Introduction
Enquanto biomateriais metálicos têm sido amplamente utilizados como implantes de apoio de carga e dispositivos de fixação interna por causa da sua excelente resistência mecânica e elasticidade, 1-3 envolvem dois desafios importantes: 1) incompatibilidade mecânico porque os metais são muito mais rígidos do que os tecidos biológicos, causando danos indesejáveis para os tecidos circundantes e 2) baixa bioactividade que muitas vezes resulta em fraca relação com os tecidos biológicos, muitas vezes provocam reacções de corpos estranhos (por exemplo, inflamação ou trombose). 4-6 andaimes metálicos porosos têm sido propostos para promover o crescimento ósseo nas estruturas, melhorando . contacto osso-implante, enquanto os efeitos de stress de blindagem são suprimidos por causa da sua rigidez reduzida 7-9 Além disso, várias modificações da superfície ter sido aplicada para melhorar as actividades biológicas dos implantes metálicos; tais modificações incluem revestimento de superfície do metal com moléculas bioactivas (por exemplo, crescimento FACres) ou fármacos (por exemplo, vancomicina, tetraciclina) 10-12. No entanto, os problemas, tais como reduzidas propriedades mecânicas de andaimes de metal porosos, diminuição da rigidez e a libertação rápida das camadas de revestimento bioactivos continuam por resolver 13-16.
Em particular, titânio (Ti) e Ti ligas são um dos sistemas Biometal mais populares por causa de suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade química, e boa biocompatibilidade. 13,17-19 Suas aplicações em forma de espuma, também têm atraído crescente interesse porque o 3D redes porosas promover crescimento ósseo, além das propriedades mecânicas do osso semelhantes. 20-22 Foram feitos esforços para melhorar as propriedades mecânicas através do desenvolvimento de novas técnicas de fabrico, incluindo a replicação de esponja polimérica, a sinterização de partículas de metal, de prototipagem rápida método (RP), e espaço método de suporte, a fim de controlar as várias características de poros (por exemplo, fracção de poros,forma, tamanho, distribuição e conectividade) e propriedades do material (por exemplo, fase metálica e de impurezas). 23-25 Recentemente, a fundição congelamento de lodo em metal à base de água tem ganhado considerável atenção para produzir aprimorados mecanicamente formas Ti com poros bem alinhados estruturas, utilizando o unidireccional crescimento dendrítico gelo durante a solidificação; no entanto, a contaminação de oxigênio causada pelo contato de pós metálicos com água requer cuidados especiais para minimizar a fragilização de andaimes Ti. 14,15
Por isso, desenvolvemos uma nova abordagem para a fabricação de scaffolds bioativos Ti porosos e ajustáveis mecanicamente. 25 Os andaimes inicialmente têm estruturas porosas com uma porosidade de mais de 50%. As matrizes porosas fabricadas foram revestidas com moléculas bioactivas e depois comprimida utilizando uma prensa mecânica durante os quais a porosidade final, as propriedades mecânicas e comportamento de libertação do fármaco foi controlada pela aplied tensão. Os implantes porosos densificadas Ti demonstraram baixa porosidade com boa resistência, apesar da baixa rigidez comparável à do osso (3-20 GPa). 2 Por causa da camada de revestimento, a bioactividade do densificada Ti poroso foi significativamente melhorada. Além disso, por causa das estruturas de poros planas originais induzidas pelo processo de densificação, as moléculas bioactivas revestidos foram vistos a ser gradualmente libertado a partir do andaime, mantendo a sua eficácia durante um período prolongado.
Neste estudo, nós introduzimos nosso método estabelecido para fabricar densificadas andaimes Ti porosas para uso potencial em aplicações biomédicas. O protocolo inclui fundição congelamento dinâmica com lamas e densificação de scaffolds porosos metálicos. Em primeiro lugar, para o fabrico de andaimes Ti porosas com boa ductilidade do método de fundição de congelação dinâmica foi introduzido como mostrado na Figura 1A. Ti em pó foi disperso em canfeno líquido; em seguida, pela diminuição da temperatura,a fase líquida foi solidificada, resultando na separação de fase entre a rede de Ti em pó e cristais sólidos canfeno. Subsequentemente, o corpo verde solidificou Ti-canfeno foi sinterizado no qual pós de Ti foram condensados com escoras contínuas Ti, e a fase de canfeno foi completamente removido para se obter uma estrutura porosa. O revestimento e processo de densificação com as matrizes porosas obtidas foi utilizado, variando o grau de densificação e porosidade inicial. A camada de revestimento e o seu comportamento de libertação foram visualizadas e quantificadas utilizando a proteína fluorescente verde (GFP) -Revestido poroso Ti com e sem densificação em comparação com a GFP denso revestido-Ti. Finalmente, andaimes Ti gradação funcional que têm duas estruturas porosas diferentes foram propostos e demonstrados através da variação do grau de densificação das partes internas e externas das matrizes porosas.
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Protocol
1. A fabricação de andaimes metálicos porosos
- Prepare lamas Ti-canfeno por mistura em pó disponíveis comercialmente Ti, canfeno, e KD-4 depois de pesar as quantidades apropriadas de materiais como descrito na Tabela 1 para andaimes Ti porosos com porosidades quatro iniciais (40, 50, 60 e 70). Pour as suspensões em 500 ml de polietileno (PE) e rodar garrafas os frascos a 55 ° C durante 30 min num forno em moinho de bolas a 30 rpm.
- Pour as lamas provenientes dos frascos de PE em alumínio cilíndrica (Al) moldes com um diâmetro de 60 mm e uma altura de 60 mm. Selar cada molde Al com a correspondente tampa de deslizamento Al e rodar os moldes numa estufa em moinho de bolas a uma velocidade de 30 rpm, a 55 ° C durante 10 min.
- Subsequentemente, diminuir a temperatura do forno em moinho de bolas a 44 ° C, e rodar continuamente os moldes a uma velocidade de 30 rpm, à temperatura constante de 44 ° C durante 12 h.
- Retire o molde da bola-moinho de forno rotativo depois adicionalmente os moldes à temperatura ambiente durante 1 h durante o processo de arrefecimento. Retire o corpo verde de titânio / camphene solidificado do molde Al usando um êmbolo Al.
- Coloque o corpo verde de titânio / camphene solidificado em uma bolsa de borracha à mão e selar completamente o saco de borracha, amarrando a boca do saco com uma corda. Coloque o saco de borracha no reservatório de água de uma pressionando (CIP) máquina de frio isostática e aplicar uma pressão isostática de 200 MPa para 10 min. Retire o corpo verde comprimido do saco de borracha.
- Transferir o corpo verde Ti-camphene para um cadinho de alumina com a mão e coloque o cadinho no congelar-máquina de secar roupa. Liofilizar o corpo verde para sublimar a fase canfeno no corpo verde a - 40 ° C durante 24 h.
- Subsequentemente, fechar o cadinho com uma lamela de cobertura de alumina e colocar o cadinho fechado numa fornalha de vácuo (abaixo de 10 Torr -6) à TA. Em seguida, aumentar a temperatura do forno para 1300 ° C a uma r aquecimentoComeram de 5 ° C / min e manter a temperatura a 1300 ° C durante 2 horas.
- Após o tratamento térmico, manter o sinterizado poroso Ti no forno durante 6-7 horas até que o forno é inteiramente arrefecida até à temperatura ambiente.
Nota: Durante 6 horas do processo de arrefecimento, a taxa média de arrefecimento do forno acima de 400 ° C é de ~ 15 ° C / min e a velocidade média de arrefecimento do forno abaixo de 400 ° C é de ~ 2 ° C / min. - Se necessário, cortar o bloco de Ti sinterizado poroso em amostras em forma de disco com um diâmetro de 16 mm por meio de usinagem descarga elétrica (EDM). 27
Nota: Dependendo do tamanho dos moldes de Al, o tamanho do sinterizado poroso Ti precisa ser modificado através do processo de maquinação (Figura 2A). - Coloque um copo de vidro com as amostras porosas Ti num autoclave e esterilizar as amostras a 121 ° C durante 15 min. Retirar as amostras do autoclave. Lavam-se as amostras porosas de Ti com água destilada duas vezes e em seguida com etanol a 70% duas vezes.Finalmente, deixe a Ti porosa em uma placa de Petri e deixe secar as amostras em temperatura ambiente em um banco limpo sob luz UV.
2. Dip Coating de andaimes com agentes bioactivos
- Dilui-se a comercial Fluorescência verde Protein (GFP) a partir de 1 mg / ml a 100 ug / ml em um banco limpo por mistura de 1 ml de GFP com 9 ml de solução de Dulbecco Tamponado com Fosfato Salino (DPBS, pH 7,4) em um 10-esterilizado ml poliestireno (PS) do tubo, tal como indicado na Tabela 1.
- Mergulha-se o esterilizado Ti densos ou porosos em 10 ml de solução diluída de GFP (100 ug / ml), colocando as amostras TI PS para dentro do tubo com a solução de GFP à TA e colocação num bancada limpa.
- Colocar o tubo de PS num exsicador de vácuo e evacuar o exsicador durante 10 minutos para assegurar que a solução de GFP penetra nos poros do Ti poroso de forma mais eficaz.
- Remover o titânio poroso a partir do tubo de PS utilizando pinças. Coloque a revestido poroso Ti-GFP em 10 cm de diâmetro Peprato tri e ar seco O / N à temperatura ambiente em um banco limpo.
- Lavar o Ti poroso duas vezes com 10 ml de Dulbecco Tamponado com Fosfato Salino (DPBS) num copo de vidro, e mover o Ti poroso numa placa de Petri de diâmetro de 10 cm, usando uma pinça e ar seco, à temperatura ambiente numa bancada limpa.
3. Adensamento da porosas Andaimes
- Coloque as amostras TI-GFP porosos revestidos com várias alturas numa matriz de aço cilíndrica, e inserir um conjunto de punções para os orifícios superior e inferior do molde de aço (Figura 3A).
- Comprimir a Ti poroso no interior do conjunto de matriz de aço, à TA na direcção z da amostra (Figura 3A), utilizando uma máquina de prensa em taxas de deformação intermédios de 0,05 ~ 0,1 seg -1 contra as estirpes aplicadas predeterminados mostrados na Tabela 2. Mantenha a pressão para 1 min antes da descarga.
- Retirar as amostras Ti densificadas da matriz de aço. Lavam-se as amostras duas vezes densificadas com 10 ml de DPBSnuma proveta e O ar seco / N à TA numa bancada limpa.
4. Teste de lançamento de Andaimes revestido de GFP
- Imergir três tipos de amostras (revestido-GFP densa Ti (após os passos 2), revestida GFP-porosa Ti (após os passos 1 e 2) e revestido-GFP densificada poroso Ti (após os passos 1-3)) em 5 mL de DPBS (pH 7,4) solução contida em um tubo de 10 ml esterilizado PS a 37 ° C numa bancada limpa.
- Sucção para fora toda a solução de DPBS de cada tubo PS com a amostra revestida de GFP e reabastecer com uma solução de DPBS novos 5 ml (pH 7,4) utilizando uma pipeta de acordo com os tempos pré-determinados de 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 e 29 dias após a imersão.
- Aqui as imagens de fluorescência das amostras revestidas de GFP antes da imersão (dia 0) e depois de 22 dias de imersão utilizando espectroscopia confocal de varrimento laser (CLSM).
- Medir a intensidade de sinal de fluorescência da GFP libertado em 1 ml de solução a partir de um total de 5 ml de solução de DPBS retirada de cada tubo de PS na secção 4.2 usandoEspectroscopia de UV a um comprimento de onda de 215 nm. Converter o valor de intensidade para a concentração da solução de GFP usando a curva padrão.
Nota: Antes da medição, desenhar a curva padrão de uma solução de GFP através da medição da intensidade do sinal de fluorescência da GFP em solução no intervalo de concentração de 0 ng / mL - 10 ng / ml.
5. Fabricação de Graded porosas Ti Andaimes
- Produzir um bloco do sinterizado Ti poroso repetindo o passo 1.1 para o passo 1.7.
- Máquina do bloco Ti poroso sinterizado de acordo com os modelos de estrutura pré-determinados (por exemplo, a Figura 5A e 5d) por EDM.
- Coloque as amostras maquinadas Ti com distribuição altura numa matriz de aço em que o diâmetro poroso de Ti é ~ 0,1 mm menor que o diâmetro do molde e inserir um conjunto de punções para os orifícios superior e inferior da matriz de aço.
- Realize os passos 3.2 e 3.3.
6. A porosidade Measurement de Ti Andaimes
- Medir a massa (M s) de andaimes Ti.
- Calcular o volume aparente (V s) pela medição de comprimento, largura e altura de andaimes Ti.
- Calcular a porosidade usando a seguinte equação:
onde P é a percentagem total de porosidade, ρ Ti é a densidade teórica do titânio e m S / V S é a densidade medida da amostra.
Nota: A porosidade de amostras TI podem ser directamente recuperados a partir de imagens microCT após microCT imagiologia é efectuada utilizando um scanner de tomografia computadorizada de micro.
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Representative Results
O processo de fabrico usado para produzir suportes porosos Ti é ilustrado na Figura 1A. Ti é mantido em pó disperso homogeneamente em canfeno pela rotação contínua do recipiente a 44 ° C durante 12 h e, ao mesmo tempo canfeno líquido é totalmente solidificados, quaisquer sedimentos de pó Ti relativamente pesado pode ser minimizada. Como um resultado, o corpo verde homogénea Ti-canfeno foi produzido utilizando o processo de fundição de congelação dinâmica, como mostrado na Figura 1B, em que 3-interligado tridimensionalmente grandes poros canfeno estão rodeados por a fase de Ti em pó (Figura 1C). No entanto, a rotação incorrecta dos contentores muitas vezes resulta em distribuição não uniforme dos Ti e fases canfeno no corpo verde, causando distorção ou fissuras do andaime poroso seguinte tratamento térmico. A condição ideal de a velocidade de rotação foi encontrado para ser de 30 rpm, o que foi capaz de produzir um corpo verde homogéneo na maioria dos casos. Antes de prosseguirção com o tratamento térmico, o crescimento extensivo de canfeno é confirmado pela observação da secção transversal do corpo verde Ti-canfeno, como mostrado na Figura 1C. Se a fase camphene é descontínua com uma distribuição de tamanho de poros significativa, a temperatura eo tempo de fundição congelamento dinâmica precisa ser redefinido. Tipicamente, a fase de canfeno dos corpos verdes Ti-canfeno foi encontrado para ser bem desenvolvida após 12 h de fundição congelação dinâmica, em que a fase contínua se tornou canfeno desde poros grandes eram esféricas em contacto uns com os outros. O tamanho, a morfologia ea conectividade de poros poroso Ti foram ainda avaliados por meio de análise micro-CT depois do tratamento térmico.
Após sinterização a 1300 ° C, os blocos porosos Ti são cortados em amostras múltiplas de forma cilíndrica por máquina de descarga eléctrica (Figura 2A). Os corpos de prova cilíndricos obtidos não mostram fissuras ou defeitos. Imagens representativas micro-CT do Porous andaimes Ti fabricados por métodos convencionais (parte superior) e congelamento dinâmica de elenco (parte inferior) são mostrados na figura 2B. A estrutura de poros das amostras TI a partir da fundição por congelação convencional mostra o alinhamento direccional dos poros com poros de forma irregular por causa do crescimento dendrítico de canfeno durante o congelamento. Por outro lado, a amostra da carcaça congelação dinâmica apresenta poros quase esféricas com uma distribuição aleatória de poro. Além disso, as imagens microscópicas de resolução mais elevado dos andaimes Ti porosas com diferentes porosidades (porosidade inicial (IP) = 50, 60, e 70% em volume) mostram claramente poros esféricos aleatoriamente distribuídos dentro da rede de Ti (Figura 2C). O tamanho de poro dos suportes porosos Ti diminuiu à medida que o volume de canfeno diminuiu.
Subsequentemente, os andaimes Ti porosos fabricados são revestidos com biomoléculas e densificada dentro do molde através da variação da tensão aplicada, como mostrado na Figura 3A. Para a VIsualização da camada de revestimento bioactivo nas amostras TI, proteína fluorescente verde (GFP) foi utilizada neste estudo. A tensão aplicada (ε ZZ), que corresponde à pressão (P ZZ), é encontrado para variar o grau de densificação como mostrado na Figura 3B. O formato do poro se aplana como o grau de densificação aumenta e, como resultado, na maior densificação, poros quase desaparecer devido poros vizinhos estão em contacto uns com os outros. No entanto, no nosso estudo anterior, confirmou-se que os canais de poros das amostras densificadas estão ainda abertos, com quase a mesma superfície que a do Ti porosa da mesma porosidade. 25 Para avaliar as amostras de densificadas com diferentes porosidades de partida, o Z-altura deve variar dependendo da porosidade inicial para que a amostra densificada para ter a mesma porosidade final. A Tabela 2 apresenta também as estirpes aplicadas previstas para obter a final p alvoorosity (PF) das matrizes porosas densificadas com diferentes porosidades iniciais. Por exemplo, para produzir as amostras porosas densificadas com PF = 5%, o andaime poroso com IP = 70% necessita de uma tensão de aproximadamente 0,7, enquanto o andaime com IP = 50% necessita de aproximadamente 0,5. Por conseguinte, a altura inicial dos suportes porosos foram cuidadosamente calculados de acordo com a porosidade inicial, de modo a obter amostras com a mesma altura final após densificação. Como mostrado na Figura 3C, quatro amostras com diferentes porosidades do IP = 40% a 70% apresentam diferentes alturas iniciais antes da densificação e, em seguida, no final, com alturas quase idênticas de 2 mm.
GFP foi usado para visualizar a camada de revestimento em poroso (IP = 70%) e densificada poroso Ti (IP = 70%, PF = 7%) em comparação com amostras comerciais Ti denso como se mostra na Figura 4A. Todas as três amostras de mostrar claramente a morfologia da superfície revestida correspondente ao thmicroestruturas EIR. A superfície totalmente densa Ti é completamente coberto com uma camada de revestimento verde, enquanto que as amostras porosas porosos e densificadas têm cor verde Ti suportes com poros claras. Usando estas três amostras revestidas mostrados na Figura 4A, o comportamento de libertação foi observado (Figura 4B). A quantidade de GFP libertado a partir de cada amostra foi expressa como a média ± desvio padrão (n = 3) e foi controlado até um mês através da medição da intensidade de fluorescência. Ambos densa e porosa Ti foram encontrados para ter comportamento de libertação GFP rápido com efeito inicial de rebentamento, com a maioria liberada no prazo de uma semana. No entanto, densificada Ti poroso mostra a libertação contínua até um mês, demonstrando claramente GFP sobre a superfície, mesmo após um mês (CLSM imagens da Figura 4B).
O processo de densificação, também pode ser aplicada para a fabricação de suportes porosos Ti funcionalmente classificadas como apresentado na Figura 5. As duas poteesquemas de design cial de estruturas de gradiente foram escolhidas, das quais as camadas interiores e exteriores de um andaime cilíndrica têm diferentes porosidades. Para a estrutura com um núcleo mais denso mostrado na Figura 5A, a parte exterior do andaime Ti foi reduzido por maquinagem mecânica, como mostrado na Figura 5B. Depois de densificação selectiva da parte interna superior, a estrutura de gradiente foi obtido. A informação estrutural detalhada das Figuras 5Bb e 5E medido por micro CT é fornecida na Tabela 3 A imagem micro CT da Figura 5C mostra claramente as partes interiores e exteriores do andaime com diferentes porosidades (interior:. PF = ~ 60%, exteriores; PF = ~ 70%). Em alternativa, uma estrutura com a camada exterior densa pode ser produzido mudando a diferença de altura entre as partes interior e exterior (Figura 5D). O Ti poroso com as partes superior e inferior exteriores internas resulta num o mais densoUter parte após a densificação (Figura 5E), em que a porosidade da parte exterior foi reduzido para ~ 45%, com a parte interior com a porosidade inicial preservada (IP = 70%), como indicado na Figura 5F.
Figura 1. Fabricação de Ti-camphene corpo verde por vazamento congelamento dinâmico. (A) Ilustração esquemática do processo de embalagem freeze dinâmica para obter solidificou Ti-camphene corpo verde antes do tratamento térmico (Adaptado com permissão de Elsevier, Jung et al., 2013). (B) imagem óptica de um corpo verde Ti-canfeno representativa após a conclusão do processo de fundição de congelação dinâmica. Imagem em corte transversal (C) do corpo verde Ti-canfeno em que a fase sólida é canfeno distribuídos aleatoriamente dentro dos PHAs contínuas pó Tie. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. andaimes Porous Ti com vários porosidades iniciais depois do tratamento térmico. (A) As imagens ópticas de um bloco poroso Ti totalmente sinterizado antes e depois de usinagem e um cilíndrico andaime Ti poroso obtido a partir de usinagem. (B) imagens seccionais micro-CT dos andaimes Ti porosos fabricados por congelamento convencional de seleção de elenco (topo) e congelamento dinâmica de elenco (baixo). Setas amarelas na imagem superior da Figura 2B indicam o alinhamento dos poros na direcção radial. (C) as imagens de secção transversal dos andaimes Ti porosos fabricados por congelação dinâmica de fundição com a porosidade inicial (IP) de 70% (superior), 60%(meio) e 50% (em baixo), onde inserções são as imagens ópticas dos correspondentes andaimes Ti porosos (Adaptado com permissão de Elsevier, Jung et al., 2013). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. dip-coating e densificação de andaimes Ti porosas. (A) Representação esquemática do processo de fabricação de uma estrutura de suporte metálica porosa densificada (Ti) revestido com biomoléculas (por exemplo, GFP) (Adaptado com permissão de Elsevier, Jung et ai. , 2015). (B) imagens de seção transversal da densificadas andaimes Ti porosos (PI = 70%) na tensão aplicada (ε zz) = 0, 0,53, 0,63, 0,68, resultando na porosidade finais (FP = 70, 33, 19, 7%). (C Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. No comportamento de libertação in vitro de densificadas andaimes Ti porosas carregadas com GFP. (A) típicos CLSM imagens de GFP carregado na superfície de densas, porosos e densificadas andaimes Ti. (B) Montantes cumulativos dos GFP liberados da densa, poroso e densificada Ti andaimes até 29 dias (n = 3) com as imagens MCVL desses três amostras após imersão no PBS durante 24 dias (barra de escala = 200 mm). Desvio padrão (SD) é-nosed para a barra de erro descritiva de cada ponto de dados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. A fabricação de andaimes de metal poroso com gradação funcional. (A) Esquema de um projeto andaime poroso com classificação parte interna mais densa. (B) Graded poroso Ti andaime com a parte interna mais denso fabricado através de densificação. Micro-imagem CT graduada de andaime poroso Ti (C) 2-D reconstruído com a parte interna mais densa. (D) de um desenho esquemático de andaime com gradiente de porosidade com a parte exterior mais densa. (E) Graded poroso Ti andaime com a parte exterior mais denso fabricado através de densificação em que o andaime possui um núcleo interno porosorodeada pela camada externa densificada. Imagem micro-CT de classificados andaime Ti poroso com a parte exterior mais densa (F) 2-D reconstruído. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Amostra-alvo | Ti-canfeno suspensão | Solução de revestimento | |||
| Ti em pó (g) | Canfeno (g) | KD-4 (g) | GFP (ml) | PBS (ml) | |
| Ti andaime com IP = 40% | 204,3 | 90 | 0,294 | 1 | 9 |
| Ti andaime com IP = 50% | 171,4 | 97 </ td> | 0,268 | ||
| Ti andaime com IP = 60% | 136,5 | 103 | 0,239 | ||
| Ti andaime com IP = 70% | 100 | 110 | 0,21 | ||
Tabela 1. Informações detalhadas da pasta Ti-camphene e solução de revestimento para a fabricação de scaffolds porosos alvo Ti (IP = 40, 50, 60, 70%) revestidas com GFP. (IP significa porosidade inicial).
| Porosidade inicial (%) | Porosidade final (%) | ||||||
| 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 |
Tabela 2. Previsto tensão aplicada (ε ZZ) de matrizes porosas (IP = 50, 60, 70%) em termos da porosidade finais (PQ) utilizando a equação, PF = 1 - (1- IP) / (1- ε zz).
| Espécime | Antes de densificação | Depois de densificação | |||||
| Altura (mm) | Porosidade (%) | O tamanho dos poros (| iM) | Altura (mm) | Porosidade (%) | O tamanho dos poros (| iM) | ||
| Parte interna | 18 ± 1 | 70 ± 1 | 370 ± 100 | 13 ± 1 | 57 ± 5 | 285 ± 100 | |
| Parte exterior | 14 ± 1 | 70 ± 5 | 365 ± 110 | ||||
| Andaime graduada de Fig. 5e | Parte interna | 14 ± 2 | 12 ± 1 | 70 ± 8 | 315 ± 110 | ||
| Parte exterior | 18 ± 1 | 45 ± 8 | 230 ± 80 | ||||
Tabela 3. A informação estrutural das partes interior e exterior de matrizes porosas graduados (Figura 5B e Figura 5E) antes e depois de densificação em termos da altura z, a porosidade e o tamanho médio do poro medido por micro-CT.
| Porosidade inicial de porosa Ti (%) | Antes de densificação | Depois de densificação (PF = 5%) | ||
| Rigidez (ACP) | Rendimento (MPa) | Rigidez (ACP) | Rendimento (MPa) | |
| 50 | 19 | 143 | 44 | > 370 |
| 60 | 13 | 130 | 42 | > 370 |
| 70 | 5 | 58 | 35 | > 370 |
Tabela 4. Rigidez e resistência à deformação de andaimes Ti porosos (IP = 50, 60, 70%) antes e depois adensamento (Adaptado com permissão de Elsevier, Jung et al., 2015).
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Discussion
Embora os sistemas de Biometal têm sido amplamente utilizado para aplicações biomédicas, em particular, como materiais de suporte de carga, elevada rigidez e baixa bioactividade de metais têm sido consideradas como principais desafios. Neste estudo, foi estabelecido o método de fabricação de um novo sistema de metal, um andaime de metal poroso densificada que tem propriedades mecânicas, bem como biomiméticos superfície bioactiva com comportamento de libertação sustentável. As principais vantagens do nosso processo de fabrico incluem: 1) nenhuma mudança no método anterior fundição congelação dinâmica que já desenvolvido, 28 2) de controlo de um parâmetro de grau de densificação para alcançar tanto o reforço mecânico e comportamento de libertação sustentável de biomoléculas a partir poroso andaimes metálicos e 3) aplicação potencial para gradação funcional materiais.
Um dos passos críticos necessários para produzir o metal poroso densificada é a fabricação de poroso Ti, que possui dois importantes features: 1) ductilidade para controlar a taxa de libertação de moléculas bioactivas e as propriedades mecânicas e 2) elevada interconectividade dos poros para carregar e libertam biomoléculas. No entanto, anteriormente relatado matrizes porosas de titânio produzido usando o método de suporte, espaço método modelo de esponja, e metalurgia do pó têm demonstrado quer limitada interconectividade dos poros ou a ductilidade. 14,24,29 Em particular, as impurezas criadas pela reacção de pós metálicos com outro circundante materiais durante o processo de tratamento térmico são conhecidos para reduzir significativamente a ductilidade do material, porque os pós de metal estão em contacto com os segundos materiais (por exemplo, suporte ou molde espaço polímero), resultando em falha quebradiça sob testes mecânicos. 14,24,29 Assim , para o fabrico de metal poroso densificada, as impurezas têm de ser minimizado para a maioria dos métodos de fabrico convencionais. Para evitar esta complicação, foi investigada a morfologia porosa e comportamentos mecânicos Sf andaimes de titânio poroso fabricado utilizando o método de fundição com congelamento canfeno, a fim de minimizar a interacção entre os pós de metal e a fase líquida 26,28,30-33.
Uma desvantagem do método de fundição por congelação convencional é que muitas vezes resulta em canais de poros direccionais (Figura 2B, imagem em cima). Por outro lado, com fundição congelação dinâmica, a forma e o tamanho dos poros foram encontrados para ser mais uniforme do que as da fundição por congelação convencional e a distribuição de poros dentro do andaime é quase aleatória. . Estas características estruturais dos scaffolds porosos de congelamento dinâmica de elenco comportamento mecânico mostra isotrópico, permitindo assim a densificação em um molde confinado sob pressão uniaxial 26,28 Durante fundição congelamento dinâmico, dois grandes eventos ocorrem dentro do lodo em metal: 1) o crescimento de cristais de fase camphene e 2) redistribuição de pós metálicos e solidificou camphene dentro do restante fase líquida evitando sedimentation. A gravidade faz com que os pós de metal de segregar até o canfeno líquido é completamente solidificado. A rotação contínua da suspensão perto da temperatura de fusão de canfeno dá tempo suficiente para que os cristais canfeno esféricas a crescer de forma homogénea, permitindo que a distribuição aleatória e uniforme de pó de cristais de Ti e canfeno, como mostrado na Figura 1C.
Seguindo o processo de arrefecimento, solidificado totalmente Ti-canfeno corpo verde bifásica (Figura 1B) foi obtido. A fim de remover completamente o canfeno do corpo verde solidificado, sem colapso da estrutura, canfeno foi sublimado num secador de vácuo à temperatura de -20 ° C. Após a remoção da fase de canfeno, o corpo verde tornou poroso, que consiste de apenas Ti em pó. Como não há interação entre as partículas de Ti, o corpo verde Ti poroso é frágil por isso é necessário que um tratamento cuidadoso. Para evitar qualquer manipulação direta do corpo verde com as mãos antes de tratamento térmicomento, um cadinho de material cerâmico foi escolhido para o recipiente do corpo verde para liofilização e sinterização. O recipiente com o corpo verde foi colocado num forno a vácuo imediatamente após a liofilização e o tratamento térmico a 1300 ° C, o que permite que o corpo verde para ser totalmente densificado sem defeitos significativos nas estruturas de metal. Para a avaliação das amostras, os blocos porosos foram Ti cortados em cilindros mais pequenos Ti porosas porque a geometria e tamanho das amostras porosas deve ser idêntico (Figura 2A). Todos os espécimes foram maquinadas com sucesso sem quaisquer defeitos significativos (Figuras 2B e 2C). Dependendo da quantidade de energia na suspensão de Ti, Ti andaimes com diferentes porosidades foram obtidos com formas esféricas e poros distribuídos aleatoriamente (Figura 2C).
Após os andaimes Ti porosas foram obtidos utilizando o método de fundição congelamento dinâmico como consta em nosso stu anteriorDY, 28 as biomoléculas foram revestidos sobre a superfície de Ti e densificação do Ti revestido poroso foi realizado como ilustrado na Figura 3A. A fim de evitar qualquer contaminação ou a desnaturação das biomoléculas, o processo de revestimento foi realizado sobre uma bancada limpa à TA no prazo de 24 horas após as matrizes porosas foram autoclavados e cuidadosamente limpo. Para minimizar a perda das biomoléculas revestidos antes da densificação, o processo de limpeza foi minimizada após o processo de revestimento foi realizado. O processo de densificação foi controlada pela deformação aplicada das amostras porosas de Ti na direcção-z, convertida em tensão, ε 26 ZZ. Dependendo da porosidade inicial dos suportes de Ti, a tensão aplicada e correspondente porosidade final foram variada (Tabela 2 ). A fim de assegurar as matrizes porosas densificadas com diferentes porosidades inicial tinha geometrias e tamanhos finais idênticas, a estirpe de aplicado o indivandaimes dupla foi calculada e a altura total da amostra (comprimento na direcção z) de cada amostra foi então previsto antes da densificação. A Figura 3D indica que as diferentes alturas das amostras porosas individuais com porosidade variável poderia levar a amostra porosa densificado com altura final idêntica à mesma porosidade final.
Ao controlar o grau de densificação, as matrizes porosas densificadas têm comportamento mecânico único, com libertação prolongada das biomoléculas revestidos. A tensão aplicada muda dois parâmetros importantes dos scaffolds porosos Ti: porosidade final e tamanho dos poros. Os scaffolds porosos com menor porosidade apresentam maior rigidez e força. Nosso estudo anterior relatou o comportamento tensão-deformação de scaffolds porosos densificados com maior força em comparação com Ti poroso (Tabela 4), bem como rigidez significativamente reduzido em comparação com comercial densa Ti. 26 No presente estudo, observamos também thcomportamento e libertação de densificada Ti porosa em comparação com ambos densa e porosa Ti através da detecção visualizado da camada de GFP-revestimento, como mostrado na Figura 4. Os resultados foram consistentes com o nosso estudo anterior, 26 em que as matrizes porosas densificadas possuem melhorou significativamente o comportamento de libertação de materiais revestidos, que prolongam o tempo de libertação por até quatro meses devido a um aumento da torturosity dos andaimes com tamanhos de poros diminuiu. O teste de libertação dia 30 mostra claramente a corrente de GFP remanescente na superfície do Ti densificada poroso em contraste com um resto de GFP em ambos superfícies densos ou porosos Ti.
Finalmente, o método de compressão foi aplicada à produção de matrizes porosas gradação funcional em que as partes interior e exterior têm diferentes porosidades. Para o andaime cilíndrica, diferenciando os Z-alturas das partes interior e exterior pode facilmente levar a matrizes porosas classificados como mostrado na Figura 5. A tensão aplicada (ε zz) na parte interna no andaime Ti poroso mostrado na Figura 5B foi de ~ 0,27, o que resultou na porosidade final do ~ 57%, enquanto nenhuma tensão foi aplicada à parte exterior. Por outro lado, a tensão aplicada (ε zz) na parte exterior do andaime Ti porosa na Figura 5B foi de ~ 0,33, o que resultou na porosidade final do ~ 45%, enquanto a parte interna era quase intacta, preservando a porosidade inicial (Tabela 3). No entanto, dois grandes desafios para os scaffolds porosos graduais foram observadas a partir desta experiência. Em primeiro lugar, as partes interiores e exteriores contínuas estresse induzido inconsistente e distribuição de estirpe dentro do andaime; Assim, ocorreu a densificação não homogeneamente, onde as regiões em torno das superfícies superior e inferior foram mais denso do que aqueles em torno da superfície interior. Esta tendência foi crítica como a diferença de altura das duas partes aumentada. Além disso, a poro classificadasnos scaffold com a parte interna mais densa era mais difícil de produzir do que o andaime com a parte exterior mais densa porque a densificação da parte interna deve ser levada a cabo, sendo confinado com a parte exterior, o que resultou na deformação não homogénea dentro das duas partes. Para resolver a densificação não homogénea do andaime graduada, desenvolvemos duas partes separadas que podem ser montadas durante o processo de densificação. Embora neste trabalho, a condição óptima para produzir a estrutura porosa graduada perfeitamente fabricados não foi ainda totalmente encontrado, o potencial do processo de densificação para a produção da estrutura graduada foi bem confirmado. O método de fabricação otimizada da estrutura porosa graduada está em curso e, como a prossecução do trabalho, carga de droga seletiva para a estrutura classificados serão investigadas para o comportamento de libertação funcional do andaime.
As vantagens da abordagem proposta neste estudo incluem: 1) melhor mechanical compatibilidade com os tecidos biológicos com boa resistência e 2) bioatividade prolongada para um melhor desempenho biológico. No entanto, uma das principais desvantagens é a reduzida dimensão de poro que não pode promover crescimento ósseo através da rede de poros de andaimes metálicos para uma interface osso-implante melhor. Para resolver este problema, estruturas de poros graduados têm sido propostas, em que as partes porosas e densas coexistir; Assim, as partes porosas permitem o crescimento ósseo, enquanto as partes densas proporcionar estabilidade mecânica e bioactividade prolongada. Portanto, implantes de Ti com gradação funcional através de diversos projetos estruturais serão fabricados e testados, em particular, com foco na melhoria da capacidade de integração óssea. Além disso, uma outra limitação deve ser a fabricação de implantes com geometria complicada. A fim de obter um implante de forma complexa (por exemplo, femoral cone Augment), o processo de maquinagem adicional é necessária depois de densificação, impondo dois grandes inconvenientes emo produto final: o uso de material ineficiente e antieconómico porque o volume significativo de bloco Ti porosa é frequentemente removido durante o processo, e a potencial contaminação e perda de biomoléculas revestidas durante o processo de maquinagem. Melhoria no processo de fabricação dos suportes Ti porosas com geometria complexa está em curso. Os suportes de metal porosos densificadas pode ser aplicada a várias aplicações ortopédicas, por exemplo, substituição de disco artificiais, que substitui ambos os implantes metálicos a granel ou porosos, e actuando como um suporte de carga, bem como um veículo para fármacos.
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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 |
References
- Long, M., Rack, H. Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective. Biomaterials. 19 (18), 1621-1639 (1998).
- Niinomi, M. Recent metallic materials for biomedical applications. Metall. Mater. Trans. A. 33 (3), 477-486 (2002).
- Frosch, K. H., Stürmer, K. M. Metallic biomaterials in skeletal repair. Eur. J. Trauma. 32 (2), 149-159 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jones, A. C., et al. Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT. Biomaterials. 28 (15), 2491-2504 (2007).
- Li, J. P., et al. Bone ingrowth in porous titanium implants produced by 3D fiber deposition. Biomaterials. 28 (18), 2810-2820 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, J. C., Dunand, D. C. Mechanical properties of directionally freeze-cast titanium foams. Acta Mater. 59 (1), 146-158 (2011).
- Chino, Y., Dunand, D. C. Directionally freeze-cast titanium foam with aligned, elongated pores. Acta Mater. 56 (1), 105-113 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Spoerke, E. D., et al. A bioactive titanium foam scaffold for bone repair. Acta Biomater. 1 (5), 523-533 (2005).
- 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).
- 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).
- Vasconcellos, L. M. R., et al. Porous titanium scaffolds produced by powder metallurgy for biomedical applications. Mater. Res. 11 (3), 275-280 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
