Bioactive and mechanically reliable metal scaffolds have been fabricated through a method which consists of two processes, dynamic freeze casting for the fabrication of porous Ti, and coating and densification of the Ti scaffolds. The densification process is simple, effective and applicable to the fabrication of functionally graded scaffolds.
Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness and low bioactivity of metals. In this study, we have developed a new method towards fabricating a new type of bioactive and mechanically reliable porous metal scaffolds-densified porous Ti scaffolds. The method consists of two fabrication processes, 1) the fabrication of porous Ti scaffolds by dynamic freeze casting, and 2) coating and densification of the porous scaffolds. The dynamic freeze casting method to fabricate porous Ti scaffolds allowed the densification of porous scaffolds by minimizing the chemical contamination and structural defects. The densification process is distinctive for three reasons. First, the densification process is simple, because it requires a control of only one parameter (degree of densification). Second, it is effective, as it achieves mechanical enhancement and sustainable release of biomolecules from porous scaffolds. Third, it has broad applications, as it is also applicable to the fabrication of functionally graded porous scaffolds by spatially varied strain during densification.
Mens metalliske biomaterialer har blitt mye brukt som bærende implantater og interne fikseringsanordninger på grunn av deres utmerket mekanisk styrke og elastisitet, 1-3 involvere de to kritiske utfordringer: 1) mekanisk mismatch fordi metallene er mye stivere enn biologiske vev, forårsaker uønskede skader til de omkringliggende vev og 2) lav bioaktivitet som ofte resulterer i dårlig grensesnitt med biologisk vev, ofte vekkfremmedlegemereaksjoner (for eksempel, betennelse eller trombose). 4-6 Porøse metalliske stillas er blitt foreslått for å fremme beninnvekst i strukturene, bedre . bone-implantat kontakt mens de stresset skjold effekter undertrykkes på grunn av deres redusert stivhet 7-9 Også ulike overflate modifikasjoner blitt brukt for å forbedre de biologiske aktiviteter av metalliske implantater; slike modifikasjoner inkluderer belegg metalloverflaten med bioaktive molekyler (f.eks vekst factors) eller legemidler (f.eks, vancomycin, tetracyklin). 10-12 imidlertid problemer som reduserte mekaniske egenskapene til porøse metall stillaser, redusert stivhet og rask frigjøring av bioaktive belegningslag forbli uløst. 13-16
Spesielt, titan (Ti) og Ti-legeringer er en av de mest populære Biometall systemer på grunn av sine gode mekaniske egenskaper, kjemisk stabilitet, og god biokompatibilitet. 13,17-19 deres skumformet applikasjoner har også tiltrukket seg økende interesse fordi 3D porøse nettverk fremme beninnvekst i tillegg til beinlignende mekaniske egenskaper. 20-22 Arbeidet har vært gjort for å forbedre de mekaniske egenskapene ved å utvikle nye produksjonsteknikker som replikering av polymer svamp, sintring av metallpartikler, rapid prototyping (RP) metode, og plass holder metode for å kontrollere de forskjellige funksjoner i porene (f.eks pore fraksjon,form, størrelse, distribusjon, og tilkoblings) og materialegenskaper (f.eks metallic fase og urenhet). 23-25 Nylig fryse støping av vannbasert metall slurry har fått betydelig oppmerksomhet til å produsere mekanisk forbedrede Ti skjemaer med godt justert pore strukturer ved å utnytte den ensrettede isen Dendritt vekst under størkning; Men oksygen forurensning forårsaket av kontakt av metallpulver med vann krever spesiell omsorg for å redusere sprøhet av Ti stillaser. 14,15
Derfor har vi utviklet en ny tilnærming mot fabrikere bioaktive og mekanisk tunbare porøse Ti stillaser. 25 stillasene i utgangspunktet har porøse strukturer med en porøsitet på mer enn 50%. De fabrikkerte porøse stillasene ble belagt med bioaktive molekyler og deretter komprimert med en mekanisk trykk der den endelige porøsitet, mekaniske egenskaper og legemiddeldosering atferd ble kontrollert av apparaed belastning. De densifiserte porøse ti- implantater har vist lav porøsitet med god styrke til tross for lav stivhet sammenlignes med ben (3-20 GPa). 2. På grunn av belegglaget ble bioaktiviteten av det densifiserte porøse Ti betydelig forbedret. Videre, på grunn av de unike flate porestrukturer indusert av fortetningsprosessen ble de belagte bioaktive molekyler sett å bli gradvis frigitt fra stillaset, opprettholde sin effektivitet over en lengre periode.
I denne studien har vi introdusert vår etablert metode for å dikte densifiserte porøse Ti stillaser for potensiell bruk i biomedisinske applikasjoner. Protokollen inkluderer dynamisk frysing casting med metall slurrier og fortetting av porøse stillaser. Først, for å fremstille porøse Ti stillas med god duktilitet den dynamiske frysestøpemetoden ble innført som vist i figur 1A. Ti-pulver ble dispergert i flytende kamfen; deretter, ved å redusere temperaturen,væskefasen ble gjort fast, noe som resulterer i faseseparasjon mellom Ti-pulver nettverket og faste kamfen krystaller. Deretter ble størknet Ti-kamfen grønne legemet sintres hvori Ti-pulver ble kondensert med kontinuerlig Ti struts, og kamfen fase ble fullstendig fjernet for å oppnå en porøs struktur. Belegget og fortetting prosess med de oppnådde porøse stillasene ble anvendt, variere graden av fortetting og initial porøsitet. Dekkbelegget og dets frigjøring oppførsel ble visualisert og kvantifisert ved hjelp av grønt fluorescerende protein (GFP) -belagt porøs Ti med og uten fortetning sammenlignet med GFP-belagte tett Ti. Til slutt ble funksjonelt gradert Ti stillaser som har to forskjellige porøse strukturene foreslått og demonstrert ved å variere graden av fortetting av de indre og ytre deler av de porøse stillaser.
Mens Biometall systemer har vært mye brukt for biomedisinske anvendelser, spesielt, som bærende materialer av høy stivhet og lav bioaktivitet av metaller har vært ansett som store utfordringer. I denne studien har vi etablert fabrikasjon metoden for en ny metall-system, en fortettet porøst metall stillas som har biomimetic mekaniske egenskaper samt bioaktive overflate med bærekraftig utgivelsen oppførsel. De store fordelene ved vår fremstillingsmetode omfatter 1) ingen endring i det foregående dynamisk frysest?…
The authors have nothing to disclose.
This research was supported by the Technology Innovation Program (Contract grant No. 0037915, WPM Biomedical Materials-Implant Materials) and Industrial Strategic Technology Development Program (Contract grant No. 10045329, Development of customized implant with porous structure for bone replacement), funded by the Ministry of Trade, industry & Energy (MI, Korea), and BK21 PLUS SNU Materials Division for Educating Creative Global Leaders (Contract grant No. 21A20131912052).
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, 1mg/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 |