Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Fabrication de mécanique accordable et bioactifs Métal échafaudages pour des applications biomédicales

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

Alors que biomatériaux métalliques ont été largement utilisés comme implants porteurs et dispositifs de fixation interne en raison de leur excellente résistance mécanique et de la résilience, 1-3 ils impliquent deux défis essentiels: 1) inadéquation mécanique parce que les métaux sont beaucoup plus rigides que les tissus biologiques, causant des dommages indésirables aux tissus environnants et 2) à faible bioactivité qui aboutit souvent à une mauvaise interface avec les tissus biologiques, provoquant souvent des réactions de corps étranger (par exemple, une inflammation ou thrombose). 4-6 échafaudages métalliques poreux ont été proposées pour favoriser la croissance osseuse dans les structures, l'amélioration . contact os-implant tandis que les effets du stress de blindage sont supprimées en raison de leur rigidité réduite 7-9 En outre, diverses modifications de surface ont été appliquées pour améliorer les activités biologiques des implants métalliques; de telles modifications comprennent le revêtement de la surface métallique avec des molécules bioactives (par exemple, croissance de facteurs) ou des médicaments (par exemple, la vancomycine, la tétracycline). 10-12 Cependant, des problèmes tels que les propriétés mécaniques réduites des échafaudages métalliques poreux, ont diminué la rigidité et la libération rapide des couches de revêtement bioactif restent en suspens. 13-16

En particulier, le titane (Ti) et Ti alliages sont l'un des systèmes les plus populaires biométaux raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, la stabilité chimique et une bonne biocompatibilité. 13,17-19 Leurs applications en forme de mousse ont également attiré l'intérêt croissant parce que la 3D réseaux poreux promouvoir la croissance osseuse en plus des propriétés mécaniques des os ressemblant. 20-22 efforts ont été faits pour améliorer les propriétés mécaniques en développant de nouvelles techniques de fabrication, y compris la réplication de l'éponge polymère, le frittage des particules métalliques, prototypage rapide méthode (RP), et Procédé espace de maintien afin de commander les différentes caractéristiques des pores (par exemple, la fraction de pores,forme, la taille, la distribution, et de connectivité) et les propriétés des matériaux (par exemple, la phase métallique et impuretés). 23-25 ​​Récemment, la coulée de gel de la suspension métallique à base d'eau a gagné une attention considérable pour produire mécaniquement améliorés formes Ti avec pores bien aligné structures en utilisant la croissance de dendrites de glace lors de la solidification unidirectionnelle; Cependant, la contamination de l'oxygène causée par le contact de poudres métalliques avec de l'eau nécessite des soins particuliers afin de minimiser la fragilisation des échafaudages Ti 14,15.

Par conséquent, nous avons développé une nouvelle approche de la fabrication des échafaudages Ti poreuses bioactifs et mécaniquement accordables. 25 Les échafaudages ont initialement structures poreuses avec une porosité de plus de 50%. Les supports poreux fabriqués ont été revêtues avec des molécules bioactives et ensuite compressés en utilisant une presse mécanique au cours de laquelle la porosité finale, les propriétés mécaniques et le comportement de libération de médicament ont été contrôlés par l'applisouche éd. Les implants Ti poreuses densifiées ont montré une faible porosité avec une bonne résistance malgré la faible rigidité comparable à celle de l'os (3-20 GPa). 2 En raison de la couche de revêtement, la bioactivité de la poreuse densifiée Ti a été significativement améliorée. En outre, en raison des structures uniques de pores plates induites par le processus de densification, les molécules bioactives revêtus ont été vus pour être progressivement libéré à partir de l'échafaudage, en conservant leur efficacité pendant une période prolongée.

Dans cette étude, nous avons présenté notre méthode établie pour fabriquer des échafaudages Ti poreuses densifiées pour utilisation potentielle dans des applications biomédicales. Le protocole comprend la coulée de congélation dynamique avec des boues de métaux et la densification des supports poreux. Tout d'abord, pour fabriquer des échafaudages Ti poreuses avec une bonne ductilité du procédé de congélation de coulée dynamique a été présenté comme le montre la figure 1A. Poudre de Ti a été dispersé dans camphène liquide; ensuite, en diminuant la température,la phase liquide est solidifié, ce qui entraîne la séparation de phase entre le réseau de poudre de Ti et de camphène cristaux solides. Par la suite, le corps vert solidifié Ti-camphène a été frittée dans laquelle les poudres de Ti ont été condensés avec des entretoises continues Ti, et la phase de camphène a été complètement éliminé pour obtenir une structure poreuse. Le revêtement et le processus de densification avec les supports poreux obtenus ont été utilisés, en faisant varier le degré de densification et de la porosité initiale. La couche de revêtement et de son comportement de libération ont été visualisés et quantifiés en utilisant la protéine fluorescente verte (GFP) doté d'un revêtement poreux Ti avec et sans densification par rapport à la GFP-Ti revêtu dense. Enfin, les échafaudages Ti fonctionnellement gradués qui ont deux structures poreuses différentes ont été proposées et mises en évidence par la variation de degré de densification des parties interne et externe de l'échafaudage poreux.

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. Fabrication de métal poreux échafaudages

  1. Préparer boues Ti-camphène par mélange disponible dans le commerce poudre de Ti, camphène, et KD-4 après avoir pesé les quantités appropriées de matériaux tel que décrit dans le tableau 1 pour les échafaudages Ti poreuses avec quatre porosités initiales (40, 50, 60, et 70). Pour les suspensions dans 500 ml de polyéthylène (PE) et faire pivoter les bouteilles des bouteilles à 55 ° C pendant 30 min dans un four broyeur à boulets à 30 tours par minute.
  2. Pour les boues provenant des bouteilles en PE en aluminium cylindrique (Al) des moules d'un diamètre de 60 mm et une hauteur de 60 mm. Sceller chaque moule Al à la lamelle Al correspondant et faire pivoter les moules dans un four broyeur à boulets à une vitesse de 30 tours par minute à 55 ° C pendant 10 min.
    1. Par la suite, diminuer la température du four broyeur à boulets à 44 ° C, et de façon continue les moules de tourner à une vitesse de 30 tours par minute à la température constante de 44 ° C pendant 12 heures.
  3. Sortez le moule du balmoulin four après la rotation outre les moules à la température ambiante pendant 1 heure pour le processus de refroidissement. Retirez le corps vert titane / camphène solidifié du moule Al en utilisant un plongeur Al.
  4. Placez le corps vert titane / camphène solidifiée dans un sac en caoutchouc à la main et sceller complètement le sac en caoutchouc en liant la bouche du sac avec une chaîne. Placez le sac en caoutchouc dans le réservoir d'eau d'une pression (CIP) Machine isostatique à froid et d'appliquer une pression isostatique de 200 MPa pendant 10 min. Retirez le corps vert comprimé provenant du sac en caoutchouc.
  5. Transférer le corps vert Ti-camphène sur un creuset en alumine à la main et placer le creuset dans la machine à lyophilisateur. Lyophiliser le corps vert pour sublimer la phase de camphène dans le corps vert à - 40 ° C pendant 24 heures.
  6. Par la suite, fermer le creuset avec une lamelle d'alumine et de placer le creuset fermé dans un four sous vide (inférieur à 10 -6 Torr) à température ambiante. Ensuite, augmenter la température du four à 1300 ° C à un chauffage rmangé de 5 ° C / min et maintenir la température à 1300 ° C pendant 2 heures.
  7. Après le traitement thermique, garder la fritte poreux Ti dans le four pour 7/6 heure jusqu'à ce que le four est complètement refroidi à température ambiante.
    Remarque: Au cours de six heures de la phase de refroidissement, la vitesse de refroidissement moyenne du four au-dessus de 400 ° C est d'environ 15 ° C / min et la vitesse de refroidissement moyenne de la chaudière au-dessous de 400 ° C est d'environ 2 ° C / min.
  8. Si nécessaire, couper le bloc de fritté poreux Ti en échantillons en forme de disque d'un diamètre de 16 mm grâce à l'usinage par électroérosion (EDM). 27
    Remarque: En fonction de la taille des moules Al, la taille de la fritte poreux Ti doit être modifiée au cours du processus d'usinage (figure 2A).
  9. Placer un bêcher en verre avec les échantillons poreux Ti dans un autoclave et stériliser les échantillons à 121 ° C pendant 15 min. Retirer les échantillons de l'autoclave. Laver les échantillons Ti poreuses avec de l'eau distillée deux fois et ensuite avec 70% d'éthanol deux fois.Enfin, laissez le Ti poreux dans une boîte de Petri et sécher à l'air les échantillons à température ambiante sur un banc propre sous lumière UV.

2. Plonger Revêtement des échafaudages avec des agents bioactifs

  1. Diluer le commercial vert Fluorescence Protein (GFP) de 1 mg / ml à 100 pg / ml dans un banc de nettoyage en mélangeant 1 ml de la GFP avec 9 ml de tampon phosphate salin (DPBS, pH 7,4) la solution de Dulbecco dans un 10 ml stérilisés polystyrène (PS) tube comme indiqué dans le tableau 1.
  2. Immerger le Ti poreux dense ou stérilisé dans 10 ml de solution diluée de la GFP (100 ug / ml) en plaçant les échantillons de Ti dans le tube de PS avec la solution à la température ambiante de la GFP et la mise sur un banc de nettoyage.
  3. Placer le tube de PS dans un dessiccateur à vide et évacuer le dessiccateur pendant 10 min pour assurer la GFP solution pénètre dans les pores du Ti poreux de manière plus efficace.
  4. Retirez le titane poreux du tube de PS en utilisant une pince à épiler. Placer la GFP-Ti poreux revêtu dans un diamètre de 10 cm Peplat tri et sécher à l'air O / N à température ambiante sur un banc propre.
  5. Rincer le Ti poreuse deux fois avec 10 ml de solution saline tamponnée phosphate de Dulbecco (DPBS) dans un récipient en verre, et déplacer le Ti poreuse dans une boîte de Pétri de diamètre 10 cm en utilisant une pince à épiler et sécher à l'air à température ambiante sur un banc propre.

3. La densification des échafaudages poreux

  1. Placer les échantillons Ti poreuses GFP-enduit avec différentes hauteurs dans un moule cylindrique en acier, et insérer un ensemble de coups de poing dans les trous du haut et du bas de la matrice en acier (figure 3A).
  2. Comprimer le Ti poreux à l'intérieur de l'ensemble de matrice de l'acier à la température ambiante dans la direction z de l'échantillon (figure 3A) en utilisant une machine de presse à des vitesses de déformation intermédiaires de 0,05 ~ 0,1 sec -1 contre les souches appliquées prédéterminées indiquées dans le tableau 2. Maintenir la pression pendant 1 min avant le déchargement.
  3. Retirer les échantillons Ti densifiées de la matrice de l'acier. Laver deux fois les échantillons densifiées avec 10 ml de DPBSdans un bécher et sécher à l'air O / N à température ambiante sur un banc propre.

4. test de libération d'échafaudages GFP-enduit

  1. Immerger trois types de spécimens (GFP revêtu dense Ti (après les étapes 2), GFP-poreux revêtu Ti (après les étapes 1 et 2) et GFP-enduit poreux densifié Ti (étapes 1-3) après) dans 5 ml de DPBS (pH 7,4) solution contenue dans un tube stérilisé PS 10 ml à 37 ° C sur un banc de nettoyage.
  2. D'aspiration sur toute la solution DPBS à partir de chaque tube de PS avec l'échantillon de GFP-revêtu et à reconstituer avec une solution de nouveaux 5 ml de DPBS (pH 7,4) en utilisant une pipette en fonction des temps prédéterminés de 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 et 29 jours après l'immersion.
  3. Prendre des images de fluorescence de la GFP des échantillons revêtus avant l'immersion (jour 0) et après 22 jours d'immersion en utilisant la spectroscopie à balayage laser confocal (CLSM).
  4. Mesurer l'intensité du signal de fluorescence de la GFP sorti en 1 ml de solution sur un total de 5 ml de solution DPBS tirée de chaque tube de PS dans la section 4.2 à l'aideSpectroscopie UV à une longueur d'onde de 215 nm. Autre la valeur d'intensité dans la concentration de la solution de la GFP en utilisant la courbe standard.
    Remarque: Avant la mesure, établir la courbe d'étalonnage de la solution de GFP par mesure de la fluorescence d'intensité de signal de la solution de la GFP dans la gamme de concentration de 0 ng / ml - 10 ng / ml.

5. Fabrication de gradués poreux Ti échafaudages

  1. Produire un bloc de la fritte poreux Ti en répétant l'étape 1.1 à l'étape 1.7.
  2. La machine le bloc fritté Ti poreuse selon les conceptions de structure prédéterminée (par exemple, la figure 5a et 5d) par EDM.
  3. Placer les échantillons Ti usinées avec une distribution de taille dans une matrice en acier dont le diamètre poreux de Ti est d'environ 0,1 mm plus petit que le diamètre de la filière et insérer un jeu de poinçons dans les trous supérieur et inférieur de la matrice de l'acier.
  4. Effectuer les étapes 3.2 et 3.3.

6. La porosité de moiasurement de Ti échafaudages

  1. Mesurer la masse (m s) d'échafaudages Ti.
  2. Calculer le volume apparent (V s) par la mesure de longueur, la largeur et la hauteur des échafaudages Ti.
  3. Calculer la porosité en utilisant l'équation suivante:
    Equation 1
    où P est le pourcentage total de porosité, ρ est la densité Ti théorique du titane et m S / V S est la densité mesurée de l'échantillon.
    Remarque: La porosité d'échantillons de Ti peut être récupéré directement à partir des images microCT après microCT imagerie est effectuée en utilisant un scanner de tomographie assistée par micro-calculée.

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

Le procédé de fabrication utilisé pour produire des échafaudages Ti poreux est illustré sur la Figure 1A. Poudre de Ti est maintenu dispersé de façon homogène dans camphène par rotation continue du récipient à 44 ° C pendant 12 heures et, tout en camphène liquide est complètement solidifié, des sédiments de poudre de Ti relativement lourde peuvent être minimisés. En conséquence, le corps vert homogène Ti-camphène a été produit en utilisant le procédé dynamique gel de coulée comme représenté sur la figure 1B, dans lequel 3 dimensions de pores interconnectés grandes camphène sont entourées par la phase de poudre de Ti (figure 1C). Cependant, la rotation incorrect des récipients se traduit souvent par la distribution non homogène de Ti et les phases de camphène dans le corps vert, ce qui provoque une distorsion ou la fissuration du support poreux après le traitement thermique. La condition optimale de la vitesse de rotation a été trouvée être de 30 tours par minute, qui était capable de produire un corps vert homogène dans la plupart des cas. Avant de procédertion avec le traitement thermique, la croissance très étendue de camphène est confirmée par l'observation de la section transversale du corps vert Ti-camphène, comme illustré sur la figure 1C. Si la phase de camphène est discontinue avec une distribution de taille de pores importante, la température et la durée de la coulée dynamique de gel a besoin d'être réinitialisé. Typiquement, la phase de camphène des corps verts Ti-camphène a été trouvé pour être bien développée après 12 heures de congélation dynamique coulée, où la phase continue est devenue depuis camphène grands pores sphériques sont en contact les uns avec les autres. La taille, la morphologie et la connectivité des pores de Ti poreux ont ensuite été évalués en utilisant une analyse de micro-CT après traitement thermique.

Après frittage à 1300 ° C, les blocs poreux Ti sont découpés en plusieurs échantillons de forme cylindrique par usinage par décharge électrique (Figure 2A). Les échantillons cylindriques obtenus ne montrent pas de fissures ou de défauts. Représentatives des images micro-CT de la Porous échafaudages fabriqués par Ti classique (en haut) et gel dynamique coulée (en bas) sont présentés dans la figure 2B. La structure des pores des échantillons Ti de la pièce coulée en gel classique présente un alignement directionnel des pores ayant des pores de forme irrégulière en raison de la croissance dendritique de camphène pendant la congélation. D'autre part, l'échantillon de coulée de gel présente une dynamique pores presque sphériques avec une distribution aléatoire des pores. En outre, la résolution ultérieure images microscopiques des échafaudages Ti poreux avec différentes porosités (porosité initiale (IP) = 50, 60 et 70% en volume) montrent clairement les pores sphériques répartis de façon aléatoire au sein du réseau de Ti (figure 2C). La taille des pores de l'échafaudage poreux Ti diminue à mesure que le volume de camphène diminué.

Par la suite, les échafaudages Ti poreuses fabriquées sont revêtues de biomolécules et densifiée l'intérieur du moule en faisant varier la contrainte appliquée comme représenté sur la figure 3A. Pour la visualization de la couche de revêtement bioactif sur des échantillons de Ti, la protéine fluorescente verte (GFP) a été utilisé dans cette étude. La déformation appliquée (zz ε), qui correspond à la pression (P zz), se trouve faire varier le degré de densification comme représenté sur la figure 3B. La forme des pores se aplatit que le degré de densification augmente et, par conséquent, au niveau le plus densification, car les pores disparaissent presque pores voisins sont en contact les uns avec les autres. Cependant, à partir de notre étude précédente, nous avons confirmé que les canaux de pores des échantillons densifiées sont encore ouverts, à peu près la même surface que celle du Ti poreux de la même porosité. 25 Pour évaluer les échantillons densifiées avec différentes porosités de départ, le z-hauteur doit varier en fonction de la porosité initiale pour que l'échantillon densifié à avoir la même porosité finale. Le tableau 2 présente également les contraintes appliquées prévues pour obtenir le p finale cibléeorosity (FP) de l'échafaudage poreux densifiées avec des porosités initiales différentes. Par exemple, pour produire les échantillons poreux densifiées avec FP = 5%, l'échafaudage poreux avec IP = 70% nécessite une souche d'environ 0,7, tandis que l'échafaud avec IP = 50% a besoin d'environ 0,5. Par conséquent, les hauteurs initiales des supports poreux ont été soigneusement calculées en fonction de la porosité initiale afin d'obtenir des échantillons avec la même hauteur finale après densification. Comme le montre la figure 3C, quatre spécimens avec des porosités variant de IP = 40% à 70% présentent des hauteurs différentes initiales avant densification et puis à la fin, avec des hauteurs presque identiques de 2 mm.

GFP a été utilisé pour visualiser la couche de revêtement poreux sur (IP = 70%) et poreux densifié Ti (IP = 70%, PF = 7%) par rapport aux échantillons commercial dense Ti comme représenté sur la figure 4A. Les trois échantillons présentent clairement la morphologie de la surface enduite correspondant au ièmemicrostructures EIR. La surface complètement dense Ti est entièrement recouverte d'une couche de revêtement vert, tandis que les échantillons poreux et poreuses densifiées ont vert Ti couleur pavane avec des pores clairs. L'utilisation de ces trois échantillons revêtus représentés sur la figure 4A, le comportement de libération a été observée (Figure 4B). La quantité de GFP libérée de chaque échantillon a été exprimée sous forme de moyenne ± écart type (n = 3) et a été suivi jusqu'à un mois par la mesure de l'intensité de fluorescence. La fois dense et poreuse Ti ont été trouvés à avoir GFP comportement de libération rapide avec effet initial d'éclatement, avec la plupart libérés dans une semaine. Cependant, poreuse densifiée Ti montre libération continue jusqu'à un mois, montrant clairement la GFP à la surface, même après un mois (images CLSM de la figure 4B).

Le processus de densification peut également être appliquée à la fabrication d'échafaudages Ti poreuses à gradient comme présenté dans la Figure 5. Les deux pottiels au schéma de conception de structures gradient ont été choisis, dont les couches interne et externe d'un échafaudage cylindrique ont des porosités différentes. Pour la structure d'un noyau dense représenté sur la figure 5A, la partie extérieure de l'échafaudage Ti a été raccourci par usinage mécanique, comme illustré sur la figure 5B. Après densification sélective de la partie intérieure supérieure, la structure à gradient a été obtenu. L'information structurale détaillée des figures 5bb et 5E mesurée par micro CT est fourni dans le tableau 3 L'image micro CT de la figure 5C montre clairement les parties intérieures et extérieures de l'échafaud avec différentes porosités (intérieure:. FP = ~ 60%, externe: FP = ~ 70%). En variante, une structure plus dense avec la couche extérieure peut être réalisée en modifiant la différence de hauteur entre les parties interne et externe (Figure 5D). Le Ti poreuse avec les résultats des parties extérieures et intérieures plus bas dans un o plus densepartie uter après densification (Figure 5E), dans lequel la porosité de la partie extérieure a été ramené à environ 45%, avec la partie intérieure ayant la porosité initiale préservée (IP = 70%), comme indiqué dans la figure 5F.

Figure 1
Figure 1. Fabrication de Ti-camphène corps vert par coulée dynamique de gel. (A) Illustration schématique du processus de boîtier de gel dynamique pour obtenir solidifié Ti-camphène corps vert avant le traitement thermique (Adapté avec la permission d'Elsevier, Jung et al., 2013). (B) optique de l'image d'un corps vert Ti-camphène représentant après l'achèvement du processus dynamique gel de coulée. L'image (C) transversale du corps vert Ti-camphène dans lequel la phase de camphène solide est distribué au hasard dans les PVVIH de poudre continues Tie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 1
Figure 2. échafaudages poreux Ti avec différentes porosités initiales après traitement thermique. (A) Les images optiques d'un bloc poreux Ti entièrement fritté avant et après l'usinage et un échafaudage poreux cylindrique Ti obtenu à partir de l'usinage. (B) sectionnelles images micro-CT des échafaudages Ti poreuses fabriquées par coulée gel classique (en haut) et le gel dynamique coulée (en bas). Flèches jaunes sur l'image du haut de la figure 2B montrent l'alignement des pores dans la direction radiale. (C) des images de coupe transversale des échafaudages Ti poreuses fabriquées par coulée gel dynamique avec la porosité initiale (IP) de 70% (en haut), 60%(au milieu) et 50% (en bas) où encarts sont les images optiques des échafaudages Ti poreux correspondant (Adapté avec la permission d'Elsevier, Jung et al., 2013). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 1
Figure 3. Trempez-revêtement et la densification des échafaudages Ti poreuses. (A) Représentation schématique du processus de fabrication d'un poreuse densifiée échafaudage métallique (Ti) revêtu de biomolécules (par exemple, la GFP) (Adapté avec la permission d'Elsevier, Jung et al. , 2015). (B) des images en coupe d'échafaudages Ti poreuses densifiées (IP = 70%) à la contrainte appliquée (ε zz) = 0, 0,53, 0,63, 0,68, résultant dans la porosité finale (FP = 70, 33, 19, 7%). (C S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 1
La figure 4. Dans le comportement de libération in vitro de Ti poreuses densifiées échafaudages GFP-chargé. (A) des images CLSM typiques de GFP chargées sur la surface d'échafaudages denses, poreuses densifiées et Ti. (B) Les montants cumulés de GFP libérés de dense, poreux et densifié Ti échafaudages jusqu'à 29 jours (n = 3) avec les images CLSM de ces trois échantillons après immersion dans le PBS pendant 24 jours (barre d'échelle = 200 um). L'écart-type (SD) est de nousED pour la barre d'erreur descriptif de chaque point de données. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 1
Figure 5. Fabrication d'échafaudages métalliques poreux à gradient fonctionnel. (A) Schéma d'une conception de l'échafaudage poreux graduée avec une partie intérieure plus dense. (B) coté poreuse échafaudage Ti avec la partie intérieure dense fabriqué par la densification. Micro-CT image de gradient échafaudage Ti poreuse (C) 2-D reconstruit avec la partie intérieure plus dense. (D) Schéma d'une conception de l'échafaudage avec une porosité dégradé avec la partie extérieure plus dense. (E) graduée poreuse échafaudage Ti avec la partie extérieure plus dense fabriqué par la densification dans lequel l'échafaud possède un noyau interne poreuseentouré par la couche extérieure densifiée. L'image micro-CT des graduée échafaudage Ti poreuse avec la partie extérieure plus dense (F) 2-D reconstruit. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Échantillon cible Ti-boue camphène Solution de revêtement
Poudre de Ti (g) Camphène (g) KD-4 (g) GFP (ml) PBS (ml)
Ti échafaud avec IP = 40% 204,3 90 0,294 1 9
Ti échafaud avec IP = 50% 171,4 97 </ td> 0,268
Ti échafaud avec IP = 60% 136,5 103 0,239
Ti échafaud avec IP = 70% 100 110 0,21

Tableau 1. Des informations détaillées de Ti-camphène suspension et solution de revêtement pour la fabrication de supports poreux cibles Ti (IP = 40, 50, 60, 70%) revêtues de GFP. (IP signifie porosité initiale).

Porosité initiale (%) Porosité finale (%)
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

Tableau 2. prédite contrainte appliquée (ε zz) des supports poreux (IP = 50, 60, 70%) en termes de porosité finale ciblée (FP) en utilisant l'équation, FP = 1 - (1- IP) / (1- ε zz).

de la figure. 5b
Spécimen Avant densification Après densification
Hauteur (mm) Porosité (%) La taille des pores (um) Hauteur (mm) Porosité (%) La taille des pores (um)
Partie intérieure 18 ± 1 70 ± 1 370 ± 100 13 ± 1 57 ± 5 285 ± 100
Partie extérieure 14 ± 1 70 ± 5 365 ± 110
Échafaud graduée de figure. 5e Partie intérieure 14 ± 2 12 ± 1 70 ± 8 315 ± 110
Partie extérieure 18 ± 1 45 ± 8 230 ± 80

Tableau 3. de l'information structurelle des parties interne et externe de supports poreux calibrées (figure 5B et la figure 5E) avant et après densification en fonction de la hauteur z, la porosité et la taille moyenne des pores mesurée par micro-CT.

Porosité initiale de Ti poreux (en%) Avant densification Après densification (FP = 5%)
Raideur (GPa) Limite d'élasticité (MPa) Raideur (GPa) Limite d'élasticité (MPa)
50 19 143 44 > 370
60 13 130 42 > 370
70 5 58 35 > 370

Tableau 4. La rigidité et la limite d'élasticité des échafaudages Ti poreuses (IP = 50, 60, 70%) avant et après la densification (Adapté avec la permission d'Elsevier, Jung et al., 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

Alors que les systèmes biométaux ont été largement utilisés pour des applications biomédicales, en particulier, en tant que matériaux porteurs, une rigidité élevée et une faible bioactivité des métaux ont été considérées comme des défis majeurs. Dans cette étude, nous avons établi la méthode de fabrication d'un nouveau système de métal, un échafaudage métallique poreuse densifiée qui a des propriétés mécaniques biomimétiques ainsi que surface bioactive avec le comportement de libération durable. Les principaux avantages de notre procédé de fabrication comprennent: 1) pas de changement dans la méthode de moulage de congélation dynamique précédente que nous avons déjà développé, 28 2) le contrôle d'un paramètre-degré de densification à obtenir à la fois le renforcement mécanique et comportement de libération durable de biomolécules à partir poreuse échafaudages métalliques et 3) application potentielle aux matériaux classés fonctionnellement.

L'une des étapes essentielles nécessaires pour produire le métal poreux densifié est la fabrication de Ti poreuse, qui possède deux featu importanteres: 1) la ductilité de contrôler la vitesse des molécules bioactives et les propriétés mécaniques de presse et 2) haute pores interconnectivité pour charger et release biomolécules. Toutefois, antérieurement échafaudages poreux en titane produites en utilisant le procédé de support de l'espace, la méthode de matrice d'éponge et la métallurgie des poudres ont montré soit l'interconnexion des pores limitée ou la ductilité. 14,24,29 En particulier, les impuretés créées par la réaction des poudres métalliques avec d'autres environnante les matériaux au cours du processus de traitement thermique sont connus pour réduire de manière significative la ductilité de la matière, car les poudres métalliques sont en contact avec les deuxièmes matériaux (par exemple, support de l'espace ou le modèle de polymère), ce qui entraîne la rupture fragile sous essais mécaniques. 14,24,29 Ainsi , pour fabriquer métal poreux densifié, les impuretés doivent être minimisés pour la plupart des procédés de fabrication classiques. Pour éviter cette complication, nous avons étudié la morphologie poreuse et comportements mécaniques of échafaudages de titane poreux fabriqués en utilisant le procédé de coulée de gel avec le camphène, afin de minimiser l'interaction entre les poudres métalliques et la phase liquide. 26,28,30-33

Un inconvénient du procédé de coulée conventionnel gel est qu'il entraîne souvent des canaux de pores de direction (figure 2B, l'image supérieure). D'un autre côté, la coulée du gel dynamique, la forme et la taille des pores se sont révélés être plus uniforme que celle de la pièce coulée en gel classique et la distribution des pores à l'intérieur de l'échafaudage est presque aléatoire. . Ces caractéristiques structurelles des échafaudages poreux de gel dynamique casting comportement mécanique spectacle isotrope, permettant ainsi la densification dans un moule clos sous pression uniaxiale 26,28 lors de la coulée dynamique de gel, deux événements majeurs se produisent dans la bouillie de métal: 1) la croissance des cristaux de la phase de camphène et 2) la redistribution des poudres métalliques et solidifié camphène sein de la phase liquide restante en évitant sedimentation. La gravité provoque les poudres métalliques à séparer jusqu'à ce que le camphène liquide est entièrement solidifiée. La rotation continue de la suspension à proximité de la température de fusion du camphène donne suffisamment de temps pour les cristaux de camphène sphériques de se développer de façon homogène, ce qui permet la distribution uniforme et aléatoire de poudres de Ti et de cristaux de camphène, comme illustré sur la figure 1C.

Après le processus de refroidissement, entièrement solidifié Ti-camphène corps vert à deux phases (Figure 1B) a été obtenu. Afin d'éliminer complètement le camphène du corps vert solidifié la structure sans effondrement, camphène a été sublimé dans un dessiccateur à vide à -20 ° C. Après élimination de la phase de camphène, le corps vert est devenu poreux, constitué uniquement de poudre de Ti. Comme il n'y a pas d'interaction entre les particules de Ti, le corps vert poreux Ti est fragile de sorte que une manipulation soigneuse est nécessaire. Pour éviter toute manipulation directe du corps vert avec les mains avant traitement thermiquement, un creuset en céramique a été choisi pour le récipient du corps vert pour la lyophilisation et le frittage. Le conteneur avec le corps cru est placé dans un four sous vide immédiatement après la lyophilisation et traitement thermique à 1300 ° C, ce qui permet au corps vert soit pleinement densifié sans défauts importants dans les entretoises métalliques. Pour l'évaluation des échantillons, les blocs poreux Ti ont été coupés en petits cylindres Ti poreux parce que la géométrie et la taille des échantillons poreux doivent être identiques (figure 2A). Tous les spécimens ont été usinées avec succès sans défauts importants (figures 2B et 2C). En fonction de la quantité d'énergie dans la suspension Ti, Ti échafaudages avec des porosités différentes ont été obtenus avec des formes sphériques et des pores répartis de façon aléatoire (figure 2C).

Après les échafaudages Ti poreux ont été obtenus en utilisant le procédé de congélation de coulée dynamique comme indiqué dans notre précédente study, 28 biomolécules ont été revêtus sur la surface de Ti et la densification de la enrobé poreux Ti a été réalisée comme illustré sur la figure 3A. Afin d'éviter toute contamination ou la dénaturation des biomolécules, le procédé de revêtement a été effectuée sur un banc de nettoyage à la température ambiante dans les 24 heures après que les supports poreux ont été passés à l'autoclave et soigneusement nettoyé. Pour réduire au minimum la perte des biomolécules revêtues avant densification, le processus de nettoyage a été réduit au minimum après l'opération de revêtement a été effectuée. Le processus de densification a été contrôlée par la déformation appliquée des échantillons poreux Ti dans la direction z, converti dans la souche, ε zz. 26 Selon la porosité initiale des échafaudages Ti, la contrainte appliquée et la porosité finale correspondant étaient variées (tableau 2 ). Afin d'assurer les supports poreux densifiées avec différentes porosités initiales eu géométries et tailles finales identiques, la contrainte appliquée de l'individouble échafaudages a été calculé et la hauteur totale de l'échantillon (de longueur dans la direction z) de chaque échantillon a ensuite été prédit avant densification. Figure 3D indique que différentes hauteurs des échantillons poreux individuels avec une porosité variant pourraient conduire à l'échantillon poreuse densifiée avec hauteur finale identique à la même porosité finale.

En contrôlant le degré de densification, les supports poreux ont un comportement mécanique densifiées unique avec une libération prolongée des biomolécules revêtues. La contrainte appliquée modifie deux paramètres importants des échafaudages Ti poreuses: porosité finale et la taille des pores. Les supports poreux avec une porosité plus faible montrent une plus grande rigidité et la force. Notre étude précédente a signalé le comportement contrainte-déformation des supports poreux densifié avec une résistance améliorée par rapport à Ti poreuse (tableau 4) ainsi que la rigidité considérablement réduite par rapport à Ti commerciale dense. 26 Dans cette étude, nous avons également observé ecomportement e de libération de densifiée poreux Ti par rapport à la fois dense et poreuse Ti par détection visualisé de la couche GFP-revêtement comme représenté sur la Figure 4. Les résultats étaient en accord avec notre étude précédente, 26 dans lequel les supports poreux densifié possèdent sensiblement améliorées comportement de libération d'enrobés, de prolonger le temps de libération jusqu'à quatre mois en raison de l'augmentation torturosity des échafaudages avec des tailles de pores diminué. L'essai 30 jours à libération actuelle montre clairement la GFP restant sur la surface poreuse densifiée de la Ti à la différence de pas de la GFP reste soit sur des surfaces poreuses ou denses Ti.

Enfin, le procédé de densification a été appliquée à la production d'échafaudages poreux à gradient fonctionnel, dans lequel les parties intérieure et extérieure ont des porosités différentes. Pour l'échafaud cylindrique, différencier les z-hauteurs des parties intérieures et extérieures peut facilement conduire à des échafaudages poreux classés comme indiqué sur la Figure 5. La contrainte appliquée (ε zz) sur la partie intérieure de l'échafaud Ti poreuse montre la figure 5B était ~ 0,27, ce qui a entraîné la porosité finale de ~ 57%, alors qu'aucune souche a été appliqué à la partie extérieure. D'autre part, la contrainte appliquée (ε zz) sur la partie extérieure de l'échafaud Ti poreuse à la figure 5B était ~ 0,33, ce qui a entraîné la porosité finale de ~ 45%, tandis que la partie intérieure était presque intacte, la préservation de la porosité initiale (tableau 3). Toutefois, deux des défis majeurs pour les supports poreux graduées ont été observés à partir de cette expérience. Premièrement, les parties intérieures et extérieures continues induite par le stress incohérente et distribution des déformations au sein de l'échafaud; ainsi, la densification est produit non homogène, où les régions autour des surfaces supérieure et inférieure sont plus denses que ceux autour de la surface intérieure. Cette tendance était essentiel que la différence de hauteur des deux parties augmentée. En outre, le poro graduéenous échafaud avec la partie intérieure plus dense était plus difficile à produire que l'échafaud avec la partie extérieure plus dense parce que la densification de la partie intérieure doit être effectuée, étant confiné avec la partie extérieure, qui a abouti à la déformation non homogène dans les deux parties. Pour résoudre la densification homogène de l'échafaudage à gradient, on a développé deux parties distinctes qui peuvent être assemblées au cours du processus de densification. Même si dans ce document, la condition optimale pour produire la structure poreuse graduée parfaitement fabriqué a pas encore pleinement trouvé, le potentiel du processus de densification pour la production de la structure graduée a été bien confirmé. Le procédé de fabrication optimisé de la structure poreuse graduelle est en cours, et que la poursuite des travaux, sélective charge de médicament à la structure graduée sera étudiée pour le comportement de libération fonctionnelle de l'échafaud.

Les avantages de l'approche proposée dans cette étude comprennent: 1) une meilleure mecanique compatibilité avec les tissus biologiques avec une bonne résistance et 2) la bioactivité prolongée pour une meilleure performance biologique. Cependant, un des inconvénients majeurs est la taille de pore réduite qui ne peut pas promouvoir la croissance osseuse par l'intermédiaire du réseau de pores des échafaudages métalliques pour une meilleure interface os-implant. Pour résoudre ce problème, des structures poreuses classés ont été proposés, dans lesquels les parties poreuses et denses coexistent; ainsi, les parties poreuses permettent la croissance osseuse, tandis que les parties denses fournissent une stabilité mécanique et la bioactivité prolongée. Par conséquent, les implants Ti fonctionnellement gradués à travers différents modèles structurels seront fabriquées et testées, en particulier, en se concentrant sur l'amélioration de la capacité d'intégration de l'os. En outre, une autre limitation devrait être la fabrication d'implants avec une géométrie complexe. Afin d'obtenir un implant de forme complexe (par exemple, fémorale augment de cône), le processus d'usinage supplémentaire est nécessaire après densification, en imposant deux inconvénients majeurs surle produit final: l'utilisation du matériel inefficace et non rentable en raison du volume important du bloc poreux Ti est souvent retiré pendant le processus, et la contamination potentielle et la perte de biomolécules revêtus au cours du processus d'usinage. Amélioration sur le processus de fabrication des échafaudages Ti poreuses à géométrie complexe est en cours. Les échafaudages métalliques poreuses densifiées peuvent être appliqués à diverses applications orthopédiques, par exemple, le remplacement de disque artificiel, en remplacement des implants métalliques en vrac ou poreuses, et agissant comme un support de charge ainsi que d'un support de médicament.

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).
Fabrication de mécanique accordable et bioactifs Métal échafaudages pour des applications biomédicales
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