Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

המצאה של מכאני מתכוונן ויו מתכת פיגומים עבור יישומים ביו

Published: December 8, 2015 doi: 10.3791/53279
Automatic Translation
1, 2, 2,3, 4, 3
1Liquid Processing & Casting Technology R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, 2Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University, 3Advanced Institutes of Convergence Technology, Seoul National University, 4School of Biomedical Engineering, Korea University

Introduction

בעוד בביו-חומרים מתכתיים היה בשימוש נרחב כשתלי עומס נושאות והתקני קיבוע פנימיים בגלל כוחם המעולה המכני והעמידות, 1-3 הם כרוכים שני אתגרים קריטיים: 1) חוסר התאמה מכאנית כי מתכות הן הרבה יותר נוקשה מאשר רקמות ביולוגיות, גרימת נזקים בלתי רצויים לרקמות הסובבות ו- 2) הפעילות הביולוגית נמוכה שלעתים קרובות תוצאות ממשק עני עם רקמות ביולוגיות, לעתים קרובות עוררו תגובות גוף זר (למשל, דלקת או פקקת). 4-6 פיגומי מתכת נקבוביים הוצעו לקדם ingrowth עצם במבנים, שיפור . קשר עצם שתל תוך השפעות מגן מתח מדוכאות בגלל הקשיחות מופחתת שלהם 7-9 יתר על כן, שינויי משטח שונים יושמו כדי לשפר את הפעילות הביולוגית של שתלים מתכתיים; שינויים כאלה כוללים ציפוי משטח המתכת עם מולקולות ביו (למשל, FAC הצמיחהtors) או תרופות (למשל, vancomycin, טטרציקלין). 10-12 עם זאת, בעיות כגון תכונות מכאניות מופחתות של פיגומי מתכת נקבוביים, ירידה בנוקשות והשחרור המהיר של שכבות הציפוי ביו נותרו לא פתורות. 13-16

סגסוגות בפרט, טיטניום (TI) וטי הן אחת ממערכות biometal הפופולריות ביותר בגלל תכונותיהם מכאניות מעולות, היציבות כימית, והתאמה ביולוגית טובה. 13,17-19 גם היישומים בצורת קצפם משכו עניין גוברת מפני 3D רשתות נקבוביות לקדם ingrowth עצם בנוסף לתכונות מכאניות כמו עצם. 20-22 נעשו מאמצים כדי לשפר את התכונות מכאניות על ידי פיתוח שיטות ייצור חדשים, כוללים שכפול של ספוג פולימרים, sintering של חלקיקי מתכת, אב טיפוס ודגמי שיטה (RP), ו שיטת בעל שטח על מנת לשלוט בתכונות השונות של הנקבוביות (למשל, חלק נקבובית,צורה, גודל, הפצה, וקישוריות) וחומר נכסים (למשל, שלב וטומאה מתכתיים). 23-25 ​​לאחרונה, ליהוק ההקפאה של תרחיף מתכת על בסיס מים זכו לתשומת לב רבה כדי לייצר צורות Ti משופרות מכאני עם נקבוביות מיושרות היטב מבנים על ידי ניצול צמיחת דנדריט קרח חד כיווני במהלך התמצקות; עם זאת, זיהום חמצן נגרמים על ידי מגע של אבקות מתכת עם מים דורש טיפול מיוחד כדי למזער embrittlement של פיגומי Ti. 14,15

לכן, פיתחנו גישה חדשה לבודת פיגומי Ti נקבוביים ביו ומכאני מתכונן. תחילה יש 25 הפיגומים מבנים נקבוביים עם נקבוביות של יותר מ -50%. הפיגומים נקבוביים המפוברק היו מצופים במולקולות ביו ולאחר מכן דחוס באמצעות עיתונות מכאנית שבמהלכו הנקבוביות הסופי, תכונות מכאניות ושחרור תרופת התנהגות היו בשליטת appliזן ed. שתלי Ti נקבוביים densified הראו נקבוביות נמוך עם כוח טוב למרות הקשיחות הנמוכה דומה לזה של עצם (3-20 GPA). 2 בגלל שכבת הציפוי, הפעילות הביולוגית של Ti הנקבובי densified השתפרה באופן משמעותי. יתר על כן, בגלל המבנים הנקבוביות שטוחים הייחודיים הנגרמים על ידי תהליך הציפוף, המולקולות ביו המצופה נראו להשתחרר בהדרגה מהפיגום, שמירה על יעילותם לתקופה ממושכת.

במחקר זה, הצגנו שיטה הוקמה לפברק פיגומי Ti נקבוביים densified לשימוש פוטנציאלי ביישומים ביו-רפואיים. הפרוטוקול כולל ליהוק הקפאה דינמי עם slurries מתכת וציפוף של פיגומים נקבוביים. ראשית, לפברק פיגומי Ti נקבוביים עם משיכות טובות שיטת יציקת הקפאה הדינמית הוצגה כפי שמוצגת באיור 1 א. אבקת Ti פוזרה בcamphene הנוזלי; לאחר מכן, על ידי הפחתת הטמפרטורה,השלב הנוזלי היה הקרושה, וכתוצאה מכך ההפרדה בין שלב רשת אבקת טי וגבישי camphene מוצקים. בהמשך לכך, הגוף הירוק טי-camphene התגבש היה sintered בי אבקות Ti היו מרוכזים עם תמוכות Ti רציפות, ושלב camphene הוסר לחלוטין כדי להשיג מבנה נקבובי. הציפוי ותהליך הציפוף עם הפיגומים נקבוביים הושגו הועסקו, משתנים מידת הציפוף ונקבובי ראשוניים. שכבת הציפוי ו התנהגות השחרור היו דמיינו ולכמת באמצעות החלבון פלואורסצנטי הירוק (GFP) -coated Ti הנקבובי עם ובלי ציפוף לעומת Ti הצפוף מצופה GFP. לבסוף, פיגומי Ti מדורגים פונקציונלי שיש שני מבנים נקבוביים שונים הוצעו והפגינו על ידי שינוי מידת הציפוף של החלקים הפנימיים וחיצוניים של הפיגומים נקבוביים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור של פיגומים מתכת נקבוביות

  1. הכן slurries טי-ידי ערבוב אבקת camphene זמינה מסחרי Ti, camphene, וKD-4 לאחר שקילת הכמויות המתאימות של חומרים כמתואר בטבלה 1 לפיגומי Ti נקבוביים עם ארבע porosities הראשוני (40, 50, 60, ו -70). יוצקים את slurries לבקבוקי 500 מיליליטר פוליאתילן (PE) ולסובב את הבקבוקים על 55 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות בתנור שכדור-טחנה ליום 30 בסל"ד.
  2. יוצקים את slurries מבקבוקי PE לאלומיניום גלילי (אל) תבניות בקוטר של 60 מ"מ וגובה של 60 מ"מ. לאטום כל עובש אל עם להחליק את המכסה המתאים אל ולסובב את התבניות בתנור כדור-טחנה במהירות של 30 סל"ד ב 55 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
    1. בהמשך לכך, להקטין את הטמפרטורה של תנור כדור-הטחנה עד 44 מעלות צלזיוס, וברציפות לסובב את התבניות במהירות של 30 סל"ד בטמפרטורה הקבועה של 44 מעלות צלזיוס במשך שעה 12.
  3. להוציא את התבנית מהכדוריתטחנת תנור לאחר בנוסף מסתובבת התבניות ב RT עבור שעה 1 לתהליך הקירור. הסר את הגוף הירוק טיטניום / camphene הקרושה מעובש אל באמצעות בוכנת אל.
  4. הנח את הגוף הירוק טיטניום / camphene הקרושה בשקית גומי ביד ולאטום את שקית הגומי לחלוטין על ידי קשירת הפה של השקית עם מחרוזת. מניחים את שקית הגומי במכל המים של מכונה קרה isostatic קשה (CIP) ולהחיל לחץ isostatic של 200 MPa במשך 10 דקות. הסר את הגוף הירוק הדחוס משקית הגומי.
  5. העבר את הגוף הירוק טי-camphene לכור היתוך אלומינה ביד ומניח את כור ההיתוך במכונה הקפאת המייבש. להקפיא-לייבש את הגוף הירוק לעדן שלב camphene בגוף הירוק ב-- 40 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות.
  6. בהמשך לכך, לסגור את כור ההיתוך עם להחליק את מכסה אלומיניום ומניח את כור ההיתוך הסגור בתנור ואקום (להלן 10 -6 Torr) ב RT. לאחר מכן, להעלות את הטמפרטורה של התנור ל1,300 מעלות צלזיוס בr חימוםאכלתי 5 מעלות צלזיוס / דקה ולהחזיק את הטמפרטורה ב1,300 מעלות צלזיוס במשך שעה 2.
  7. לאחר הטיפול בחום, לשמור Ti הנקבובי sintered בכבשן ל6-7 שעות עד התנור הוא מקורר באופן מלא לRT.
    הערה: במהלך 6 שעות של תהליך הקירור, השיעור הממוצע של קירור התנור מעל 400 מעלות צלזיוס הוא ~ 15 ° C / דקות והשיעור הממוצע של קירור התנור מתחת 400 ° C היא ~ 2 מעלות צלזיוס / דקה.
  8. במידת צורך, לחתוך את הבלוק של טי הנקבובי sintered לדגימות בצורת דיסק בקוטר של 16 מ"מ דרך עיבוד פריקה חשמלית (EDM). 27
    הערה: בהתאם לגודל של תבניות אל, בגודל של Ti הנקבובי sintered צריך להיות שונה בתהליך העיבוד (איור 2 א).
  9. מניחים כוס זכוכית עם דגימות Ti נקבוביות בחיטוי ולעקר את הדגימות ב 121 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות. הסר את הדגימות מהחיטוי. שטוף את דגימות Ti נקבוביות במים מזוקקים פעמיים ולאחר מכן עם 70% אתנול פעמיים.לבסוף, לעזוב את Ti הנקבובי לתוך צלחת פטרי ואוויר יבש הדגימות ב RT על ספסל נקי תחת אור UV.

2. טובלים ציפוי של פיגומים עם סוכנים ביו

  1. לדלל את החלבון ירוק הקרינה המסחרית (GFP) מ1 מ"ג / מיליליטר ל -100 מיקרוגרם / מיליליטר בספסל נקי על ידי ערבוב 1 מיליליטר של GFP עם 9 מיליליטר של הפתרון של Dulbecco בופר פוספט (DPBS, pH 7.4) ב- 10 מעוקר מ"ל קלקר צינור (PS) כפי שצוין בטבלה 1.
  2. לטבול את Ti הצפוף או נקבובי המעוקרים ב 10 מיליליטר של תמיסה מדוללת GFP (100 מיקרוגרם / מיליליטר) על ידי הצבת דגימות Ti לתוך צינור PS עם פתרון ה- GFP ב RT והצבה על ספסל נקי.
  3. מניחים את צינור PS בייבוש ואקום ולפנות את תא ייבוש במשך 10 דקות על מנת להבטיח את פתרון ה- GFP חודר את הנקבוביות של Ti הנקבובי בצורה יעילה יותר.
  4. הסר את טיטניום הנקבובי מצינור PS באמצעות פינצטה. מניחים את Ti הנקבובי מצופה GFP לקוטר 10 סנטימטרים Peצלחת תלת ואוויר יבש O / N ב RT על ספסל נקי.
  5. יש לשטוף את Ti הנקבובי פעמיים עם 10 מיליליטר של בופר פוספט של Dulbecco (DPBS) בכוס זכוכית, ולהעביר את Ti הנקבובי לתוך צלחת פטרי בקוטר 10 סנטימטרים באמצעות פינצטה ואוויר יבש ב RT על ספסל נקי.

3. ציפוף של פיגומים נקבוביים

  1. מניחים את דגימות Ti נקבוביות מצופה GFP עם גבהים שונים בקוביית פלדה גלילית, והכנס את סט של אגרופים לתוך החורים העליונים ותחתונים של קוביית הפלדה (איור 3 א).
  2. לדחוס Ti הנקבובי בתוך ההרכבה למות פלדה ב RT בכיוון z של המדגם (איור 3 א) באמצעות מכונה עיתונות בשיעורי זן ביניים של 0.05 ~ 0.1 שניות -1 נגד קבוע מראש הזנים מיושמים מוצגים בטבלה 2. החזק את הלחץ 1 דקות לפני הפריקה.
  3. הסר את דגימות Ti densified מלמות הפלדה. שטוף את דגימות densified פעמיים עם 10 מיליליטר של DPBSבכוס וO האוויר יבש / N ב RT על ספסל נקי.

מבחן שחרור 4. פיגומים מצופים GFP

  1. לטבול את שלושה סוגים של דגימות (מצופה GFP צפוף Ti (לאחר שלבי 2), מצופה GFP-נקבובי Ti (לאחר שלבי 1 ו -2) ומצופה GFP densified הנקבובי Ti (לאחר צעדי 1-3)) ב 5 מיליליטר DPBS (pH 7.4) פתרון כלול בצינור PS מעוקר 10 מיליליטר ב 37 ° C על ספסל נקי.
  2. יניקה את כל פתרון DPBS מצינור אחד PS עם המדגם מצופה GFP ולחדש עם פתרון DPBS 5 מיליליטר חדש (pH 7.4) בעזרת פיפטה לפי הזמנים שנקבעו מראש של 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 ו -29 ימים לאחר טבילה.
  3. קח את תמונות הקרינה של הדגימות מצופים GFP לפני טבילה (יום 0) ואחרי 22 יום הטבילה באמצעות ספקטרוסקופיה סריקת לייזר confocal (CLSM).
  4. למדוד את עוצמת אות הקרינה של ה- GFP שוחרר בפתרון 1 מיליליטר מהסכום כולל של 5 מיליליטר פתרון DPBS נמשך מצינור אחד PS בסעיף 4.2 באמצעותספקטרוסקופיה UV באורך גל של 215 ננומטר. להמיר את ערך העצמה לריכוז של פתרון ה- GFP באמצעות העקומה סטנדרטית.
    הערה: לפני המדידה, לצייר העקומה סטנדרטית של פתרון ה- GFP על ידי מדידת עוצמת אות הקרינה של פתרון ה- GFP בטווח הריכוז של 0 ng / ml - 10 מיקרוגרם / מיליליטר.

5. המצאה של מדורגים פיגומים Ti נקבוביים

  1. לייצר בלוק של Ti הנקבובי sintered על ידי חזרה על שלב 1.1 לשלב 1.7.
  2. מכונת בלוק Ti הנקבובי sintered לפי העיצובים שנקבעו מראש מבנה (למשל, הציור 5a ו5D) על ידי EDM.
  3. מניחים את דגימות Ti במכונה עם הפצת גובה בקוביית פלדה שבו הקוטר של טי הנקבובי הוא ~ 0.1 מ"מ קטן יותר מאשר הקוטר של הקובייה והכנס סט של אגרופים לתוך החורים העליונים ותחתונים של קוביית הפלדה.
  4. בצע את השלבים 3.2 ו -3.3.

6. הנקבוביasurement של פיגומים Ti

  1. למדוד את המסה (מ 'ים) של פיגומי Ti.
  2. חשב את הנפח לכאורה (V ים) על ידי מדידת אורך, רוחב וגובה של פיגומי Ti.
  3. לחשב את נקבוביות באמצעות המשוואה הבאה:
    משוואת 1
    כאשר P הוא מוחלט אחוז הנקבוביות, ρ Ti הוא הצפיפות התיאורטית של S טיטניום והמטר / V S הוא הצפיפות המדודה של המדגם.
    הערה: הנקבוביות של דגימות Ti יכול להאסף ישירות מתמונות microCT לאחר ההדמיה microCT מתבצעת באמצעות סורק טומוגרפיה-מחושב מיקרו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תהליך הייצור המשמש לייצור פיגומי Ti נקבוביים מתואר באיור 1 א. אבקת TI היא המשיכה מפוזרת בצורה הומוגנית בcamphene ידי סיבוב מתמשך של המכל על 44 מעלות צלזיוס במשך שעה 12 ו, בעוד camphene הנוזל התגבש באופן מלא, ניתן למזער כל משקעים של אבקת Ti כבדה יחסית. כתוצאה מכך, הגוף הירוק טי-camphene הומוגנית הופק באמצעות תהליך ליהוק הקפאה הדינמי כפי שמוצג באיור 1, שבו 3-ממדי נקבוביות camphene גדול קשור מוקפים שלב אבקת Ti (איור 1 ג). עם זאת, הסיבוב לא נכון של המכולות לעתים קרובות תוצאות הפצת הומוגניות של טי ושלבי camphene בגוף הירוק, גורם לעיוות או פיצוח של הפיגום הנקבובי הבאים טיפול בחום. המצב האופטימלי של מהירות הסיבוב נמצא 30 סל"ד, שהיה מסוגלת לייצר גוף ירוק הומוגנית ברוב המקרים. לפני להמשיךing עם טיפול בחום, הצמיחה הנרחבת של camphene אושר על ידי התבוננות בחתך של הגוף הירוק טי-camphene כפי שמוצג באיור 1 ג. אם שלב camphene הוא רציף עם התפלגות גודל משמעותית של נקבוביות, הטמפרטורה והזמן של ליהוק ההקפאה הדינמי צריכה להיות איפוס. בדרך כלל, שלב camphene של הגופים הירוקים טי-camphene נמצא להיות מפותח אחרי ליהוק הקפאה דינמית 12 שעות, שבו שלב camphene הפך רציף מאז נקבוביות כדורי הגדול היו בקשר אחד עם השני. הגודל, המורפולוגיה והקישוריות של הנקבוביות בTi הנקבובי הוערכו נוספת באמצעות ניתוח מיקרו-CT לאחר טיפול בחום.

לאחר sintering ב1,300 מעלות צלזיוס, בלוקים Ti נקבוביים נחתכים לדגימות בצורת גליליות מרובות על ידי עיבוד חשמל פריקה (איור 2 א). הדגימות גליליות שהושגו לא הראו סדקים או פגמים. תמונות מיקרו-CT נציג porouזה פיגומי Ti מפוברקים על ידי קונבנציונלי (למעלה) והקפאה דינמית (למטה) ליהוק מוצגים באיור 2. המבנה הנקבובית של דגימות Ti מיציקת ההקפאה הקונבנציונלית תערוכות יישור נקבובית כיוונית עם נקבוביות בצורה סדירה בגלל צמיחת הדנדריטים של camphene במהלך הקפאה. מצד השני, המדגם מיציקת הקפאה דינמית מציג נקבוביות כמעט כדורי עם הפצה נקבובית אקראית. יתר על כן, התמונות מיקרוסקופיות ברזולוציה גבוהה יותר של פיגומי Ti נקבוביים עם porosities השונים (נקבוביות ראשוני (IP) = 50, 60, ו -70% כרך) מראות בבירור נקבוביות כדורית באופן אקראי מופץ ברשת Ti (איור 2 ג). הגודל הנקבובית של פיגומי Ti נקבוביים ירד כנפח של camphene ירד.

בהמשך לכך, פיגומי Ti נקבוביים המפוברק מצופים במולקולות ביולוגיות וdensified בתוך התבנית על ידי שינוי המתח מיושם כפי שמוצג באיור 3 א. לvisualization של שכבת הציפוי ביו בדגימות Ti, חלבון ניאון ירוק (GFP) שימש במחקר זה. המאמץ ליישם (ε ZZ), אשר תואם את הלחץ (zz P), נמצא להשתנות מידת הציפוף כפי שמוצג באיור 3. הצורה הנקבובית הופכת שיטחה כתואר של עליות ציפוף ו, כתוצאה מכך, בציפוף הגבוה ביותר, נקבובי כמעט נעלמת בגלל הנקבוביות השכנות נמצאות בקשר אחד עם השני. עם זאת, מהמחקר הקודם שלנו, אנו מאשרים כי הערוצים הנקבוביות של דגימות densified עדיין פתוחים, עם כמעט אותו שטח כמו זה של Ti הנקבובי של אותו נקבוביות. 25 על מנת להעריך את דגימות densified עם porosities התחלה שונה, Z-גובה צריך להשתנות בהתאם לנקבוביות הראשוניות על מנת שמדגם densified יש את אותו נקבוביות סופי. טבלה 2 מספקת גם חזו זנים מיושמים כדי להשיג עמ 'הסופי הממוקדorosity (FP) של הפיגומים נקבוביים densified עם porosities הראשוני שונה. לדוגמא, כדי לייצר את הדגימות נקבוביות densified עם FP = 5%, פיגום הנקבובי עם IP = 70% דורש מתח של כ -0.7, ואילו הפיגום עם IP = 50% צריך כ 0.5. לכן, הגבהים הראשוניים של הפיגומים נקבוביים חושבו בזהירות על פי הנקבוביות הראשוני כדי להשיג דגימות עם אותו הגובה סופי לאחר ציפוף. כפי שניתן לראות באיור 3 ג, ארבע דגימות עם משתנה porosities מIP = 40% עד 70% מופע גבהים ראשוניים שונים לפני ציפוף ואז בסוף, עם גבהים כמעט זהים של 2 מ"מ.

GFP שימש כדי להמחיש את שכבת ציפוי ב( IP = 70%) נקבוביים וTi (IP = 70%, FP = 7%) נקבוביים densified דגימות לעומת Ti הצפוף המסחרי כפי שמוצג באיור 4 א. כל שלוש דוגמאות ברורות להציג את מורפולוגיה המשטח המצופה מקבילות הmicrostructures EIR. משטח Ti הצפוף מלא מכוסה לחלוטין בשכבת ציפוי ירוקה, ואילו דגימות נקבוביות נקבוביות וdensified יש לי טי בצבע ירוק תמוכות עם נקבוביות ברורות. שימוש בשלוש דגימות מצופים אלה שמוצגים באיור 4 א, ​​שחרור ההתנהגות נצפתה (איור 4). הסכום של ה- GFP שוחרר מכל מדגם בא לידי ביטוי כסטיית התקן הממוצע ± (n = 3) והיה במעקב עד חודש על ידי מדידת עוצמת הקרינה. Ti שני הצפוף ונקבובי נמצא לי GFP מהיר שחרור התנהגות עם אפקט התפוצצות ראשוני, עם שוחרר ביותר בתוך שבוע אחד. עם זאת, Ti הנקבובי densified תערוכות שחרור רציף עד חודש, מראה בבירור GFP על פני השטח גם לאחר חודש אחד (תמונות CLSM של איור 4).

תהליך הציפוף יכול להיות מיושם גם לייצור של פיגומי Ti נקבוביים מדורגים פונקציונלי כהציג באיור 5. שני הסירשרטוטי עיצוב ential של מבני שיפוע נבחרו, שיש לי השכבות הפנימיות וחיצוניות של פיגום גלילי porosities שונה. למבנה עם ליבה צפופה שמוצגת באיור 5 א ', החלק החיצוני של פיגום Ti קוצר על ידי עיבוד מכאני כפי שמוצג באיור 5. לאחר ציפוף סלקטיבית של החלק הפנימי גבוה יותר, מבנה השיפוע הושג. המידע המבני מפורט של דמויות 5Bb ו5E נמדד על ידי מיקרו CT מסופק בטבלה 3 תמונת CT מיקרו של איור 5 ג מראה בבירור את החלקים הפנימיים וחיצוניים של הפיגום עם porosities שונה (פנימיים:. FP = ~ 60%, חיצוניים: FP = ~ 70%). לחלופין, מבנה עם שכבה חיצונית צפופה יכול להיות מיוצר על ידי שינוי גובה ההבדל בין החלקים הפנימיים וחיצוניים (איור 5D). Ti הנקבובי עם תוצאות החלקים חיצוניים גבוהים יותר ופנימיים נמוכים בo צפופהחלק uter לאחר הציפוף (איור 5E), שבו נקבוביות של החלק החיצוני הונמך ל~ 45%, עם החלק הפנימי שיש הנקבוביות השתמרו הראשוני (IP = 70%) כפי שצוין באיור 5F.

איור 1
איור 1. ייצור של גוף ירוק טי-camphene ידי יציקת הקפאה דינמית. איור סכמטי של תהליך מעטפת ההקפאה הדינמי להשיג (א) הגדילו את הגוף ירוק טי-camphene לפני הטיפול בחום (מעובד באישור Elsevier, יונג et al., 2013). תמונה אופטית של גוף ירוק טי-camphene נציג לאחר השלמת תהליך ליהוק הקפאה הדינמי (B). תמונה (C) חתך של הגוף הירוק טי-camphene בי שלב camphene המוצק מופץ באופן אקראי בתוך PHAs אבקת Ti הרציףדואר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 1
איור 2. פיגומים הנקבובי Ti עם porosities הראשוני שונים לאחר טיפול בחום. () תמונות אופטיות של גוש Ti נקבובי sintered באופן מלא לפני ואחרי עיבוד ופיגום שהושג גלילי נקבובי Ti מעיבוד. (ב) תמונות מיקרו-CT מורכבים מפיגומי Ti הנקבובי המפוברק על ידי הקפאה קונבנציונלית ליהוק (למעלה) והקפאה דינמית ליהוק (תחתונה). חיצים צהובים בתמונה העליונה של איור 2 מצביעים על היישור הנקבובית בכיוון רדיאלי. (ג) תמונות חתך של פיגומי Ti הנקבובי מפוברקים על ידי הקפאה דינמית ליהוק עם נקבוביות הראשוניות (IP) של 70% (למעלה), 60%(באמצע) ו -50% (למטה) שבו ריבועי הם התמונות אופטיות של פיגומי Ti נקבוביים המקבילים (עיבוד באישור Elsevier, יונג et al., 2013). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 1
איור 3. טובלים-ציפוי וציפוף של פיגומי Ti נקבוביים. () איור סכמטי של תהליך הייצור של פיגום densified נקבובי מתכתי (TI) מצופה במולקולות ביולוגיות (למשל, ה- GFP) (מעובד באישור Elsevier, יונג et al. , 2015). (ב) תמונות החתך של פיגומי Ti נקבוביים densified (IP = 70%) במאמץ ליישם (ε ZZ) = 0, 0.53, 0.63, 0.68, וכתוצאה מכך הנקבוביות הסופי (FP = 70, 33, 19, 7%). (C אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 1
איור 4. במבחנה שחרור התנהגות של פיגומים נקבוביים densified טעון GFP טי. () תמונות CLSM אופייניות של ה- GFP נטענות על פני השטח של פיגומי Ti צפופים, נקבוביים וdensified. (ב) סכומים מצטברים של GFP שוחררו מTi הצפוף, נקבובי וdensified פיגומים עד 29 ימים (n = 3) עם תמונות CLSM של שלוש דגימות אלה אחרי הטבילה בPBS במשך 24 ימים (סרגל קנה מידה = 200 מיקרומטר). סטיית תקן (SD) היאאד לבר שגיאת תיאורים של כל נקודת נתונים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 1
ייצור איור 5. פיגומי בנייה נקבובית מתכת מדורגת פונקציונלי. סכמטי (א) לעיצוב פיגום נקבובי מדורג עם חלק פנימי צפוף. (ב) מדורג פיגום Ti נקבובי עם החלק הפנימי צפוף מפוברק באמצעות ציפוף. (ג) 2-D משוחזר תמונה-CT מיקרו של פיגום Ti הנקבובי מדורג עם החלק הפנימי צפוף. סכמטי (D) של עיצוב פיגום עם נקבוביות שיפוע עם החלק החיצוני צפוף. (ה) פיגום Ti נקבובי מדורג עם החלק החיצוני צפוף המפוברק באמצעות ציפוף שבפיגום בעל ליבה פנימית נקבוביתמוקף בשכבה החיצונית densified. (F) 2-D משוחזר תמונת מיקרו CT של פיגום Ti נקבובי מדורג עם החלק החיצוני צפוף. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

מדגם יעד טי-camphene תרחיף פתרון ציפוי
אבקת Ti (ז) Camphene (ז) KD-4 (ז) GFP (מיליליטר) PBS (מיליליטר)
פיגום Ti עם IP = 40% 204.3 90 .294 1 9
פיגום Ti עם IP = 50% 171.4 97 </ Td> 0.268
פיגום Ti עם IP = 60% 136.5 103 .239
פיגום Ti עם IP = 70% 100 110 0.21

טבלה 1. מידע מפורט של תרחיף טי-camphene ופתרון ציפוי עבור הייצור של פיגומי היעד נקבוביים Ti (IP = 40, 50, 60, 70%) מצופים עם GFP. (IP מייצג נקבוביות ראשוני).

נקבוביות ראשוני (%) נקבוביות סופי (%)
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

טבלה 2. חזוי מאמץ ליישם (ε ZZ) פיגומי בנייה נקבוביות (IP = 50, 60, 70%) במונחים של נקבוביות הסופי הממוקד (FP) באמצעות המשוואה, FP = 1 - (IP 1) / (1 ε ZZ).

איור. 5b
דוּגמָה לפני הציפוף לאחר ציפוף
גובה (מ"מ) נַקבּוּבִיוּת (%) גודל נקבובית (מיקרומטר) גובה (מ"מ) נַקבּוּבִיוּת (%) גודל נקבובית (מיקרומטר)
חלק פנימי 18 ± 1 70 ± 1 370 ± 100 13 ± 1 57 ± 5 285 ± 100
חלק חיצוני 14 ± 1 70 ± 5 365 ± 110
פיגום מדורג של איור. 5e חלק פנימי 14 ± 2 12 ± 1 70 ± 8 315 ± 110
חלק חיצוני 18 ± 1 45 ± 8 230 ± 80

טבלה 3. מידע מבני של החלקים הפנימיים וחיצוניים של פיגומים מדורגים נקבוביים (איור 5 ואיור 5E) לפני ואחרי הציפוף במונחים של Z-גובה, נקבוביות וגודל נקבובית ממוצע שנמדד על ידי מיקרו-CT.

נקבוביות ראשוני של טי הנקבובי (%) לפני הציפוף לאחר ציפוף (FP = 5%)
נוקשות (GPA) כוח תשואה (MPA) נוקשות (GPA) כוח תשואה (MPA)
50 19 143 44 > 370
60 13 130 42 > 370
70 5 58 35 > 370

לוח 4. נוקשות וכוח תשואה של פיגומי Ti נקבוביים (IP = 50, 60, 70%) לפני ואחרי ציפוף (מעובד באישור Elsevier, יונג et al., 2015).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בעוד מערכות biometal היו בשימוש נרחב עבור יישומים ביו-רפואיים, במיוחד, כחומרי נושאות עומס, קשיחות גבוהה ופעילות ביולוגית נמוכה של מתכות כבר נחשב לאתגרים גדולים. במחקר זה, הקמנו את שיטת הייצור של מערכת מתכת חדשה, פיגום מתכת נקבובי densified שבו יש תכונות מכאניות biomimetic כמו גם משטח ביו עם בר קיימא התנהגות שחרור. היתרונות העיקריים של שיטת הייצור שלנו כוללים 1) לא חלה שינוי בשיטת יציקת ההקפאה דינמית הקודמת שבו אנו כבר פיתחנו, 28 2) שליטה על פרמטר מעלות אחד מציפוף-מנת להשיג שני השיפור המכני וברה-קיימא שחרור התנהגות של מולקולות ביולוגיות מנקבוביים פיגומי מתכת ו 3) יישום פוטנציאל מדורג פונקציונלי חומרים.

אחד השלבים הקריטיים הדרושים כדי להפיק את המתכת הנקבובית densified הוא הייצור של Ti הנקבובי, אשר ברשותה שני featu החשובמיל: 1) משיכות לשלוט בקצב השחרור של מולקולות ביו והתכונות מכאניות ו -2) קישוריות גבוהה נקבובית לטעון ולשחרר מולקולות ביולוגיות. עם זאת, דווח בעבר פיגומים נקבוביים טיטניום מיוצרים בשיטת בעל שטח, שיטת תבנית ספוג, ומטלורגיה האבקה הראה גם קישוריות נקבובית מוגבלת או משיכות. 14,24,29 בפרט, הזיהומים שנוצרו על ידי התגובה של אבקות מתכת עם סובבים אחרים חומרים בתהליך הטיפול בחום ידועים כדי להפחית את המשיכות של החומר באופן משמעותי בגלל אבקות מתכת נמצאות במגע עם החומרים שני (למשל, בעל שטח או תבנית פולימר), וכתוצאה מכך הכישלון שביר תחת בדיקות מכאניות. 14,24,29 כך , לפברק densified מתכת נקבובית, הזיהומים צריכים להיות ממוזערים עבור רוב שיטות ייצור קונבנציונליות. כדי להימנע מסיבוך זה, שחקרנו את המורפולוגיה הנקבובית והתנהגויות מכאניות oו פיגומי טיטניום נקבוביים מפוברקים באמצעות הקפאת ליהוק שיטה עם camphene על מנת למזער את האינטראקציה בין אבקות מתכת והשלב הנוזלי. 26,28,30-33

חסרון של שיטת יציקת הקפאה הקונבנציונלית הוא שזה לעתים קרובות תוצאות ערוצים נקבוביות כיוונית (איור 2, תמונה עליונה). מצד השני, עם ליהוק הקפאה דינמי, הצורה והגודל הנקבוביות נמצאו אחיד יותר מאלה של ליהוק ההקפאה הקונבנציונלי וההפצה הנקבובית בתוך הפיגום היא כמעט אקראית. . תכונות מבניות אלה של פיגומים נקבוביים מהקפאה דינמית ליהוק התנהגות מכאנית איזוטרופיים תכנית, ובכך מאפשר ציפוף בעובש מוגבל תחת לחץ uniaxial 26,28 במהלך ליהוק הקפאה דינמי, שני אירועים מרכזיים מתרחשות בתוך תרחיף המתכת: 1) גידול גבישים של שלב camphene ו 2) חלוקה מחדש של אבקות מתכת והגדילו את camphene בתוך ים שלב נוזלי שנותר הימנעותedimentation. הכבידה גורם אבקות המתכת לבודד עד camphene הנוזל התגבש באופן מלא. הסיבוב הרציף של התרחיף ליד טמפרטורת ההתכה של camphene נותן מספיק זמן לגבישי camphene כדוריים לגדול בצורה הומוגנית, המאפשר הפצה של אבקות טי וגבישי camphene האקראית ואחידה כפי שמוצג באיור 1 ג.

בעקבות תהליך הקירור, הגדילו באופן מלא טי-camphene גוף הירוק biphasic (איור 1) הושג. על מנת להסיר לחלוטין את camphene מהגוף הירוק הקרושה ללא המבנה הקורס, camphene היה sublimed בייבוש ואקום ב -20 ° C. לאחר הסרת שלב camphene, הגוף הירוק הפך נקבובי, הכולל רק אבקת Ti. מכיוון שאין אינטראקציה בין חלקיקי Ti, הגוף הירוק Ti הנקבובי הוא שביר כל כך נדרש כי טיפול זהיר. כדי להימנע מכל טיפול ישיר של הגוף הירוק עם ידיים לפני טיפול בחוםment, כור היתוך קרמיקה נבחר למכל של הגוף הירוק לייבוש בהקפאה וsintering. מיכל עם הגוף הירוק הוצב בתנור ואקום מייד לאחר הייבוש בהקפאה וטיפול בחום ב1,300 מעלות צלזיוס, המאפשרת לגוף הירוק להיות densified מלא ללא פגמים משמעותיים בתמוכות המתכת. להערכת הדגימות, בלוקים Ti נקבוביים נחתכו לצילינדרי Ti נקבוביים קטנים יותר בגלל הגיאומטריה והגודל של הדגימות נקבוביות צריכה להיות (איור 2 א) הזהה. כל הדגימות היו במכונה בהצלחה ללא כל ליקויים משמעותיים (2B דמויות ו2C). בהתאם לכמות של כוח Ti בתרחיף, פיגומי Ti עם porosities שונה התקבלו עם צורות כדוריות ונקבוביים מתפזרים באופן אקראי (איור 2 ג).

לאחר פיגומי Ti נקבוביים התקבלו באמצעות שיטת יציקת הקפאה הדינמית כפי שדווח בסטים הקודמים שלנוdy, 28 מולקולות ביולוגיות היו מצופים על פני השטח טי והציפוף של Ti הנקבובי המצופה בוצע כפי שמודגם באיור 3 א. על מנת להימנע מכל זיהום או denaturation של מולקולות ביולוגיות, תהליך הציפוי נערך על ספסל נקי ב RT בתוך 24 שעות לאחר הפיגומים נקבוביים היו autoclaved וניקה בזהירות. כדי למזער את ההפסד של מולקולות ביולוגיות המצופים לפני הציפוף, תהליך הניקוי היה ממוזער לאחר תהליך הציפוי בוצע. תהליך הציפוף נשלט על ידי העיוות השימושית של דגימות Ti הנקבובית בZ-הכיוון, הוסב למתח, ε ZZ. 26 בהתאם לנקבוביות הראשוניות של פיגומי Ti, המאמץ ליישם ומקבילים נקבוביות סופי היו מגוונים (טבלה 2 ). על מנת להבטיח את הפיגומים נקבוביים densified עם porosities הראשוני שונה היו זהות גיאומטריות סופיות וגדלים, המאמץ ליישם של indiviפיגומים כפולים חושבו והגובה הכולל מדגם (אורך בכיוון z) של כל דגימה אז חזה לפני הציפוף. איור 3D מצביע על כך שגבהים שונים של דגימות נקבוביות בודדות עם משתנה נקבוביות יכולים להוביל למדגם הנקבובי densified עם גובה סופי זהה ב אותו נקבוביות סופי.

על ידי שליטה על התואר של ציפוף, יש הפיגומים נקבוביים densified התנהגות מכאנית ייחודית עם שחרור ממושך של מולקולות ביולוגיות המצופים. המאמץ ליישם שינויים בשני פרמטרים חשובים של פיגומי Ti נקבוביים: נקבוביות סופי וגודל נקבובית. פיגומים נקבוביים עם נקבוביות נמוכות להראות קשיחות וחוזק גבוהות. המחקר הקודם שלנו דיווח על מתח מתח ההתנהגות של פיגומים נקבוביים densified עם כוח משופר בהשוואה לTi הנקבובי (לוח 4), כמו גם נוקשות מופחתות באופן משמעותי בהשוואה לTi הצפוף המסחרי. 26 במחקר זה, אנחנו גם נצפו השחרור דואר התנהגות של טי הנקבובי densified לעומת שני צפוף ונקבובי Ti באמצעות זיהוי דמיין של שכבת ה- GFP-הציפוי כפי שמוצג באיור 4. התוצאות היו עקביות עם המחקר הקודם שלנו, שבו 26 הפיגומים נקבוביים densified להחזיק השתפרו באופן משמעותי שחרור התנהגות חומרים מצופים, מאריכים את זמן השחרור של עד ארבעה חודשים בשל torturosity המוגבר של הפיגומים עם גודל נקבובית ירד. המבחן של 30 יום השחרור הנוכחי מראה בבירור את ה- GFP שנותר על פני השטח של Ti הנקבובי densified בניגוד ללא שריד GFP משני משטחי Ti צפופים או נקבוביים.

לבסוף, שיטת הציפוף הייתה מוחלת על הייצור מדורג פונקציונלי פיגומים נקבוביים שבו יש לי החלקים הפנימיים וחיצוניים porosities שונה. לפיגום הגלילי, המבדילה את Z-הגבהים של החלקים הפנימיים וחיצוניים יכול בקלות להוביל לפיגומים נקבוביים מדורגים כפי שמוצג באיור 5. המאמץ ליישם (ε ZZ) על החלק הפנימי בפיגום Ti הנקבובי שמוצג באיור 5 היה ~ 0.27, שהביאו לנקבובי הסופי של ~ 57%, בעוד שאין מתח היה מוחל על החלק החיצוני. מצד השני, המאמץ ליישם (ε ZZ) בחלק החיצוני בפיגום Ti הנקבובי באיור 5 היה ~ 0.33, שהביא לנקבובי הסופי של ~ 45% ואילו החלק הפנימי היה כמעט בשלמות, שמירה על נקבוביות הראשוניות (לוח 3). עם זאת, שני אתגרים מרכזיים עבור הפיגומים נקבוביים מדורגים נצפו מניסוי זה. ראשית, החלקים הפנימיים וחיצוניים מתמשכים הנגרמים מתח עולה בקנה אחד והפצת מתח בתוך הפיגום; כך, הציפוף התרחש inhomogeneously, שבו האזורים ברחבי המשטחים העליונים ותחתונים היו צפופים יותר מאלה סביב המשטח הפנימי. נטייה זו הייתה קריטית כהפרש הגובה של שני חלקים מוגברים. יתר על כן, ריטה המדורגתשלנו פיגום עם החלק הפנימי צפוף היה קשה יותר לייצר יותר הפיגום עם החלק החיצוני צפוף כי הציפוף של החלק הפנימי צריכה להתבצע, להיות מוגבל עם חלק החיצוני, שהביא לעיוות הומוגניות בתוך שני החלקים. כדי לפתור את ציפוף הומוגניות של הפיגום המדורג, שפיתחנו שני חלקים נפרדים שניתן להרכיב בתהליך הציפוף. למרות במאמר זה, המצב האופטימלי לייצר מפוברק לחלוטין המבנה הנקבובי מדורג לא נמצא עדיין באופן מלא, את הפוטנציאל של תהליך הציפוף לייצור המבנה המדורג אושר גם. שיטת הייצור מותאמת למבנה הנקבובי המדורג היא הולך-על, וכמו עבודה נוספת, טעינת תרופה סלקטיבית למבנה המדורג תיחקר לשחרור ההתנהגות הפונקציונלית של הפיגום.

היתרונות של הגישה המוצעת במחקר זה כוללים 1 MEC) טוב יותרתאימות hanical עם רקמות ביולוגיות עם כוח טוב ו- 2) פעילות ביולוגית ממושכות לביצועים טובים יותר ביולוגיים. עם זאת, אחד החסרונות העיקריים הוא בגודל הנקבובית מופחת שלא יכול לקדם ingrowth עצם דרך הרשת הנקבובית של פיגומי מתכת לממשק עצם שתל טוב יותר. כדי לפתור בעיה זו, מבנים נקבוביות מדורגים הוצעו, שבחלקים נקבוביים וצפופים לדור בכפיפה אחת; כך, החלקים נקבוביים מאפשרים ingrowth עצם, ואילו החלקים הצפופים לספק יציבות מכאנית ופעילות ביולוגית ממושכת. לכן, שתלי Ti מדורגים פונקציונלי באמצעות עיצובים מבניים שונים יהיו מפוברקים ונבדקו, במיוחד, תוך התמקדות ביכולת המשופרת של אינטגרציה עצם. יתר על כן, הגבלה אחרת צריכה להיות הייצור של שתלים עם גיאומטריה מסובכת. על מנת לקבל שתל בצורת מורכבת (למשל, להגדיל את חרוט הירך), נדרש תהליך העיבוד נוסף לאחר ציפוף, הטלת שני חסרונות עיקריים בהמוצר הסופי: שימוש לא יעיל ולא כלכלי מהותי בגלל ההיקף המשמעותי של גוש Ti הנקבובי הוא לעתים קרובות הוסר במהלך התהליך, וזיהום פוטנציאלי ואובדן של מולקולות ביולוגיות מצופים בתהליך העיבוד. השיפור בתהליך הייצור של פיגומי Ti נקבוביים עם גיאומטריה מורכבת הוא מתמשך. ניתן ליישם פיגומי המתכת נקבוביים densified ליישומים שונים אורטופדיים, למשל, החלפת דיסק מלאכותית, החלפת שתלים מתכתיים או בתפזורת או נקבוביים, ומתנהגים כמו תמיכת עומס, כמו גם ספק סמים.

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).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 106 פיגום מתכת נקבובי טיטניום שחרור תרופת קיימא הנדסת רקמות קשה חומרים מדורגים פונקציונלי להקפיא ליהוק
המצאה של מכאני מתכוונן ויו מתכת פיגומים עבור יישומים ביו
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E.,… 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