Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

تصنيع ميكانيكيا الانضباطي والحيويه المعادن سقالات للتطبيقات الطبية الحيوية

doi: 10.3791/53279 Published: December 8, 2015

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

بينما الحيوية المعدنية وقد استخدمت على نطاق واسع كما يزرع الحاملة والأجهزة التثبيت الداخلية بسبب قوتها ممتازة الميكانيكية والمرونة، 1-3 أنها تنطوي على تحديين أساسيين: 1) عدم تطابق الميكانيكية لأن المعادن هي أشد بكثير من الأنسجة البيولوجية، مما تسبب في أضرار غير مرغوب فيها إلى الأنسجة المحيطة و2) النشاط الحيوي المنخفض الذي غالبا ما يؤدي إلى ضعف التفاعل مع الأنسجة البيولوجية، وكثيرا ما أثار ردود فعل جسم غريب (مثل التهاب أو تجلط الدم). وقد اقترحت 4-6 السقالات المعدنية المسامية لتعزيز نشوب العظام في الهياكل، وتحسين الاتصال العظام زرع حين قمعت آثار درعا الإجهاد بسبب انخفاض صلابة من 7-9 وعلاوة على ذلك، تم تطبيق مختلف التعديلات السطحية لتعزيز الانشطة البيولوجية ليزرع المعدنية. وتشمل هذه التعديلات طلاء سطح المعدن مع الجزيئات النشطة بيولوجيا (على سبيل المثال، القوات المسلحة الكونغولية النموالاختصاصات) أو الأدوية (مثل فانكومايسين، التتراسيكلين) 10-12 ومع ذلك، المشاكل مثل انخفاض الخواص الميكانيكية للسقالات معدنية مسامية، انخفض صلابة والإفراج السريع لطبقات الطلاء النشطة بيولوجيا لا تزال دون حل. 13-16

على وجه الخصوص، التيتانيوم (تي) وتي سبائك هي واحدة من أنظمة biometal الأكثر شعبية بسبب خصائصها الميكانيكية الممتازة والاستقرار الكيميائية، وتوافق مع الحياة جيدة. 13،17-19 جذبت أيضا تطبيقات على شكل رغوة منها اهتماما متزايدا لأن 3D شبكات مسامية تعزيز نشوب العظام بالإضافة إلى الخواص الميكانيكية مثل العظام. وقد بذلت 20-22 الجهود المبذولة لتحسين الخواص الميكانيكية من خلال تطوير تقنيات التصنيع الجديدة بما في ذلك تكرار من الإسفنج البوليمر، تلبد من جزيئات معدنية، النماذج الأولية السريعة (RP) الأسلوب، و مساحة طريقة حامل من أجل السيطرة على ميزات مختلفة من المسام (على سبيل المثال، المسام جزء،الشكل والحجم والتوزيع والتوصيل) وخصائص المواد (على سبيل المثال، المرحلة المعدنية والنجاسة) 23-25 ​​في الآونة الأخيرة، اكتسبت صب تجميد المياه القائمة على المعادن الطين اهتماما كبيرا لإنتاج تعزيز ميكانيكيا أشكال تي مع المسام متماشية بشكل جيد هياكل من خلال الاستفادة من اتجاه ونمو التغصنات الجليد أثناء التصلب. ومع ذلك، وتلوث الأكسجين الناجم عن الاحتكاك ومساحيق المعادن مع الماء يتطلب رعاية خاصة للحد من التقصف السقالات تي. 14،15

لذلك، وضعنا نهجا جديدا نحو افتعال السقالات تي مسامية النشطة بيولوجيا والانضباطي ميكانيكيا. 25 والسقالات لها في البداية الهياكل التي يسهل اختراقها مع المسامية أكثر من 50٪. تم المغلفة السقالات التي يسهل اختراقها ملفقة مع الجزيئات النشطة بيولوجيا ومن ثم ضغطها باستخدام الصحافة الميكانيكية خلالها المسامية النهائية، كانت تسيطر عليها الخواص الميكانيكية والسلوك تحرر الدواء من قبل تطبيق صحيفةإد سلالة. وقد أظهرت يزرع تي مسامية مكثف المسامية منخفضة مع قوة جيدة على الرغم من صلابة منخفضة مماثلة لتلك التي من العظام (3-20 جيد جدا). 2 لأن طبقة الطلاء، والنشاط الحيوي للمسامية تي مكثف وتحسنت بشكل ملحوظ. وعلاوة على ذلك، بسبب الهياكل المسام مسطحة الفريدة الناجمة عن عملية التكثيف، كان ينظر إلى الجزيئات النشطة بيولوجيا المغلفة ان يفرج عنها تدريجيا من السقالة، والحفاظ على فعاليتها لفترة طويلة.

في هذه الدراسة، قدمنا ​​أسلوبنا الذي أنشئ لافتعال مكثف السقالات تي مسامية لاستخدامها المحتمل في التطبيقات الطبية الحيوية. ويتضمن البروتوكول دينامية الصب تجميد مع عجائن المعدنية والتكثيف من السقالات التي يسهل اختراقها. أولا، لافتعال السقالات تي التي يسهل اختراقها مع ليونة جيدة تم إدخال ديناميكية طريقة التجميد الصب كما هو مبين في الشكل 1A. وقد فرقت مسحوق تي في الكمفين السائل. ثم، من خلال خفض درجة الحرارة،وقد عزز الطور السائل، مما أدى إلى فصل المرحلة بين شبكة مسحوق تي وبلورات الكمفين الصلبة. وفي وقت لاحق، ومتكلس الجسم الخضراء عزز تي الكمفين التي تم مكثف مساحيق تي تي مع الدعامات المستمرة، وتمت إزالة المرحلة الكمفين تماما للحصول على بنية مسامية. كان يعمل في طلاء وعملية التكثيف مع السقالات التي يسهل اختراقها الحصول عليها، تتفاوت درجة التكثيف والمسامية الأولية. وتصور طبقة الطلاء والسلوك صدوره وكميا باستخدام البروتين الفلوري الأخضر (GFP) المغلفة التي يسهل اختراقها تي مع وبدون التكثيف مقارنة كثيفة تي المغلفة GFP. وأخيرا، تم اقتراح متدرج وظيفيا السقالات تي التي لديها اثنين من الهياكل التي يسهل اختراقها مختلفة، وأثبتت من خلال تغيير درجة التكثيف من الأجزاء الداخلية والخارجية من السقالات التي يسهل اختراقها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. تصنيع السقالات المعدنية المسامية

  1. إعداد عجائن تي الكمفين عن طريق خلط مسحوق تي المتاحة تجاريا، الكمفين، وKD-4 بعد الموازنة بين كميات مناسبة من المواد كما هو موضح في الجدول رقم 1 لالسقالات تي التي يسهل اختراقها مع أربعة المساميات الأولية (40، 50، 60، و 70). صب عجائن إلى 500 مل البولي إثيلين (PE) زجاجات وتدوير الزجاجات على 55 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة في فرن الكرة مطحنة في 30 دورة في الدقيقة.
  2. صب عجائن من زجاجات PE إلى الألومنيوم أسطواني (آل) قوالب التي يبلغ قطرها 60 ملم وارتفاعه 60 ملم. ختم كل قالب آل مع ما يوازيها من آل زلة تغطية وتدوير القوالب في فرن الكرة مطحنة بسرعة 30 دورة في الدقيقة في 55 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
    1. وفي وقت لاحق، وانخفاض درجة حرارة الفرن الكرة مطحنة إلى 44 درجة مئوية، وبشكل مستمر تدوير قوالب بسرعة 30 دورة في الدقيقة في درجة حرارة ثابتة من 44 درجة مئوية لمدة 12 ساعة.
  3. إخراج القالب من ball-مطحنة الفرن بعد بالإضافة إلى الدورية للقوالب في RT لمدة 1 ساعة لعملية التبريد. إزالة التيتانيوم / الكمفين الجسم الأخضر طدت من العفن آل باستخدام المكبس آل.
  4. ضع التيتانيوم / الكمفين الجسم الأخضر طدت في كيس من المطاط من جهة، وختم تماما حقيبة المطاط من خلال ربط مصب حقيبة مع سلسلة. وضع كيس من المطاط في خزان مياه باردة المتوازنة التضاغط قولبة على (CIP) آلة وتطبيق الضغط المتوازنة التضاغط من 200 ميجا باسكال لمدة 10 دقيقة. إزالة الجسم الأخضر مضغوط من الكيس المطاط.
  5. نقل الجسم الأخضر تي الكمفين الدخول إلى بوتقة الألومينا من جهة، ووضع البوتقة في الجهاز مجفف التجميد. تجميد تجفيف الجسم الأخضر لتسامى المرحلة الكمفين في الجسم الأخضر في - 40 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
  6. وفي وقت لاحق، أغلق بوتقة مع زلة تغطية الألومينا ووضع بوتقة مغلقة في فرن فراغ (أقل من 10 -6 عربة) في RT. ثم، وزيادة درجة حرارة الفرن إلى 1300 درجة مئوية في ص التدفئةأكلت من 5 ° C / دقيقة مع الاستمرار على درجة حرارة 1300 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
  7. بعد المعالجة الحرارية، والحفاظ على مسامية تي متكلس في الفرن لمدة 6-7 ساعة حتى يتم تبريد الفرن تماما RT.
    ملاحظة: خلال 6 ساعات من عملية التبريد، فإن متوسط ​​معدل التبريد من الفرن فوق 400 ° C هو ~ 15 ° C / دقيقة ومتوسط ​​معدل التبريد من الفرن أقل من 400 ° C هو 2 ~ ° C / دقيقة.
  8. إذا لزم الأمر، وقطع كتلة من متكلس مسامية تي في عينات على شكل قرص بقطر 16 مم من خلال تشكيل التفريغ الكهربائي (EDM). 27
    ملاحظة: اعتمادا على حجم قوالب القاعدة، حجم المسامية تي متكلس يحتاج إلى تعديل من خلال عملية تشكيل (الشكل 2A).
  9. وضع دورق زجاجي مع العينات تي مسامية في الأوتوكلاف وتعقيم العينات عند درجة حرارة 121 مئوية لمدة 15 دقيقة. إزالة عينات من الأوتوكلاف. غسل العينات تي المسامية بالماء المقطر مرتين ثم مع 70٪ من الإيثانول مرتين.وأخيرا، وترك تي مسامية في طبق بتري والهواء الجاف العينات في RT على مقاعد البدلاء النظيفة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

2. تراجع طلاء من السقالات مع وكلاء الحيويه

  1. تمييع التجاري الأخضر الإسفار البروتين (GFP) من 1 ملغ / مل إلى 100 ميكروغرام / مل في مقعد نظيفة عن طريق خلط 1 مل من GFP مع 9 مل من الفوسفات مخزنة المالحة (DPBS، ودرجة الحموضة 7.4) حل Dulbecco لفي 10 مل تعقيمها البوليسترين (PS) أنبوب كما هو مبين في الجدول 1.
  2. تزج تي الكثيفة أو التي يسهل اختراقها تعقيمها في 10 مل من محلول GFP المخفف (100 ميكروغرام / مل) عن طريق وضع العينات تي في أنبوب PS مع الحل GFP في RT ووضع على مقعد نظيفة.
  3. وضع أنبوب PS في مجفف فراغ وإجلاء المجفف لمدة 10 دقيقة لضمان حل GFP تخترق مسام تي مسامية على نحو أكثر فعالية.
  4. إزالة التيتانيوم التي يسهل اختراقها من الأنبوب PS باستخدام الملقط. وضع المغلفة GFP مسامية تي في 10 سم القطر بيطبق الثلاثية والهواء الجاف O / N في RT على مقاعد البدلاء النظيفة.
  5. شطف تي يسهل اختراقها مرتين مع 10 مل من Dulbecco والفوسفات مخزنة المالحة (DPBS) في كوب من الزجاج، ونقل تي مسامية إلى 10 سم القطر طبق بتري باستخدام الملقط والهواء الجاف في RT على مقاعد البدلاء النظيفة.

3. التكثيف من المسامية السقالات

  1. وضع مسامية عينات المغلفة GFP تي مع ارتفاعات مختلفة في يموت الصلب أسطواني، وإدراج مجموعة من اللكمات في الثقوب العلوية والسفلية من يموت الصلب (الشكل 3A).
  2. ضغط تي مسامية داخل الجمعية الصلب يموت في RT في اتجاه z من العينة (الشكل 3A) باستخدام آلة الصحافة في معدلات الإجهاد وسيطة من 0.05 ~ 0.1 ثانية -1 ضد سلالات تطبيقها مسبقا هو مبين في الجدول 2. امسك الضغط لمدة 1 دقيقة قبل التفريغ.
  3. إزالة عينات تي مكثف من يموت الصلب. غسل العينات مكثف مرتين مع 10 مل من DPBSفي كوب وO-الهواء الجاف / N في RT على مقاعد البدلاء النظيفة.

4. الإصدار اختبار السقالات المغلفة GFP

  1. تزج ثلاثة أنواع من العينات (المغلفة GFP كثيفة تي (بعد خطوات 2)، المغلفة GFP مسامية تي (بعد الخطوتين 1 و 2) والمغلفة GFP مكثف مسامية تي (بعد الخطوات 1-3)) في 5 مل DPBS (الرقم الهيدروجيني 7.4) الحل الوارد في 10 مل تعقيم أنبوب PS عند 37 درجة مئوية على مقاعد البدلاء النظيفة.
  2. شفط خارج كل حل DPBS من كل أنبوب PS مع عينة المغلفة GFP وتجديد بمحلول 5 مل جديدة DPBS (7.4 درجة الحموضة) باستخدام ماصة وفقا لمرات محددة سلفا من 1، 2، 3، 5، 8، 12، 15 و 22 و 29 يوما بعد الغمر.
  3. أخذ الصور مضان من العينات المغلفة GFP قبل الغمر (يوم 0) وبعد 22 يوما الغمر باستخدام المسح الضوئي ليزر متحد البؤر الطيفي (CLSM).
  4. قياس كثافة إشارة مضان من GFP صدر في 1 مل من محلول من إجمالي 5 مل من محلول DPBS استخلاصها من كل أنبوب PS في القسم 4.2 استخدامالتحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية عند طول موجي 215 نانومتر ل. تحويل قيمة كثافة في تركيز المحلول GFP باستخدام المنحنى القياسي.
    ملاحظة: قبل قياس، رسم المنحنى القياسي من حل GFP عن طريق قياس كثافة مضان إشارة من الحل GFP في نطاق تركيز 0 نانوغرام / مل - 10 ميكروغرام / مل.

5. تصنيع متدرج المسامية تي السقالات

  1. إنتاج كتلة من مسامية تي متكلس بتكرار الخطوة 1.1 إلى الخطوة 1.7.
  2. آلة الملبدة التي يسهل اختراقها كتلة تي وفقا لتصاميم بنية محددة مسبقا (على سبيل المثال، 5A الشكل و5D) من خلال التنظيم الإداري.
  3. وضع العينات تي تشكيله مع ارتفاع في توزيع يموت الصلب حيث القطر من مسامية تي هو ~ 0.1 ملم أصغر من قطر يموت وإدراج مجموعة من اللكمات في الثقوب العلوية والسفلية من يموت الصلب.
  4. تنفيذ الخطوات 3.2 و 3.3.

6. المسامية عنيasurement من تي السقالات

  1. قياس الكتلة (م ق) من السقالات تي.
  2. حساب حجم واضح (V ق) عن طريق قياس طول وعرض وارتفاع السقالات تي.
  3. حساب المسامية باستخدام المعادلة التالية:
    المعادلة 1
    حيث P هي نسبة المسامية الكلية، ρ تي هي الكثافة النظرية من التيتانيوم وم S / V S هو الكثافة المقاسة من العينة.
    ملاحظة: المسامية لعينات تي يمكن استرجاعها مباشرة من الصور microCT بعد إجراء التصوير microCT خارج باستخدام التصوير المقطعي المحوسب الماسح الضوئي الصغير.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ويتضح من عملية التصنيع المستخدمة لإنتاج السقالات تي مسامية في الشكل 1A. يتم الاحتفاظ فرقت مسحوق متجانس تي في الكمفين بالتناوب المستمر للحاويات في 44 درجة مئوية لمدة 12 ساعة و، في حين عزز الكمفين السائل تماما، أي رواسب من مسحوق تي ثقيل نسبيا يمكن التقليل. ونتيجة لذلك، تم إنتاج الجسم أخضر متجانس تي الكمفين باستخدام عملية التجميد الصب الديناميكية كما هو مبين في الشكل 1B، التي يتم فيها حاصرت 3-الأبعاد مترابطة المسام الكمفين كبيرة من مسحوق المرحلة تي (الشكل 1C). ومع ذلك، فإن دوران غير صحيح من حاويات غالبا ما يؤدي إلى توزيع غير متجانس من منظمة الشفافية الدولية ومراحل الكمفين في الجسم الخضراء، مما تسبب في تشويه أو تشقق السقالة التي يسهل اختراقها بعد المعالجة الحرارية. تم العثور على حالة مثلى من سرعة دوران لتكون 30 دورة في الدقيقة، والتي كانت قادرة على إنتاج الجسم أخضر متجانس في معظم الحالات. المضي قدما قبلجي مع المعالجة الحرارية، ويؤكد نمو واسعة من الكمفين من خلال مراقبة المقطع العرضي للجسم الأخضر تي الكمفين كما هو مبين في الشكل 1C. إذا كانت المرحلة الكمفين متقطع مع توزيع حجم كبير من المسام، ودرجة الحرارة والوقت صب تجميد ديناميكية تحتاج إلى إعادة تعيين. عادة، تم العثور على مرحلة الكمفين الهيئات الخضراء تي الكمفين أن متطورة بعد 12 ساعة تجميد ديناميكية الصب، حيث أصبحت المرحلة الكمفين المستمرة منذ كانت مسام كروية كبيرة في الاتصال مع بعضها البعض. تم تقييم حجم والتشكل والربط المسام في مسامية تي باستخدام مزيد من التحليل الجزئي-CT بعد المعالجة الحرارية.

بعد تلبد في 1300 ° C، يتم قطع كتل مسامية تي في عينات اسطوانية الشكل متعددة بالقطع التفريغ الكهربائي (الشكل 2A). لم العينات الأسطوانية التي تم الحصول عليها لا تظهر الشقوق أو العيوب. تمثيلية الصور الدقيقة CT من porouق السقالات تي ملفقة من قبل التقليدي (أعلى) وتجميد ديناميكية الصب (القاع) في الشكل 2B. هيكل المسام من العينات تي من التجميد الصب التقليدي يظهر الاتجاه محاذاة المسام مع المسام غير منتظمة الشكل بسبب النمو شجيري من الكمفين أثناء التجميد. من ناحية أخرى، فإن عينة من دينامية الصب تجميد المعارض المسام كروية تقريبا مع توزيع المسام عشوائي. وعلاوة على ذلك، فإن دقة أعلى صور مجهرية من السقالات تي التي يسهل اختراقها مع المساميات مختلف (المسامية الأولية (IP) = 50، 60، و 70 المجلد٪) تظهر بوضوح المسام كروية موزعة بشكل عشوائي داخل شبكة تي (الشكل 2C). حجم المسام من السقالات تي مسامية انخفضت حيث بلغ حجم الكمفين انخفض.

وفي وقت لاحق، والمغلفة السقالات تي مسامية ملفقة مع الجزيئات الحيوية ومكثف داخل القالب من خلال تغيير سلالة تطبيقها كما هو مبين في الشكل 3A. لالسادسsualization طبقة طلاء الحيوية النشطة على عينات تي، تم استخدام بروتين الفلورية الخضراء (GFP) في هذه الدراسة. سلالة تطبيقها (ε ZZ)، والتي تتطابق مع الضغط (P ZZ)، وجدت أن تختلف درجة التكثيف كما هو مبين في الشكل 3B. شكل المسام يصبح بالارض كما أن ازدياد درجة التكثيف، ونتيجة لذلك، على أعلى التكثيف، المسام تختفي تقريبا بسبب المسام المجاورة على اتصال مع بعضها البعض. ومع ذلك، من دراستنا السابقة، أكدنا أن القنوات المسام من العينات مكثف لا تزال مفتوحة، مع ما يقرب من مساحة السطح نفس كما ان من منظمة الشفافية الدولية التي يسهل اختراقها من نفس المسامية. 25 لتقييم عينات مكثف مع المساميات انطلاق مختلفة، يجب أن تختلف ض ارتفاع اعتمادا على المسامية الأولية من أجل العينة مكثف لديهم نفس المسامية النهائية. ويقدم الجدول 2 أيضا سلالات التطبيقية توقع الحصول ع النهائي المستهدفorosity (FP) من السقالات التي يسهل اختراقها مكثف مع المساميات ابتدائية مختلفة. على سبيل المثال، لإنتاج العينات التي يسهل اختراقها مكثف مع FP = 5٪، السقالة التي يسهل اختراقها مع IP يتطلب = 70٪ سلالة من حوالي 0.7، في حين أن سقالة مع IP = 50٪ تحتاج تقريبا إلى 0.5. ولذلك، فإن آفاق الأولية من السقالات التي يسهل اختراقها ومحسوبة بدقة وفقا لالمسامية الأولية من أجل الحصول على العينات مع نفس الارتفاع النهائي بعد التكثيف. كما هو مبين في الشكل 3C، أربع عينات مع المساميات متفاوتة من IP = 40٪ إلى 70٪ عرض ارتفاعات مختلفة الأولية قبل التكثيف، ثم في النهاية، مع ارتفاعات مماثلة تقريبا من 2 ملم.

تم استخدام GFP لتصور طبقة الطلاء على مسامية (IP = 70٪) ومكثف مسامية تي (IP = 70٪، FP = 7٪) عينة مقارنة التجارية تي كثيفة كما هو مبين في الشكل 4A. جميع العينات الثلاث تعرض بشكل واضح مورفولوجيا السطح المطلي المقابلة إلى thالمجهرية سعر الفائدة الفعلي. يتم تغطية السطح تي كثيفة تماما تماما مع طبقة طلاء الخضراء، في حين أن العينات التي يسهل اختراقها مسامية ومكثف لديها الخضراء الملونة تي الدعامات مع المسام واضحة. باستخدام هذه العينات المغلفة ثلاثة هو مبين في الشكل 4A، لوحظ سلوك إطلاق (الشكل 4B). وأعرب عن كمية GFP الإفراج عن كل عينة باعتبارها ± متوسط ​​الانحراف المعياري (ن = 3) وكانت تتبع ما يصل الى شهر واحد عن طريق قياس كثافة مضان. تم العثور تي كلا الكثيفة والتي يسهل اختراقها أن يكون سريع السلوك الإفراج GFP مع تأثير انفجار الأولي، مع معظم يفرج عنها في غضون أسبوع واحد. ومع ذلك، مكثف مسامية تي يظهر إطلاق مستمر لمدة شهر، والتي تبين بوضوح GFP على السطح حتى بعد شهر واحد (صور CLSM من الشكل 4B).

ويمكن أيضا أن تطبق عملية التكثيف لتصنيع متدرج وظيفيا السقالات تي المسامية كما أدخلت في الشكل (5). وعاء اثنينوقد تم اختيار الخطط تصميم ential هياكل التدرج، والتي من الطبقات الداخلية والخارجية للسقالة اسطوانية لها مسام مختلفة. للهيكل مع جوهر كثافة هو مبين في الشكل 5A، وتقصير الجزء الخارجي من السقالة تي بواسطة الآلات الميكانيكية كما هو مبين في الشكل 5B. بعد التكثيف مختارة من الجزء الداخلي العالي، تم الحصول على هيكل التدرج. يتم توفير المعلومات الهيكلية المفصلة للأرقام 5BB و5E تقاس الصغير CT في الجدول 3 الصورة الدقيقة CT في الشكل 5C يظهر بوضوح في الأجزاء الداخلية والخارجية للسقالة مع المساميات مختلفة (الداخلية: FP = ~ 60٪، الخارجي: FP = ~ 70٪). بدلا من ذلك، وضع هيكل مع كثافة الطبقة الخارجية يمكن أن تنتج عن طريق تغيير فرق الارتفاع بين الأجزاء الداخلية والخارجية (الشكل 5D). منظمة الشفافية الدولية التي يسهل اختراقها مع نتائج الأجزاء العليا الخارجي وأقل الداخلية في س أكثر كثافةuter جزء بعد التكثيف (الشكل 5E)، الذي تم تخفيض المسامية من الجزء الخارجي لل~ 45٪، مع الجزء الداخلي لديها المسامية الأولية محفوظة (IP = 70٪) كما هو مبين في الشكل 5F.

الشكل 1
الشكل 1. تصنيع تي-الكمفين الجسم الاخضر من دينامية الصب التجميد. (A) توضيح تخطيطي لعملية ديناميكية الغلاف تجميد للحصول على طدت تي الكمفين الجسم الأخضر قبل المعالجة الحرارية (مقتبس بإذن من السيفير، يونج وآخرون، 2013). (B) صورة ضوئية من تي-الكمفين الجسم الأخضر التمثيلي بعد الانتهاء من عملية التجميد الصب الحيوية. صورة (C) مقطعية للجسم الأخضر تي الكمفين التي يتم فيها توزيع المرحلة الكمفين الصلبة عشوائيا داخل مستمرة تي phas مسحوقه. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 1
الشكل 2. السقالات المسامية تي مع مختلف المساميات الأولية بعد المعالجة الحرارية. (A) الصور الضوئية من متكلس تماما يسهل اختراقها كتلة تي قبل وبعد تشكيل والحصول على الاسطوانية التي يسهل اختراقها سقالة تي من الآلات. (B) من الاقسام الصور الدقيقة CT من السقالات تي مسامية ملفقة من قبل التجميد التقليدية الصب (أعلى) وتجميد ديناميكية الصب (القاع). الأسهم الصفراء في الصورة العليا في الشكل 2B تشير إلى محاذاة المسام في الاتجاه شعاعي. (ج) وصور مقطعية من السقالات تي مسامية ملفقة من قبل التجميد دينامية الصب مع المسامية الأولية (IP) 70٪ (أعلى)، 60٪(وسط) و 50٪ (القاع) حيث الأشكال والصور الضوئية من المقابلة السقالات تي مسامية (مقتبس بإذن من السيفير، يونج وآخرون، 2013). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 1
الشكل 3. تراجع الطلاء والتكثيف من السقالات تي مسامية. (A) توضيح تخطيطي لعملية التصنيع من مكثف سقالة معدنية مسامية (تي) المغلفة مع الجزيئات الحيوية (على سبيل المثال، GFP) (مقتبس بإذن من السيفير، يونج وآخرون. ، 2015). (B) صور المقطع العرضي للمكثف السقالات تي مسامية (IP = 70٪) في سلالة تطبيقها (ε ZZ) = 0، 0.53، 0.63، 0.68، مما أدى إلى المسامية النهائية (FP = 70، 33، 19، 7٪). (C الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 1
الرقم 4. في السلوك الإفراج المختبر من مكثف السقالات تي مسامية محملة GFP. (A) صور CLSM النموذجية لGFP محملة على سطح الكثيفة، التي يسهل اختراقها ومكثف السقالات تي. (B) مبالغ تراكمية من GFP الإفراج عن الكثيفة، التي يسهل اختراقها ومكثف تي السقالات تصل إلى 29 يوما (ن = 3) مع الصور CLSM من تلك العينات الثلاث بعد الانغماس في برنامج تلفزيوني لمدة 24 يوما (مقياس بار = 200 ميكرون). الانحراف المعياري (SD) هو لناإد لشريط خطأ وصفي من كل نقطة بيانات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 1
الرقم 5. تصنيع متدرج وظيفيا السقالات المعدنية التي يسهل اختراقها. (A) تخطيطي لتصميم سقالة التي يسهل اختراقها متدرج مع الجزء الداخلي أكثر كثافة. (B) مدرج مسامية تي سقالة مع الجزء الداخلي أكثر كثافة ملفقة من خلال التكثيف. (C) 2-D بناؤها الدقيقة CT صورة متدرجة المسامية تي سقالة مع الجزء الداخلي أكثر كثافة. (D) تخطيطي لتصميم سقالة مع المسامية التدرج مع كثافة الجزء الخارجي. (E) مدرج مسامية تي سقالة مع الجزء الخارجي أكثر كثافة ملفقة من خلال التكثيف الذي السقالة تمتلك الأساسية الداخلية التي يسهل اختراقهاوتحيط بها الطبقة الخارجية مكثف. (F) 2-D بناؤها الدقيقة CT صورة متدرجة المسامية سقالة تي مع كثافة الجزء الخارجي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

العينة المستهدفة TI-الكمفين الطين حل طلاء
تي مسحوق (ز) كامفين (ز) KD-4 (ز) GFP (مل) PBS (مل)
منظمة الشفافية الدولية سقالة مع IP = 40٪ 204.3 90 0،294 1 9
منظمة الشفافية الدولية سقالة مع IP = 50٪ 171.4 97 </ td> 0،268
منظمة الشفافية الدولية سقالة مع IP = 60٪ 136.5 103 0،239
منظمة الشفافية الدولية سقالة مع IP = 70٪ 100 110 0.21

الجدول 1. معلومات مفصلة الطين تي الكمفين وحل طلاء لتصنيع السقالات الهدف مسامية تي (IP = 40، 50، 60، 70٪) المغلفة مع GFP. (IP لتقف على المسامية الأولية).

المسامية الأولية (٪) المسامية النهائية (٪)
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

الجدول 2. توقع سلالة تطبيقها (ε ZZ) السقالات التي يسهل اختراقها (IP = 50، 60، 70٪) من حيث المسامية النهائية المستهدفة (FP) باستخدام المعادلة، FP = 1 - (1- IP) / (1- ε ZZ).

الشكل. 5B
عينة قبل التكثيف بعد التكثيف
الارتفاع (مم) المسامية (٪) حجم المسام (ميكرون) الارتفاع (مم) المسامية (٪) حجم المسام (ميكرون)
الجزء الداخلي 18 ± 1 70 ± 1 370 ± 100 13 ± 1 57 ± 5 285 ± 100
الجزء الخارجي 14 ± 1 70 ± 5 365 ± 110
سقالة متدرجة من الشكل. 5E الجزء الداخلي 14 ± 2 12 ± 1 70 ± 8 315 ± 110
الجزء الخارجي 18 ± 1 45 ± 8 230 ± 80

الجدول 3. المعلومات الهيكلية من الأجزاء الداخلية والخارجية من السقالات التي يسهل اختراقها متدرج (الشكل 5B والشكل 5E) قبل وبعد التكثيف من حيث ض الارتفاع، المسامية ومتوسط ​​حجم المسام تقاس الصغير-CT.

المسامية الأولية من المسامية تي (٪) قبل التكثيف بعد التكثيف (FP = 5٪)
صلابة (جيد جدا) ينتج قوة (الأم) صلابة (جيد جدا) ينتج قوة (الأم)
50 19 143 44 > 370
60 13 130 42 > 370
70 5 58 35 > 370

الجدول 4. صلابة وقوة العائد من السقالات تي مسامية (IP = 50، 60، 70٪) قبل وبعد التكثيف (مقتبس بإذن من السيفير، يونج وآخرون، 2015).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

في حين نظم biometal استخدمت على نطاق واسع لالتطبيقات الطبية الحيوية، وخاصة، والمواد الحاملة، وصلابة عالية والنشاط الحيوي منخفض من المعادن تم اعتبار تحديات كبيرة. في هذه الدراسة، أنشأنا طريقة تصنيع نظام المعدن الجديد، وهو مكثف سقالة معدنية مسامية الذي له خصائص الميكانيكية الجزيئية الحيوية وكذلك سطح النشطة بيولوجيا مع السلوك الإفراج المستدام. أهم مزايا طريقة تصنيع لدينا وتشمل 1) أي تغيير في تجميد ديناميكية طريقة الصب السابق الذي وضعنا بالفعل، 28 2) السيطرة على واحدة المعلمة درجة من التكثيف لتحقيق كل من تعزيز الميكانيكية والسلوك الإفراج المستدام من الجزيئات الحيوية من مسامية السقالات المعدنية و3) التطبيق المحتمل أن تصنف وظيفيا المواد.

واحدة من الخطوات الأساسية اللازمة لإنتاج المعادن التي يسهل اختراقها مكثف هو تلفيق من مسامية تي، التي تمتلك اثنين من المهم featuالدقة: 1) ليونة للسيطرة على معدل إطلاق الجزيئات النشطة بيولوجيا والخواص الميكانيكية و2) مسام عالية الترابط لتحميل وإطلاق الجزيئات الحيوية. ومع ذلك، ذكرت سابقا السقالات التي يسهل اختراقها التيتانيوم المنتجة باستخدام طريقة حامل الفضاء، طريقة قالب الاسفنج، ومسحوق المعادن أظهرت إما محدود الترابط المسام أو ليونة. 14،24،29 على وجه الخصوص، والشوائب التي أنشأتها رد فعل مساحيق المعادن مع الآخر المحيطة ومن المعروف المواد أثناء عملية المعالجة الحرارية لخفض كبير في ليونة من المواد بسبب مساحيق المعادن على اتصال مع المواد الثانية (على سبيل المثال، حامل الفضاء أو قالب البوليمر)، مما أدى إلى فشل هش تحت الاختبارات الميكانيكية. 14،24،29 وهكذا لافتعال معدنية مسامية مكثف، تحتاج الشوائب ليكون الحد الأدنى لمعظم طرق التصنيع التقليدية. لتجنب هذه المضاعفات، ونحن التحقيق في التشكل التي يسهل اختراقها والسلوكيات الميكانيكية سملفقة و السقالات التيتانيوم المسامية باستخدام التجميد الصب الأسلوب مع الكمفين من أجل تقليل التفاعل بين مساحيق المعادن والطور السائل. 26،28،30-33

والعيب في الطريقة التقليدية التجميد الصب هو أنه غالبا ما يؤدي إلى قنوات المسام الاتجاه (الشكل 2B، الصورة العليا). من ناحية أخرى، مع ديناميكية الصب التجميد، عثر على شكل المسام والحجم لتكون أكثر موحدة من تلك التجميد الصب التقليدي وتوزيع المسام داخل سقالة عشوائي تقريبا. . هذه الميزات الهيكلية السقالات التي يسهل اختراقها من تجميد ديناميكية الصب السلوك تظهر الخواص الميكانيكية، وبالتالي السماح التكثيف في قالب محصورة تحت ضغط أحادي المحور 26،28 خلال دينامية الصب التجميد، تحدث حدثين كبيرين داخل الطين المعدنية: 1) نمو البلورات المرحلة الكمفين و2) إعادة توزيع مساحيق المعادن وطدت الكمفين داخل ما تبقى من المرحلة السائلة تجنب الصورةedimentation. الجاذبية يؤدي مساحيق معدنية لفصل حتى توطد الكمفين السائل تماما. في دوران مستمر من الطين بالقرب من درجة حرارة انصهار الكمفين يعطي الوقت الكافي للبلورات الكمفين كروية للنمو متجانس، والسماح للتوزيع عشوائي وموحد من مساحيق تي وبلورات الكمفين كما هو مبين في الشكل 1C.

وبعد عملية التبريد، عزز بالكامل تي الكمفين تم الحصول على الجسم الأخضر ثنائي الطور (الشكل 1B). من أجل إزالة تماما الكمفين من الجسم الأخضر طدت دون هيكل الانهيار، وsublimed الكمفين في مجفف فراغ عند درجة حرارة -20 درجة مئوية. بعد إزالة المرحلة الكمفين، وأصبح الجسم الخضراء التي يسهل اختراقها، ويتألف من مسحوق تي فقط. حيث لا يوجد تفاعل بين الجسيمات تي، وتي الجسم الخضراء التي يسهل اختراقها وهشة جدا مطلوب أن معالجة متأنية. لتجنب أي التعامل المباشر من الجسم الأخضر مع اليدين قبل علاج الحرارةمنة، وقد تم اختيار بوتقة من السيراميك لحاوية من الجسم الأخضر لتجميد التجفيف والتلبيد. وضعت الحاوية مع الجسم الخضراء في فرن فراغ على الفور بعد التجميد والتجفيف والمعالجة الحرارية في 1300 درجة مئوية، مما يسمح للجسم الأخضر ليكون مكثف بشكل كامل دون عيوب كبيرة في الدعامات المعدنية. لتقييم العينات، وقطعت بنات تي مسامية إلى أصغر اسطوانات تي مسامية لأن الهندسة وحجم العينات التي يسهل اختراقها يجب أن تكون متطابقة (الشكل 2A). تم تشكيله جميع العينات بنجاح دون أي عيوب كبيرة (أرقام 2B و2C). اعتمادا على كمية من الطاقة تي في الطين، تم الحصول على السقالات تي مع المساميات مختلفة ذات أشكال كروية والمسام موزعة بشكل عشوائي (الشكل 2C).

بعد الحصول على السقالات تي المسامية باستخدام ديناميكية طريقة التجميد الصب كما ذكرت في السابق لدينا ستودى، والمغلفة 28 الجزيئات الحيوية على سطح تي والتكثيف من مسامية تي المغلفة تم تنفيذ كما هو موضح في الشكل 3A. من أجل تجنب أي تلوث أو تمسخ من الجزيئات الحيوية، وقد أجريت عملية الطلاء على مقاعد البدلاء النظيفة في RT في غضون 24 ساعة بعد أن تم تعقيمها السقالات التي يسهل اختراقها وتنظيفها بعناية. لتقليل الخسائر من الجزيئات الحيوية المغلفة قبل التكثيف، والتقليل من عملية التنظيف بعد أن تم إجراء عملية الطلاء. كان يسيطر على عملية التكثيف التي تشوه التطبيقية من العينات تي مسامية في ض الاتجاه، وتحويلها إلى سلالة، ε ZZ 26 اعتمادا على المسامية الأولية من السقالات تي، سلالة التطبيقية والمقابلة المسامية النهائية كانت متنوعة (الجدول 2 ). من أجل ضمان السقالات التي يسهل اختراقها مكثف مع المساميات ابتدائية مختلفة كان هندستها والأحجام النهائية متطابقة، سلالة تطبيقها من indiviتم احتساب السقالات المزدوجة وكان من المتوقع بعد ارتفاع العينة الكلي (طول في الاتجاه ض) من كل عينة قبل التكثيف. الشكل 3D يدل على ارتفاعات مختلفة من العينات التي يسهل اختراقها الفردية مع المسامية متفاوتة يمكن أن يؤدي إلى العينة التي يسهل اختراقها مكثف مع الارتفاع النهائي متطابقة في نفس المسامية النهائية.

عن طريق التحكم في درجة التكثيف، السقالات التي يسهل اختراقها مكثف لديهم السلوك الميكانيكي فريدة من نوعها مع إطلاق لفترات طويلة من الجزيئات الحيوية المغلفة. سلالة تطبيق التغييرات معلمتين هامة من السقالات تي المسامية: المسامية النهائية وحجم المسام. السقالات التي يسهل اختراقها مع انخفاض المسامية تظهر أعلى صلابة وقوة. ذكرت دراستنا السابقة للسلوك الإجهاد والانفعال السقالات التي يسهل اختراقها مكثف مع تحسين القوة مقارنة مسامية تي (جدول 4)، فضلا عن انخفاض كبير صلابة مقارنة التجارية تي الكثيفة. 26 وفي هذه الدراسة، لاحظنا أيضا عشرالسلوك الإفراج ه من مكثف مسامية تي مقارنة مع كل من كثافة ومسامية تي من خلال الكشف عن تصور طبقة GFP الطلاء كما هو مبين في الشكل (4). وكانت النتائج متسقة مع دراستنا السابقة، 26 التي السقالات التي يسهل اختراقها مكثف تمتلك تحسنت بشكل ملحوظ السلوك الإفراج المواد المغلفة، وإطالة الافراج عن الوقت بنسبة تصل إلى أربعة أشهر بسبب زيادة torturosity من السقالات مع أحجام المسام انخفضت. ويظهر الاختبار 30 يوما الإصدار الحالي بوضوح GFP المتبقية على سطح مسامية تي مكثف على النقيض من أي بقايا GFP على أي الكثيفة أو مسامية الأسطح تي.

وأخيرا، تم تطبيق أسلوب التكثيف في إنتاج السقالات التي يسهل اختراقها متدرج وظيفيا الذي الأجزاء الداخلية والخارجية لها مسام مختلفة. للسقالة اسطوانية، التفريق ض ارتفاعات للأجزاء الداخلية والخارجية يمكن أن يؤدي بسهولة إلى السقالات التي يسهل اختراقها متدرج كما هو مبين في الشكل (5). كان من سلالة تطبيقها (ε ZZ) على الجزء الداخلي في تي السقالة المسامية هو مبين في الشكل 5B ~ 0.27، مما أسفر عن المسامية النهائية لل~ 57٪، في حين تم تطبيق أي سلالة إلى الجزء الخارجي. من ناحية أخرى، كان من سلالة تطبيقها (ε ZZ) على الجزء الخارجي في سقالة تي مسامية في الشكل 5B ~ 0.33، مما أسفر عن المسامية النهائية لل~ 45٪ في حين أن الجزء الداخلي على حالها تقريبا، والحفاظ على المسامية الأولية (الجدول 3). ومع ذلك، لوحظت تحديين رئيسيين للالسقالات التي يسهل اختراقها متدرجة من هذه التجربة. أولا، والأجزاء الداخلية والخارجية المستمرة التي يسببها الإجهاد غير متناسقة وتوزيع الضغط داخل سقالة؛ وهكذا، وقع التكثيف inhomogeneously، حيث كانت المناطق المحيطة الأسطح العلوية والسفلية أكثر كثافة من المحيطين السطح الداخلي. وكان هذا الاتجاه النقدي بالفرق ارتفاع شطري زاد. وعلاوة على ذلك، وبورو متدرجلنا سقالة مع الجزء الداخلي أكثر كثافة وأكثر صعوبة من إنتاج السقالة مع الجزء الخارجي أكثر كثافة لأن التكثيف من الجزء الداخلي ينبغي الاضطلاع بها، حبسهم مع الجزء الخارجي، مما أدى إلى تشوه غير متجانس داخل جزأين. لحل التكثيف غير متجانس من السقالة متدرج، وضعنا جزأين منفصلين التي يمكن تجميعها أثناء عملية التكثيف. على الرغم من أن في هذه الورقة، والظروف المثلى لإنتاج ملفقة تماما بنية مسامية متدرج لم يتم العثور حتى الآن بشكل كامل، وأكد أيضا إمكانات عملية التكثيف لإنتاج هيكل متدرج. طريقة التصنيع الأمثل للبنية مسامية متدرج طابع الاستمرارية، وكما مزيد من العمل، وسيتم التحقيق انتقائي تحميل الدواء لهيكل متدرج للسلوك الإفراج الوظيفي للسقالة.

وتشمل مزايا النهج المقترح في هذه الدراسة 1) أفضل MECالتوافق hanical مع الأنسجة البيولوجية مع قوة جيدة و2) النشاط الحيوي لفترات طويلة للحصول على أداء أفضل البيولوجي. ومع ذلك، واحدة من عيوب كبيرة في خفض حجم المسام التي لا يمكن أن تعزز نشوب العظام من خلال شبكة المسام السقالات المعدنية لواجهة العظام زرع أفضل. لحل هذه المشكلة، تم اقتراح الهياكل المسام متدرج، حيث الأجزاء التي يسهل اختراقها وكثيفة تتعايش؛ وبالتالي، فإن أجزاء مسامية تسمح نشوب العظام، في حين توفر الأجزاء الكثيفة الاستقرار الميكانيكية والنشاط الحيوي لفترات طويلة. ولذلك، يزرع تي متدرج وظيفيا من خلال التصاميم الهيكلية المختلفة سوف تكون ملفقة واختبارها، وخصوصا، مع التركيز على القدرة على تحسين التكامل العظام. وعلاوة على ذلك، ينبغي أن يكون الحد آخر تلفيق يزرع مع هندسة معقدة. من أجل الحصول على زرع على شكل مجمع (على سبيل المثال، الفخذ مخروط زيادة)، مطلوب عملية تشكيل إضافية بعد التكثيف، وفرض عيبين علىالمنتج النهائي: غير فعال وغير اقتصادية لاستخدام المواد غالبا ما تتم إزالة الحجم الكبير من مسامية كتلة تي أثناء العملية، والتلوث المحتمل وفقدان الجزيئات الحيوية المغلفة خلال عملية بالقطع. تحسن على عملية تصنيع السقالات تي التي يسهل اختراقها مع هندسة معقدة مستمر. السقالات المعدنية التي يسهل اختراقها مكثف يمكن تطبيقها على مختلف التطبيقات العظام، على سبيل المثال، استبدال القرص الاصطناعي، لتحل محل زراعة المعدنية إما دفعة واحدة أو التي يسهل اختراقها، وتعمل كدعم الحمل وكذلك الناقل المخدرات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
تصنيع ميكانيكيا الانضباطي والحيويه المعادن سقالات للتطبيقات الطبية الحيوية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Song, J. Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (106), e53279, doi:10.3791/53279 (2015).More

Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Song, J. Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (106), e53279, doi:10.3791/53279 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter