfestigt, was zur Phasentrennung zwischen dem Ti-Pulver Netzwerk und feste Camphen Kristallen. Anschließend wurde die verfestigte Ti-Camphen Grünkörper gesintert, in dem Ti-Pulver wurden mit kontinuierlicher Ti Streben kondensiert und das Camphen Phase wurde vollständig entfernt, um eine poröse Struktur zu erhalten. Die Beschichtungs- und Verdichtungsverfahren mit den erhaltenen porösen Gerüsten wurde eingesetzt, Variieren der Verdichtungsgrad und erste Porosität. Die Beschichtungsschicht und ihre Freisetzungsverhaltens wurden visualisiert und quantifiziert unter Verwendung des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) beschichteten porösen Ti mit oder ohne Verdichtung im Vergleich zu dem GFP-beschichteten dichten Ti. Schließlich wurden funktionsgradierter Ti Gerüsten, die zwei verschiedene poröse Strukturen vorgeschlagen und durch Variieren der Verdichtungsgrad der inneren und äußeren Teile der porösen Gerüsten demonstriert.
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Protocol
1. Herstellung von porösen Metallgerüste
- Vorbereitung Ti-Camphen Schlämme durch Mischen von kommerziell erhältlichen Ti-Pulver, Camphen und KD-4 nach dem Abwiegen der geeigneten Mengen von Materialien, wie in Tabelle 1 für poröse Ti Gerüste mit vier anfänglichen Porositäten (40, 50, 60 und 70) beschrieben. Gießen der Aufschlämmungen in 500 ml-Polyethylen (PE-Flaschen) und drehen die Flaschen bei 55 ° C für 30 min in einer Kugelmühle Ofen bei 30 Umdrehungen pro Minute.
- Gießen der Schlämme aus den PE-Flaschen in zylindrische Aluminium (Al) Formen mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Höhe von 60 mm. Siegel Jede Al Form mit dem entsprechenden Al Deckglas, und drehen Sie die Formen in einer Kugelmühle Ofen bei einer Geschwindigkeit von 30 Umdrehungen pro Minute bei 55 ° C für 10 min.
- Anschließend senken die Temperatur der Kugelmühle Ofen auf 44 ° C und kontinuierliches Drehen der Formen bei einer Geschwindigkeit von 30 Umdrehungen pro Minute bei einer konstanten Temperatur von 44 ° C für 12 Std.
- Nehmen Sie die Form aus dem KugelMühle Backofen, nachdem zusätzlich Drehen der Formen bei RT für 1 h für den Kühlprozess. Entfernen Sie die erstarrten Titan / Camphen Grünkörper aus dem Al Form unter Verwendung eines Al-Kolben.
- Setzen Sie den erstarrten Titan / Camphen Grünkörper in einem Gummisack mit der Hand und der Gummisack vollständig abzudichten durch das Binden der Öffnung des Beutels mit einer Schnur. Legen Sie das Gummisack im Wassertank eines kaltisostatisches Pressen (CIP) Maschine und wenden einen isostatischen Druck von 200 MPa für 10 min. Entfernen Sie die Druckgrünkörper aus der Gummisack.
- Übertragen Sie die Ti-Camphen Grünkörper auf einen Aluminiumoxid-Tiegel mit der Hand und legen Sie den Tiegel im Gefriertrockner Maschine. Gefrierzutrocknen des Grünkörpers, um das Camphen Phase in der Grünkörpers bei sublimieren - 40 ° C für 24 Stunden.
- Anschließend schließen Sie den Tiegel mit einem Aluminiumoxiddeckglas und legen Sie die geschlossenen Tiegel in einem Vakuumofen (unter 10 -6 Torr) bei RT. Dann wird die Temperatur des Ofens auf 1300 ° C bei einer Erwärmungs raß von 5 ° C / min und halten Sie die Temperatur bei 1300 ° C für 2 Stunden.
- Nach der Wärmebehandlung, halten den gesinterten porösen Ti in dem Ofen für 6-7 Stunden, bis der Ofen voll auf RT abgekühlt.
Anmerkung: Während der 6 Stunden der Abkühlung ist die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit des Ofens oberhalb von 400 ° C ~ 15 ° C / min und die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Ofens unter 400 ° C ~ 2 ° C / min. - Falls erforderlich, schneiden den Block aus gesintertem porösem Ti in scheibenförmige Proben mit einem Durchmesser von 16 mm durch elektrische Entladungsbearbeitung (EDM). 27
Hinweis: Je nach der Größe der Al Schimmelpilze, die Größe des gesinterten porösen Ti muss durch den Bearbeitungsprozess (2A) verändert werden. - Einen Glasbecher mit den porösen Ti-Proben in einem Autoklaven sterilisiert und die Proben bei 121 ° C für 15 min. Entfernen der Proben aus dem Autoklaven. Die poröse Ti-Proben mit destilliertem Wasser zweimal zweimal und dann waschen mit 70% Ethanol.Schließlich verlassen die poröse Ti in eine Petrischale und an der Luft trocknen die Proben bei RT auf einem Sterilbank unter UV-Licht.
2. Tauchbeschichtung von Gerüsten mit bioaktiven Mitteln
- Verdünnen des kommerziellen Green Fluorescence Protein (GFP) von 1 mg / ml bis 100 ug / ml in einer Sterilwerkbank, indem 1 ml von GFP mit 9 ml Dulbeccos phosphatgepufferter Salzlösung (DPBS, pH 7,4) Lösung in einem 10 ml-sterilisiert Polystyrol (PS) Rohr, wie in Tabelle 1 angegeben.
- Tauchen Sie die sterilisiert dicht oder porös Ti in 10 ml verdünnt GFP-Lösung (100 ug / ml), indem Sie die Ti-Proben in das PS-Rohr mit dem GFP-Lösung bei RT und Unterbringung an einem Sterilbank.
- Setzen Sie den PS Rohr im Vakuumtrockenschrank und evakuieren Exsikkator für 10 Minuten, um sicherzustellen, das GFP-Lösung effektiver dringt in die Poren des porösen Ti.
- Entfernen Sie die porösem Titan aus der PS Rohr mit einer Pinzette. Legen Sie das GFP-beschichtete poröse Ti in eine 10 cm Durchmesser Petri Gericht und an der Luft trocknen O / N bei RT auf einem Sterilbank.
- Spülen Sie die poröse Ti zweimal mit 10 ml von Dulbeccos phosphatgepufferter Salzlösung (DPBS) in einem Becherglas, und verschieben Sie die poröse Ti zu einem Durchmesser von 10 cm Petrischale mit einer Pinzette und an der Luft trocknen bei Raumtemperatur auf eine saubere Bank.
3. Verdichtung von porösen Gerüsten
- Legen Sie die GFP-beschichtete poröse Ti Proben mit verschiedenen Höhen in einem zylindrischen Stahlform, und legen Sie eine Reihe von Schlägen in die oberen und unteren Löcher der Stahlform (3A).
- Komprimieren Sie die poröse Ti innerhalb des Stahlformanordnung bei RT in z-Richtung der Probe (3A) mit einer Pressmaschine bei mittleren Belastungsraten von 0,05 ~ 0,1 s -1 gegen die in Tabelle 2 gezeigten vorbestimmten angewendet Stämme. Halten Sie die Druck 1 min vor der Entladung.
- Entfernen Sie die verdichtete Ti Proben aus der Stahlform. Zweimaliges Waschen der verdichteten Proben mit 10 ml DPBSin einem Becherglas und der Luft trocknen O / N bei RT auf einem Sterilbank.
4. Lassen Test von GFP beschichtet Gerüste
- Tauchen drei Arten von Proben (GFP beschichteten dichten Ti (nach den Schritten 2), GFP-beschichtete poröse Ti (nach den Schritten 1 und 2) und GFP-beschichtete verdichtete poröse Ti (nach den Schritten 1-3)) in 5 ml DPBS (pH 7,4) Lösung in einem 10 ml sterilisiertem PS Rohr auf eine saubere Bank enthielt bei 37 ° C.
- Absaugen aus ganze DPBS-Lösung von jedem PS Rohr mit dem GFP-beschichteten Probe und füllt mit einer neuen 5 ml DPBS-Lösung (pH 7,4) unter Verwendung einer Pipette gemäß den vorbestimmten Zeiten von 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 und 29 Tage nach der Immersion.
- Nehmen Sie die Fluoreszenzbilder der GFP-beschichteten Proben vor dem Eintauchen (Tag 0) und nach 22 Tage-Tauch mit konfokalen Laser-Scanning-Spektroskopie (CLSM).
- Messung der Fluoreszenzsignalintensität der GFP-Freigabe in 1 ml Lösung von insgesamt 5 ml DPBS-Lösung unter Verwendung von jeder PS Rohr in 4.2 gezeichnetUV-spektroskopisch bei einer Wellenlänge von 215 nm. Den Intensitätswert umzuwandeln in die Konzentration des GFP-Lösung unter Verwendung der Standardkurve.
Anmerkung: Vor der Messung wird die Ziehung der Standardkurve für GFP Lösung durch Messen der Fluoreszenzsignalintensität der GFP-Lösung in einem Konzentrationsbereich von 0 ng / ml - 10 ug / ml.
5. Herstellung von Graded Porous Ti Gerüste
- Erzeugen einen Block des gesinterten porösen Ti durch Wiederholen von Schritt 1.1 zu Schritt 1.7.
- Maschine der gesinterte poröse Ti Block entsprechend der vorbestimmten Struktur-Designs (zB 5a und 5d), die durch EDM.
- Platzieren der bearbeiteten Ti Proben mit Höhenverteilung in einer Stahlform, wo der Durchmesser des porösen Ti ~ 0,1 mm kleiner als der Durchmesser der Düse und legen eine Reihe von Schlägen in die oberen und unteren Löcher der Stahlform.
- Führen Sie die Schritte 3.2 und 3.3.
6. Porosität Measurement Ti Gerüste
- Messen Sie die Masse (m n) des Ti Gerüsten.
- Berechnung des scheinbaren Volumens (V n) durch Messen der Länge, Breite und Höhe des Ti Gerüsten.
- Berechnen der Porosität unter Verwendung der folgenden Gleichung:
wobei P die Gesamtporosität Prozentsatz ρ Ti beträgt die theoretische Dichte des Titans und m S / V S die gemessene Dichte der Probe.
Anmerkung: Die Porosität Ti Proben können direkt von microCT Bildern abgerufen werden, nachdem microCT Bildgebung wird unter Verwendung eines Mikrocomputertomographen durchgeführt wird.
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Representative Results
Der Herstellungsprozess, um poröse Ti Gerüsten verwendet wird in 1A dargestellt. Ti-Pulver gehalten wird homogen in Camphen durch kontinuierliche Drehung des Behälters bei 44 ° C 12 h lang dispergiert und während flüssige Camphen vollständig verfestigt ist, irgendwelche Sedimente des relativ schweren Ti Pulvers minimiert werden. Als Ergebnis wurde die homogene Ti-Camphen Grünkörpers unter Verwendung des dynamischen gefrierGussVerfahren hergestellt, wie in 1B gezeigt, in der 3-dimensional verbunden großen Camphen Poren werden durch das Ti-Pulver Phase (1C) umgeben ist. Jedoch die falsche Drehung der Behälter führt oft inhomogene Verteilung von Ti und Camphen Phasen in dem Grünkörper, was zu Verformung oder Rissbildung der porösen Gerüst folgenden Wärmebehandlung. Die optimale Bedingung für die Rotationsgeschwindigkeit wurde festgestellt, 30 UpM, der in der Lage, eine homogene Grünkörpers in den meisten Fällen produzieren war sein. Vor gehening mit Wärmebehandlung wird die extensives Wachstum von Camphen durch Beobachtung des Querschnitts des Ti-Camphen grünen Körpers, wie in 1C gezeigt, bestätigt. Wenn das Camphen Phase diskontinuierlich ist mit einer signifikanten Größenverteilung der Poren, die Temperatur und die Zeit der dynamischen Gefriergießen muss zurückgesetzt werden. Typischerweise wird das Camphen Phase der Ti-Camphen Grünkörpern wurde gefunden, daß nach 12 h dynamische Gefriergießen, wo das Camphen Phase wurde kontinuierliche da große kugelförmigen Poren waren in Kontakt miteinander gut entwickelt werden. Die Größe, Morphologie und Konnektivität von Poren in porösen Ti wurden weiter unter Verwendung von Mikro-CT-Analyse nach der Wärmebehandlung untersucht.
Nach dem Sintern bei 1.300 ° C werden die porösen Ti Blöcke in mehrere zylinderförmige Proben durch elektrische Entladungsbearbeitung (2A) geschnitten. Die erhaltenen zylindrischen Proben nicht Risse oder Mängel aufweisen. Vertreter Mikro-CT-Bilder der porous Ti Gerüsten durch konventionelle (oben) hergestellt und dynamische freeze Gießen (unten) sind in 2B gezeigt. Die Porenstruktur von Ti-Proben aus dem herkömmlichen Gefriertgießen zeigt Richtungsporen Ausrichtung mit unregelmäßig geformte Poren wegen der dendritischen Wachstum von Camphen beim Einfrieren. Auf der anderen Seite, die Probe aus dynamischen Gefrierguss weist fast kugelförmigen Poren mit zufälligen Porenverteilung. Darüber hinaus sind die höhere Auflösung mikroskopischen Aufnahmen der porösen Ti Gerüste mit unterschiedlichen Porositäten (Initial Porosität (IP) = 50, 60 und 70 Vol%) zeigen deutlich die kugelförmigen Poren, zufällig innerhalb des Ti-Netzwerk (2C) verteilt sind. Die Porengröße der porösen Gerüsten Ti verringert, wie das Volumen der Camphen verringert.
Anschließend werden die hergestellten porösen Ti Gerüste mit Biomolekülen und verdichtet innerhalb der Form durch Variieren der ausgeübten Verformung, wie in 3A gezeigt, beschichtet. Für die vialisierung der bioaktiven Beschichtung auf der Ti-Proben wurde das grün fluoreszierende Protein (GFP) in dieser Studie verwendet. Die aufgebrachte Dehnung (ε zz), die auf den Druck (P zz) entspricht, gefunden wird, um den Verdichtungsgrad variieren, wie in 3B gezeigt. Die Porenform wird als der Grad der Verdichtung steigt abgeflacht und als ein Ergebnis, bei der höchsten Verdichtung Poren fast verschwinden, weil benachbarten Poren sind in Kontakt miteinander. Jedoch unserer früheren Studie haben wir bestätigt, daß die Porenkanäle der verdichteten Proben noch offen sind, mit nahezu der gleichen Fläche wie die der porösen Ti derselben Porosität. 25, um die verdichteten Proben mit unterschiedlichen Ausgangs Porositäten bewerten, wurde die z-Höhe sollte abhängig von der anfänglichen Porosität, damit die verdichtete Probe auf die gleiche endgültige Porosität variieren. Tabelle 2 stellt auch die vorhergesagten brachten Lasten um den angestrebten endgültigen p erhaltenorosity (FP) der verdichteten porösen Gerüsten mit verschiedenen Anfangs Porositäten. Zum Beispiel, um die verdichteten porösen Proben mit FP = 5% zu erzeugen, das poröse Gerüst mit IP = 70% erfordert eine Belastung von etwa 0,7, während das Gerüst mit IP = 50% braucht ungefähr 0,5. Daher wurden die anfänglichen Höhen der porösen Gerüsten sorgfältig nach der anfänglichen Porosität, um Proben mit der gleichen Endhöhe nach der Verdichtung zu erhalten, berechnet. Wie in 3C, vier Proben mit unterschiedlichen Porositäten von IP = 40% bis 70% zeigen verschiedene Anfangshöhen vor der Verdichtung und dann am Ende mit fast identischen Höhen von 2 mm gezeigt.
GFP wurde verwendet, um die Beschichtungsschicht auf einem porösen (IP = 70%) und verdichtete poröse Ti (IP = 70%, FP = 7%) Proben im Vergleich zu kommerziellen dichten Ti, wie in 4A gezeigt, zu visualisieren. Alle drei Proben deutlich die beschichteten Oberflächenmorphologie Anzeige entsprechend thEIR Mikrostrukturen. Die vollständig dichte Ti Oberfläche vollständig mit einem grünen Beschichtungsschicht bedeckt, während poröse und verdichteten porösen Proben grün gefärbten Ti Streben mit klaren Poren. Verwendung dieser drei in 4A gezeigten beschichteten Proben wurde das Freisetzungsverhalten beobachtet (4B). Die Menge des frei GFP aus jeder Probe wurden als Mittelwert ± Standardabweichung ausgedrückt (n = 3) und wurde bis zu einem Monat durch Messen der Intensität der Fluoreszenz verfolgt. Sowohl dichte und poröse Ti wurden gefunden, um schnelle GFP Freisetzungsverhalten mit Anfangs Platzen Wirkung haben, wobei die meisten innerhalb einer Woche veröffentlicht. Allerdings zeigt die verdichtete poröse Ti kontinuierliche Freisetzung bis zu einem Monat, die deutlich GFP auf der Oberfläche auch nach einem Monat (CLSM-Bilder von 4B).
Das Verdichtungsverfahren kann auch auf die Herstellung von gradierten poröse Ti Gerüsten aufgebracht, wie in Figur 5 eingebracht werden. Die beiden Schalenential Design Schaltbilder Gradientenstrukturen wurden ausgewählt, von denen die inneren und äußeren Schichten aus einem zylindrischen Gerüst haben unterschiedliche Porositäten. Für die Struktur mit einer in 5A gezeigten dichter Kern wurde der äußere Teil des Ti-Gerüst durch eine mechanische Bearbeitung verkürzt, wie in 5B gezeigt. Nach der selektiven Verdichtung des höheren Innenteil wurde die Gradienten-Struktur erhalten. Die detaillierte Strukturinformation der Fig 5Bb und 5E durch Mikro CT gemessen, ist in Tabelle 3 bereitgestellt, die inneren und äußeren Teile des Gerüsts mit unterschiedlichen Porositäten (innere der Mikro-CT Bild von Figur 5C zeigt deutlich. FP = ~ 60% außen: FP = ~ 70%). Alternativ dazu kann eine Struktur mit dichteren äußeren Schicht durch Änderung der Höhendifferenz zwischen den inneren und äußeren Teile (5D) erzeugt werden. Die poröse Ti mit den höheren äußeren und unteren Innenteile führt zu einer dichteren outer Teils nach Verdichtung (5E), bei dem die Porosität des äußeren Teils verringert wurde zu ~ 45%, wobei der Innenteil mit dem erhaltenen anfänglichen Porosität (IP = 70%), wie in Figur 5F dargestellt.
Abbildung 1. Herstellung von Ti-Camphen Grünkörper durch dynamische Gefrierguss. (A) Schematische Darstellung des dynamischen freeze Gehäuse Prozess zu erhalten verfestigt Ti-Camphen Grünkörper vor der Wärmebehandlung (mit Genehmigung von Elsevier, Jung Angepasst et al., 2013). (B) Optische Bild einer repräsentativen Ti-Camphen Grünkörper nach dem Abschluss des dynamischen Gefriergussverfahren. (C) Querschnittsbild der Ti-Camphen Grünkörper, in denen die feste Camphen Phase wird nach dem Zufallsprinzip innerhalb der kontinuierlichen Ti-Pulver phas verteilte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Poröse Ti Gerüsten mit verschiedenen Anfangs Porositäten nach der Wärmebehandlung. (A) optische Bilder eines vollständig gesinterte poröse Ti Block vor und nach der Bearbeitung und eine erhaltene zylindrische poröse Ti Gerüst von Bearbeitung. (B) Sectional Mikro-CT-Bilder der poröse Ti Gerüsten durch herkömmliche Gefriert Gießen (oben) und dynamischen Gefrierguss (unten) hergestellt. Gelbe Pfeile auf der oberen Bild von 2B zeigen die Porenausrichtung in radialer Richtung. (C) Querschnittsbilder der porösen Ti Gerüsten durch dynamische Einfrieren hergestellt Gießen mit der anfänglichen Porosität (IP) von 70% (oben), 60%(Mitte) und 50% (unten), wo Einsätze sind die optischen Bilder der entsprechenden porösen Ti Gerüsten (angepasst mit Genehmigung von Elsevier, Jung et al., 2013). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Tauchbeschichtung und Verdichtung von porösen Gerüsten Ti. (A) Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von einer verdichteten porösen metallischen Gerüst (Ti) mit Biomolekülen (zB GFP) beschichtet (angepasst mit Genehmigung von Elsevier, Jung et al. , 2015). (B) Querschnittsbilder der verdichteten porösen Ti Gerüsten (IP = 70%) bei der angelegten Dehnung (ε zz) = 0, 0,53, 0,63, 0,68, was in der letzten Porosität (FP = 70, 33, 19, 7%). (C Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 4 In-vitro-Freisetzungsverhalten der GFP belasteten verdichteten porösen Gerüsten Ti. (A) Typische CLSM-Bilder von GFP auf der Oberfläche der dichten, porösen und verdichtet Ti Gerüsten geladen. (B) Kumulative Mengen von GFP aus dichten, porösen und verdichtet Ti Freigabe Gerüste bis zu 29 Tage (n = 3) mit den CLSM-Bilder von diesen drei Proben nach dem Eintauchen in den PBS für 24 Tage (Balken = 200 & mgr; m). Standardabweichung (SD) ist unsed für die beschreibende Fehler bar jedes Datenpunktes. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. Herstellung funktional gradierter porösen Metallgerüste. (A) Schematische Darstellung einer abgestuften porösen Gerüstdesign mit einem dichteren Innenteil. (B) Graded poröse Ti Gerüst mit der dichteren Innenteil hergestellt durch Verdichtung. Mikro-CT-Bild der abgestufte poröse Ti Gerüst (C) 2-D-Rekonstruktion mit der dichteren Innenteil. (D) Schematische Darstellung einer Gerüstdesign mit Steigung Porosität mit der dichteren äußeren Teil. (E) Graded poröse Ti Gerüst mit der dichteren äußeren Teil durch Verdichtung hergestellt, in dem das Gerüst besitzt eine poröse Innenkernumgeben von der verdichteten Randschicht. Mikro-CT-Bild der abgestufte poröse Ti Gerüst mit der dichteren äußeren Teil (F) 2-D rekonstruiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Zielprobe | Ti-Camphen Gülle | Beschichtungslösung | |||
| Ti-Pulver (g) | Camphen (g) | KD-4 (g) | GFP (ml) | PBS (ml) | |
| Ti-Gerüst mit IP = 40% | 204,3 | 90 | 0,294 | 1 | 9 |
| Ti-Gerüst mit IP = 50% | 171,4 | 97 </ td> | 0,268 | ||
| Ti-Gerüst mit IP = 60% | 136,5 | 103 | 0,239 | ||
| Ti-Gerüst mit IP = 70% | 100 | 110 | 0,21 | ||
Tabelle 1. Detaillierte Beschreibung der Ti-Camphen Aufschlämmung und Beschichtungslösung für die Herstellung von Ziel poröse Ti Gerüsten (IP = 40, 50, 60, 70%) mit GFP beschichtet. (IP steht für die anfängliche Porosität).
| Anfängliche Porosität (%) | Endporosität (%) | ||||||
| 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 5 | |
| 50 | 0,17 | 0.29 | 0.38 | 0.44 | 0.47 | ||
| 60 | 0.20 | 0.33 | 0,43 | 0.50 | 0.56 | 0.58 | |
| 70 | 0,25 | 0.40 | 0.50 | 0.57 | 0.63 | 0.67 | 0.68 |
Tabelle 2 Vorausgesagte ausgeübten Verformung (ε zz) des porösen Gerüsten (IP = 50, 60, 70%) im Hinblick auf die gezielte Endporosität (FP) unter Verwendung der Gleichung, FP = 1 - (1-KA) / (1- ε zz).
| Probe | Vor der Verdichtung | Nach dem Verdichten | |||||
| Höhe (mm) | Porosität (%) | Porengröße (um) | Höhe (mm) | Porosität (%) | Porengröße (um) | ||
| Innenteil | 18 ± 1 | 70 ± 1 | 370 ± 100 | 13 ± 1 | 57 ± 5 | 285 ± 100 | |
| Außenteil | 14 ± 1 | 70 ± 5 | 365 ± 110 | ||||
| Graded Gerüst von Fig. 5e | Innenteil | 14 ± 2 | 12 ± 1 | 70 ± 8 | 315 ± 110 | ||
| Außenteil | 18 ± 1 | 45 ± 8 | 230 ± 80 | ||||
Tabelle 3. Strukturinformationen der inneren und äußeren Teile von abgestuften porösen Gerüsten (5B und 5E) vor und nach der Verdichtung in Bezug auf die Z-Höhe, die Porosität und der durchschnittliche Porengröße von Mikro CT gemessen.
| Anfängliche Porosität des porösen Ti (%) | Vor der Verdichtung | Nach der Verdichtung (FP = 5%) | ||
| Steifigkeit (GPa) | Streckgrenze (MPa) | Steifigkeit (GPa) | Streckgrenze (MPa) | |
| 50 | 19 | 143 | 44 | > 370 |
| 60 | 13 | 130 | 42 | > 370 |
| 70 | 5 | 58 | 35 | > 370 |
Tabelle 4. Steifigkeit und Streckgrenze von porösen Ti Gerüsten (IP = 50, 60, 70%) vor und nach der Verdichtung (mit Genehmigung von Elsevier, Jung Angepasst et al., 2015).
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Discussion
Während Biometall Systeme sind weit verbreitet für biomedizinische Anwendungen verwendet, insbesondere als tragende Materialien, hohe Steifigkeit und geringe Bioaktivität von Metallen haben große Herausforderungen betrachtet. In dieser Studie haben wir die Herstellungsverfahren für eine neue Metall-System, einer verdichteten porösen Metallgerüst, das biomimetische mechanischen Eigenschaften sowie bioaktive Oberfläche mit einer nachhaltigen Freisetzungsverhalten hat. Die Hauptvorteile der Herstellungsverfahren schließen 1) keine Änderung der vorherigen dynamischen Einfrieren Gießverfahren, das wir bereits entwickelt, 28 2) die Kontrolle über einen Parameter-Grad sowohl die mechanische Verstärkung und nachhaltige Freisetzungsverhalten von Biomolekülen aus porösem Verdichtung zu erreichen, Metallgerüste und 3) mögliche Anwendung auf Gradientenwerkstoffen.
Einer der kritischen Schritte zur Erzeugung der verdichteten porösen Metall herzustellen ist die Herstellung von porösen Ti, die zwei wichtige featu besitztres: 1) Duktilität um die Freisetzungsrate des bioaktiven Molekülen und den mechanischen Eigenschaften zu steuern, und 2) eine hohe Poreninterkonnektivität zu laden und frei Biomolekülen. Jedoch zuvor berichtet porösen Verwendung der Abstandshalter Verfahren hergestellten Titangerüsten, Schwamm Templatmethode und Pulvermetallurgie haben entweder begrenzte Poren Vernetzung oder Duktilität gezeigt. 14,24,29 Insbesondere können die Verunreinigungen, die durch die Reaktion von Metallpulvern mit anderen umliegenden Materialien, die während des Wärmebehandlungsprozesses ist bekannt, dass die Duktilität des Werkstoffes erheblich reduzieren, da Metallpulver sind in Kontakt mit den zweiten Materialien (zB Abstandshalter oder Polymer Vorlage), was zu Sprödbruch unter mechanischen Prüfungen. 14,24,29 Somit , um verdichtete poröse Metall herzustellen, müssen die Verunreinigungen in den meisten der herkömmlichen Herstellungsverfahren minimiert werden. Um diese Komplikation zu vermeiden, untersuchten wir die poröse Morphologie und mechanischen o Verhaltensweisenf porösen Titangerüsten hergestellt unter Verwendung der Gefriert Gießverfahren mit Camphen, um die Interaktion zwischen den Metallpulvern und der flüssigen Phase zu minimieren. 26,28,30-33
Ein Nachteil der herkömmlichen Gefriert Gießverfahren ist, dass es häufig zu Richtungsporenkanäle (2B, oberes Bild). Auf der anderen Seite wird bei dynamischem gefrier Gießen wurden die Poren Form und Größe festgestellt, daß gleichförmiger als jene des herkömmlichen Gefrierguss und die Porenverteilung innerhalb des Gerüsts ist nahezu beliebig. . Diese Strukturmerkmale von porösen Gerüsten aus dynamischen freeze Castingshow isotropen mechanischen Verhaltens, so dass die Verdichtung in einem geschlossenen Form unter einachsiger Druck 26,28 Während der dynamischen Gefrierguss, treten zwei wichtige Ereignisse in der Metallschlamm: 1) Kristallwachstum von Camphen Phase und 2) die Umverteilung von Metallpulvern und verfestigt Camphen innerhalb der verbleibenden flüssigen Phase vermieden sedimentation. Gravity bewirkt, dass die Metallpulver zu trennen, bis die Flüssigkeit Camphen vollständig verfestigt ist. Die kontinuierliche Drehung des Schlamms in der Nähe der Schmelztemperatur von Camphen gibt ausreichend Zeit für sphärische Camphen Kristalle homogen zu halten, so dass die zufällige und gleichmäßige Verteilung von Ti-Pulver und Camphen Kristalle, wie in 1C gezeigt.
Nach dem Kühlvorgang vollständig verfestigt Ti-Camphen biphasische Grünkörper (1B) erhalten wurde. Um das Camphen vollständig aus dem verfestigten Grünkörper zu entfernen, ohne die Struktur zusammenbricht, wurde Camphen in einem Vakuumtrockenschrank bei -20 ° C sublimiert. Nach Entfernung des Camphen Phase wurde der Grünkörper porös, die nur aus Ti-Pulver. Da es keine Interaktion zwischen den Ti-Teilchen ist das poröse Ti Grünkörper zerbrechlich, so daß eine sorgfältige Handhabung erforderlich ist. Um eine direkte Handhabung des Grünkörpers mit den Händen vor der Wärmebehandlung zu vermeidenment, einem keramischen Tiegel wurde für den Behälter des Grünkörpers zur Gefriertrocknung und Sintern ausgewählt. Der Behälter mit dem Grünkörper wurde in einen Vakuumofen unmittelbar nach der Gefriertrocknung und Wärmebehandlung bei 1300 ° C, das der Grünkörper vollständig verdichtet ohne wesentliche Fehler in den Metallstreben ermöglicht platziert. Zur Auswertung der Proben wurden poröse Ti Blöcke in kleinere poröse Ti Zylinder geschnitten, weil die Geometrie und Größe der porösen Proben identisch (2A) ist. Alle Proben wurden erfolgreich ohne wesentliche Defekte (2B und 2C) bearbeitet. Abhängig von der Menge an Ti Leistung in der Aufschlämmung wurden Ti Gerüste mit unterschiedlichen Porositäten mit Kugelgestalt und zufällig verteilte Poren (2C) erhalten.
Nachdem die poröse Ti Gerüste wurden unter Verwendung der dynamischen gefrier Gießverfahren erhalten werden, wie in unseren früheren stu gemeldetdy wurden 28 die Biomoleküle auf der Ti-Oberfläche und Verdichtung des beschichteten porösen Ti beschichtet wurde durchgeführt, wie es in 3A dargestellt ist. Um jegliche Verunreinigung oder eine Denaturierung der Biomoleküle zu verhindern, das Beschichtungsverfahren wurde auf eine saubere Bank bei RT innerhalb von 24 Stunden durchgeführt, nachdem die poröse Gerüste wurden autoklaviert und sorgfältig gereinigt. Um den Verlust der beschichteten Biomoleküle vor der Verdichtung zu minimieren, wurde das Reinigungsverfahren minimiert, nachdem der Beschichtungsvorgang durchgeführt wurde. Das Verdichtungsverfahren wurde durch die angelegte Verformung der porösen Ti-Proben in der z-Richtung gesteuert wird, in den Stamm überführt, ε zz. 26. In Abhängigkeit von der anfänglichen Porosität der Ti Gerüste, die angelegte Spannung und entsprechende Endporosität variiert wurden (Tabelle 2 ). Um die verdichteten porösen Gerüsten mit verschiedenen Anfangs Porositäten sicherzustellen hatten identische Abschluss Geometrien und Größen, die aufgebrachte Belastung der indiviDual Gerüsten wurde berechnet und vor der Verdichtung der Gesamtprobenhöhe (Länge in z-Richtung) von jeder Probe wurde dann vorhergesagt. Figur 3D zeigt, daß unterschiedliche Höhen der einzelnen porösen Proben mit unterschiedlichen Porosität könnte auf die verdichtete poröse Probe mit identischer Endhöhe des Lead gleichen Endporosität.
Durch Steuern der Verdichtungsgrad weisen die verdichteten porösen Gerüsten einzigartige mechanische Verhalten mit verlängerter Freisetzung der beschichteten Biomolekülen. Die aufgebrachte Belastung verändert zwei wichtige Parameter der porösen Gerüste Ti: endgültige Porosität und Porengröße. Die porösen Gerüste mit geringerer Porosität zeigen höhere Steifigkeit und Festigkeit. Unsere früheren Studie berichtet, die Spannungs-Dehnungs-Verhalten der verdichteten porösen Gerüste mit verbesserter Festigkeit im Vergleich zu porösen Ti (Tabelle 4) sowie deutlich reduzierte Steifigkeit im Vergleich zu kommerziellen dichten Ti. 26 In dieser Studie haben wir th beobachteten auche Freisetzungsverhalten der verdichteten porösen Ti sowohl gegenüber dichte und poröse Ti durch visualisiert Detektion des GFP-Überzugsschicht, wie in Figur 4 gezeigt. Die Ergebnisse waren konsistent mit unseren früheren Studie, 26, in dem die verdichtete poröse Gerüste besitzen deutlich verbesserte Freisetzungsverhalten von beschichteten Materialien, die Verlängerung der Rücklaufzeit von bis zu vier Monate wegen der erhöhten torturosity der Gerüste mit verminderter Porengrößen. Der Strom 30 Tag-Freisetzungstest zeigt deutlich die verbleibenden GFP auf der Oberfläche des verdichteten porösen Ti im Gegensatz zu keine GFP Rest entweder dicht oder porös Ti Oberflächen.
Schließlich wurde das Verdichtungsverfahren zur Herstellung von gradierten porösen Gerüsten, in denen die inneren und äußeren Teile unterschiedliche Porositäten aufgetragen. Für den zylindrischen Gerüst kann eine Differenzierung der Z-Höhen der inneren und äußeren Teile leicht abgestufte porösen Gerüsten führen, wie in 5 gezeigt. Die aufgebrachte Dehnung (ε zz) an dem Innenteil in der in 5B gezeigten porösen Gerüst Ti betrug etwa 0,27, die in der endgültigen Porosität von ~ 57% ergab, während keine Belastung auf den Außenteil aufgebracht. Auf der anderen Seite ist die aufgebrachte Dehnung (ε zz) auf dem äußeren Teil in dem porösen Ti Gerüst in 5B betrug etwa 0,33, die in der endgültigen Porosität von ~ 45% führte, während der innere Teil war fast intakt, die Erhaltung der anfänglichen Porosität (Tabelle 3). Allerdings wurden zwei große Herausforderungen für die abgestufte poröse Gerüste aus diesem Experiment beobachtet. Zunächst werden die kontinuierlichen inneren und äußeren Teile induzierte inkonsistent Spannungs- und Dehnungsverteilung im Gerüst; Somit erfolgte die Verdichtung inhomogen, wobei die Bereiche um die oberen und unteren Oberflächen waren dichter als die um die innere Oberfläche. Diese Tendenz war kritisch, da der Höhenunterschied der beiden Teile vergrößert. Darüber hinaus ist die abgestufte Porouns mit der dichteren Innenteil Gerüst war schwieriger herzustellen als das Gerüst mit der dichteren Außenteil, weil die Verdichtung des inneren Teils durchgeführt werden, wobei mit dem äußeren Teil, der in inhomogenen Verformung in den zwei Teilen in Folge beschränkt. Um die inhomogene Verdichtung des abgestuften Gerüsts beheben, zwei separate Teile, die während des Verdichtungsprozesses montiert werden kann haben wir. Obwohl in dieser Arbeit ist die optimale Bedingung, die perfekt hergestellt abgestufte Porenstruktur zu erzeugen wurde noch nicht vollständig gefunden wurde, wurde das Potential der Verdichtungsverfahren zur Herstellung der abgestuften Struktur gut bestätigt. Der optimierte Herstellungsverfahren der abgestufte Porenstruktur ist im Gange, und weitere Arbeiten wird selektiven Wirkstoffbeladung auf die abgestufte Struktur für die funktionelle Freisetzungsverhalten des Gerüsts untersucht werden.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Vorgehensweise in dieser Studie sind 1) eine bessere mechanical Kompatibilität mit biologischen Geweben mit hoher Festigkeit und 2) verlängert Bioaktivität für bessere biologische Leistung. Allerdings ist einer der Hauptnachteile der reduzierte Porengröße, die nicht das Einwachsen von Knochen durch das Porennetzwerk von metallischen Gerüsten zur besseren Knochen-Implantat-Grenzfläche fördern kann. Um dieses Problem zu, abgestufte Porenstrukturen vorgeschlagen worden, bei dem die poröse und dichte Teile nebeneinander bestehen zu lösen; So sind die porösen Teile erlauben das Einwachsen von Knochen, während die dichten Teile zur mechanischen Stabilisierung bei und verlängerte Bioaktivität. Daher wird Gradientenwerkstoffen Ti-Implantate durch verschiedene Bauformen hergestellt und getestet werden, vor allem mit Schwerpunkt auf die verbesserte Fähigkeit der Knochenintegration. Darüber hinaus sollte eine weitere Einschränkung der Herstellung von Implantaten mit komplizierter Geometrie sein. Um einen komplex geformten Implantats (zB Oberschenkel Konus Augment) zu erhalten, wird die zusätzliche Bearbeitung nach der Verdichtung erforderlich ist, zur Einführung zwei große Nachteile aufdas Endprodukt: ineffizient und unwirtschaftlich Materialeinsatz aufgrund der beträchtlichen Menge der porösen Ti Block wird oft während des Verfahrens entfernt, und potentielle Kontamination und Verlust der beschichteten Biomoleküle während des Bearbeitungsprozesses. Verbesserung des Herstellungsprozesses der porösen Ti Gerüsten mit komplexer Geometrie ist im Gange. Die verdichteten porösen Metallgerüste können verschiedenen orthopädischen Anwendungen, beispielsweise Bandscheibenprothese aufgebracht werden, anstelle entweder der Masse oder poröse metallische Implantate, wie einem Lastträger sowie als Wirkstoffträger wirkt.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Titanium powder | Alfa Aesar | #42624 | -325 mesh, 99.5% (metals basis) |
| Camphene | SigmaAldrich | #456055 | 95%, C10H16 |
| KD-4 | Croda | | Hypermer, polymeric dispersant |
| Phosphate Buffer Solution (PBS) | Welgene | ML 008-01 | |
| Green Fluorescent Protein (GFP) | Genoss Co. | - | >98% purity, 1 mg/ml |
| Ball mill oven | SAMHENUG ENERGY | SH-BDO150 | |
| Freeze dryer | Ilshin Lab. | PVTFD50A | |
| Cold isostatic pressing (CIP) machine | SONGWON SYSTEMS | CIP 42260 | |
| Vaccum furnace | JEONG MIN INDUSTRIAL | JM-HP20 | |
| electical chaege machine | FANUC robocut | 0iB | External use |
| Press machine | CG&S | AJP-200 | |
| Confocal laser scanning spectroscopy (CLSM) | Olympus | FluoView FV1000 | External use |
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