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Bioengineering

जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए यंत्रवत् Tunable और bioactive धातु scaffolds के निर्माण

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

धातु biomaterials के कारण व्यापक रूप से उनके उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति और लचीलापन, 1-3 से लोड असर प्रत्यारोपण और आंतरिक निर्धारण उपकरणों के रूप में इस्तेमाल किया गया है, जबकि वे दो महत्वपूर्ण चुनौतियों से शामिल हैं: 1) यांत्रिक बेमेल धातुओं जैविक ऊतकों की तुलना में काफी कड़ी कर रहे हैं, क्योंकि अवांछनीय नुकसान के कारण अक्सर विदेशी शरीर प्रतिक्रियाओं (जैसे, सूजन या थ्रोम्बोसिस) उत्तेजक आसपास के ऊतकों और अक्सर जैविक ऊतकों के साथ गरीब इंटरफेस में यह परिणाम है कि 2) कम bioactivity, करने के लिए। 4-6 झरझरा धातु मचानों में सुधार, संरचनाओं में हड्डी अंतर्वृद्धि बढ़ावा देने के लिए प्रस्तावित किया गया है । तनाव ढाल प्रभाव की वजह से उनके कम कठोरता से दबा दिया जाता है, जबकि हड्डी प्रत्यारोपण संपर्क 7-9 इसके अलावा, विभिन्न सतह संशोधनों धातु प्रत्यारोपण के जैविक गतिविधियों को बढ़ाने के लिए लागू किया गया है; इस तरह के संशोधन कोटिंग बायोएक्टिव अणुओं (जैसे, विकास कारकों के साथ धातु की सतह शामिलtors) या दवाओं (जैसे, vancomycin, टेट्रासाइक्लिन)। 10-12 हालांकि, इस तरह झरझरा धातु मचानों की कम यांत्रिक गुणों के रूप में समस्याओं, जकड़न और बायोएक्टिव कोटिंग परतों की तेजी से रिलीज अनसुलझे रह कमी आई है। 13-16

विशेष रूप से, टाइटेनियम (तिवारी) और तिवारी मिश्र क्योंकि उनके उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों, रासायनिक स्थिरता के सबसे लोकप्रिय Biometal प्रणालियों में से एक है, और अच्छा biocompatibility हैं। 13,17-19 उनके फोम के आकार का आवेदन भी आकर्षित किया है 3 डी क्योंकि ब्याज में वृद्धि झरझरा नेटवर्क 20-22 प्रयास polymeric स्पंज की प्रतिकृति, धातु कण, रैपिड प्रोटोटाइप (आरपी) विधि के sintering सहित नई निर्माण तकनीक विकसित करके यांत्रिक गुणों में सुधार करने के लिए बनाया गया है। हड्डी की तरह यांत्रिक गुणों के अलावा हड्डी अंतर्वृद्धि बढ़ावा देने, और छिद्रों की विभिन्न सुविधाओं को नियंत्रित करने के लिए अंतरिक्ष धारक विधि (जैसे, ताकना अंश,आकृति, आकार, वितरण, और कनेक्टिविटी) और सामग्री गुण (जैसे, धातु चरण और अशुद्धता)। हाल ही में, पानी आधारित धातु घोल का फ्रीज कास्टिंग अच्छी तरह से गठबंधन ताकना साथ यंत्रवत् बढ़ाया तिवारी रूपों का उत्पादन करने के लिए काफी ध्यान प्राप्त की है 23-25 सम्पिण्डन दौरान दिशाहीन बर्फ dendrite विकास का उपयोग करके संरचनाओं; हालांकि, पानी के साथ धातु पाउडर के संपर्क के कारण ऑक्सीजन संदूषण तिवारी scaffolds के embrittlement को कम से कम करने के लिए विशेष देखभाल की आवश्यकता है। 14,15

इसलिए, हम बायोएक्टिव और यंत्रवत् ट्यून करने योग्य झरझरा तिवारी मचानों fabricating की दिशा में एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है। 25 मचानों शुरू में 50% से अधिक की एक porosity के साथ झरझरा संरचना है। गढ़े झरझरा मचानों अंतिम सरंध्रता, यांत्रिक गुणों और दवा रिहाई व्यवहार appli के द्वारा नियंत्रित किया गया, जिसके दौरान एक यांत्रिक प्रेस का उपयोग बायोएक्टिव अणुओं के साथ लेपित और फिर संकुचित थेएड तनाव। densified झरझरा तिवारी प्रत्यारोपण हड्डी (3-20 GPA)। 2 क्योंकि कोटिंग परत के के बराबर कम कठोरता के बावजूद अच्छी ताकत के साथ कम porosity से पता चला है, densified झरझरा तिवारी की bioactivity काफी सुधार हुआ है। इसके अलावा, क्योंकि densification प्रक्रिया से प्रेरित अद्वितीय फ्लैट ताकना संरचनाओं की, लेपित बायोएक्टिव अणुओं धीरे-धीरे एक लम्बी अवधि के लिए अपने प्रभाव को बनाए रखने, पाड़ से रिलीज होने के लिए देखा गया।

इस अध्ययन में, हम जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में क्षमता उपयोग के लिए densified झरझरा तिवारी मचानों निर्माण करने के लिए हमारे स्थापित विधि की शुरुआत की। प्रोटोकॉल धातु slurries और झरझरा scaffolds के densification के साथ गतिशील ठंड कास्टिंग भी शामिल है। सबसे पहले, चित्रा 1 ए में दिखाया गया है गतिशील फ्रीज कास्टिंग विधि पेश किया गया था अच्छा लचीलापन के साथ झरझरा तिवारी मचानों बनाना। तिवारी पाउडर तरल camphene में फैलाया गया था; तो, तापमान को कम करके,तरल चरण तिवारी पाउडर नेटवर्क और ठोस camphene क्रिस्टल के बीच चरण जुदाई, जिसके परिणामस्वरूप में जम गया था। इसके बाद, जम तिवारी camphene हरी शरीर जिसमें तिवारी पाउडर निरंतर तिवारी struts के साथ सघन गया धातुमल गया था, और camphene चरण पूरी तरह से एक झरझरा संरचना प्राप्त करने के लिए हटा दिया गया था। प्राप्त झरझरा scaffolds के साथ कोटिंग और densification प्रक्रिया densification और प्रारंभिक porosity की डिग्री बदलती है, नियोजित किया गया था। कोटिंग परत और अपनी रिहाई के व्यवहार कल्पना और हरी फ्लोरोसेंट प्रोटीन (GFP) GFP-लेपित घने तिवारी की तुलना के साथ और densification बिना झरझरा तिवारी लिपटे का उपयोग मात्रा थे। अंत में, दो अलग अलग झरझरा संरचना है कि कार्यात्मक वर्गीकृत तिवारी मचानों प्रस्तावित और झरझरा scaffolds के भीतरी और बाहरी हिस्सों की densification की डिग्री बदलती द्वारा प्रदर्शन किया गया।

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Protocol

झरझरा धातु scaffolds के 1. निर्माण

  1. चार प्रारंभिक porosities (40, 50, 60, और 70) के साथ झरझरा तिवारी मचानों के लिए तालिका 1 में वर्णित के रूप में सामग्री की उचित मात्रा में वजन के बाद व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तिवारी पाउडर, camphene, और केडी -4 के मिश्रण से तिवारी camphene slurries तैयार करें। 500 मिलीलीटर पॉलीथीन (पीई) बोतलों में slurries डालो और 30 rpm पर एक गेंद चक्की ओवन में 30 मिनट के लिए 55 डिग्री सेल्सियस पर बोतलें बारी बारी से।
  2. बेलनाकार एल्यूमीनियम (अल) 60 मिमी की एक व्यास और 60 मिमी की ऊंचाई के साथ सांचों में पीई बोतलों से slurries डालो। इसी अल कवर पर्ची के साथ प्रत्येक अल मोल्ड को सील करने और 10 मिनट के लिए 55 डिग्री सेल्सियस पर 30 आरपीएम की गति एक गेंद चक्की ओवन में नए नए साँचे बारी बारी से।
    1. बाद में, 44 डिग्री सेल्सियस के लिए गेंद चक्की ओवन के तापमान में कमी, और लगातार 12 घंटे के लिए 44 डिग्री सेल्सियस के निरंतर तापमान पर 30 आरपीएम की गति नए नए साँचे बारी बारी से।
  3. गेंद से मोल्ड बाहर ले जाओचक्की ओवन बाद, साथ ही ठंडा करने की प्रक्रिया के लिए 1 घंटे के लिए आरटी पर नए साँचे घूर्णन। एक अल सवार का उपयोग करते हुए अल मोल्ड से जम टाइटेनियम / camphene हरी शरीर निकालें।
  4. हाथ से एक रबर बैग में जम टाइटेनियम / camphene हरी शरीर की जगह है और पूरी तरह से एक तार के साथ बैग के मुंह बांधने से रबर बैग सील। एक ठंड isostatic दबाव (सीआईपी) मशीन के पानी की टंकी में रबर बैग में रखें और 10 मिनट के लिए 200 एमपीए की एक isostatic दबाव लागू होते हैं। रबर बैग से संकुचित हरी शरीर निकालें।
  5. हाथ से एक एल्यूमिना क्रूसिबल करने पर तिवारी camphene हरी शरीर स्थानांतरण और फ्रीज ड्रायर मशीन में क्रूसिबल जगह है। फ्रीज सूखे पर हरे रंग की शरीर में camphene चरण उदात्तीकरण करने के लिए हरी शरीर - 24 घंटे के लिए 40 डिग्री सेल्सियस।
  6. बाद में, एक एल्यूमिना कवर पर्ची के साथ क्रूसिबल को बंद करने और आरटी पर (10 -6 Torr नीचे) एक निर्वात भट्ठी में बंद क्रूसिबल जगह है। फिर, एक हीटिंग आर पर 1,300 डिग्री सेल्सियस के लिए भट्ठी के तापमान में वृद्धि5 डिग्री सेल्सियस / मिनट की खाया और 2 घंटे के लिए 1300 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर पकड़।
  7. गर्मी उपचार के बाद, भट्ठी पूरी तरह से आरटी के लिए ठंडा किया जाता है जब तक 6-7 घंटे के लिए भट्ठी में धातुमल झरझरा तिवारी रहते हैं।
    नोट: ठंडा करने की प्रक्रिया के 6 घंटे के दौरान, 400 डिग्री सेल्सियस से ऊपर भट्ठी की औसत ठंडा दर है ~ 15 डिग्री सेल्सियस / मिनट और 400 डिग्री सेल्सियस से नीचे भट्ठी की औसत ठंडा दर ~ 2 डिग्री सेल्सियस / मिनट है।
  8. यदि आवश्यक हो, बिजली के निर्वहन मशीनिंग के माध्यम से 16 मिमी (ईडीएम) की एक व्यास के साथ डिस्क के आकार के नमूने में धातुमल झरझरा तिवारी के ब्लॉक में कटौती। 27
    नोट: अल molds के आकार पर निर्भर करता है, धातुमल झरझरा तिवारी के आकार मशीनिंग प्रक्रिया (2A चित्रा) के माध्यम से संशोधित किया जाना चाहिए।
  9. एक आटोक्लेव में झरझरा तिवारी नमूनों के साथ एक गिलास बीकर रखें और 15 मिनट के लिए 121 डिग्री सेल्सियस पर नमूने बाँझ। आटोक्लेव से नमूने निकालें। दो बार 70% इथेनॉल के साथ दो बार और फिर आसुत जल से झरझरा तिवारी नमूने धो लें।अंत में, एक पेट्री डिश में झरझरा तिवारी छोड़ दो और पराबैंगनी प्रकाश के तहत एक साफ बेंच पर आरटी पर नमूने हवा सूखी।

Bioactive एजेंटों के साथ scaffolds के 2. डुबकी कोटिंग

  1. 9 Dulbecco फास्फेट खारा बफर (DPBS, पीएच 7.4) समाधान के 10 मिलीलीटर एक में मिलीलीटर निष्फल साथ GFP के 1 मिलीलीटर के मिश्रण से एक साफ बेंच में 100 माइक्रोग्राम / एमएल मिलीलीटर 1 मिलीग्राम / से वाणिज्यिक हरी प्रतिदीप्ति प्रोटीन (GFP) पतला तालिका 1 में संकेत के रूप में polystyrene (पी एस) ट्यूब।
  2. आरटी पर GFP के समाधान के साथ पी एस ट्यूब में तिवारी के नमूने रखने और एक साफ बेंच पर रखकर पतला GFP समाधान (100 माइक्रोग्राम / एमएल) के 10 मिलीलीटर में निष्फल घने या झरझरा तिवारी को विसर्जित कर दिया।
  3. एक निर्वात desiccator में पुनश्च ट्यूब प्लेस और 10 मिनट के GFP के समाधान और अधिक प्रभावी ढंग झरझरा तिवारी के छिद्रों से प्रवेश को सुनिश्चित करने के लिए desiccator खाली।
  4. चिमटी का उपयोग कर पी एस ट्यूब से झरझरा टाइटेनियम निकालें। एक 10 सेमी व्यास पे में GFP-लेपित झरझरा तिवारी की जगहत्रिकोणीय पकवान और हवा शुष्क हे / एन एक साफ बेंच पर आरटी पर।
  5. एक गिलास बीकर में है Dulbecco फॉस्फेट खारा बफर (DPBS) के 10 मिलीलीटर के साथ दो बार झरझरा तिवारी कुल्ला, और एक साफ बेंच पर आरटी पर चिमटी और हवा शुष्क का उपयोग कर एक 10 सेमी व्यास पेट्री डिश में झरझरा तिवारी चलते हैं।

झरझरा scaffolds के 3. densification

  1. एक बेलनाकार स्टील मरने में विभिन्न ऊंचाइयों के साथ GFP-लेपित झरझरा तिवारी के नमूने हैं, जगह और इस्पात मरने (चित्रा 3) के ऊपर और नीचे छेद में घूंसे का एक सेट डालें।
  2. 0.05 ~ 0.1 सेकंड के मध्यवर्ती तनाव दरों पर एक प्रेस मशीन का उपयोग नमूना (चित्रा 3) के Z दिशा में आरटी पर स्टील मरने विधानसभा के भीतर झरझरा तिवारी सेक -1 तालिका 2 में दिखाया गया है पूर्व निर्धारित आवेदन किया उपभेदों के खिलाफ। दबाव पकड़ उतारने से पहले 1 मिनट के लिए।
  3. इस्पात मरने से densified तिवारी नमूने निकालें। DPBS के 10 मिलीलीटर के साथ दो बार densified नमूने धोएक साफ बेंच पर आरटी पर एक बीकर और हवा शुष्क हे / एन में।

GFP-लेपित scaffolds के 4. रिलीज टेस्ट

  1. नमूनों में से तीन प्रकार विसर्जित (GFP लेपित घने तिवारी (कदम के बाद 2), GFP लेपित झरझरा तिवारी (चरण 1 और 2) और GFP-लेपित densified झरझरा तिवारी (कदम 1-3) के बाद के बाद) 5 मिलीलीटर DPBS में (पीएच एक साफ बेंच पर 37 डिग्री सेल्सियस पर एक 10 मिलीलीटर निष्फल पुनश्च ट्यूब में निहित 7.4) समाधान।
  2. और GFP-लेपित नमूने के साथ प्रत्येक पुनश्च ट्यूब से सक्शन बाहर सभी DPBS के समाधान, 1 की पूर्व निर्धारित समय, 2, 3, 5, 8, 12 के अनुसार एक पिपेट का उपयोग कर एक नया 5 मिलीलीटर DPBS समाधान (7.4 पीएच) के साथ फिर से भरना विसर्जन के बाद 15, 22 और 29 दिनों के लिए।
  3. विसर्जन के दिन (0) से पहले GFP-लेपित नमूनों की प्रतिदीप्ति चित्र लेने और 22 दिन विसर्जन के बाद कोंफोकल लेजर स्कैनिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (CLSM) का उपयोग।
  4. का उपयोग करते हुए धारा 4.2 में प्रत्येक पुनश्च ट्यूब से तैयार की 5 मिलीलीटर DPBS के समाधान की कुल से 1 मिलीलीटर समाधान में जारी GFP के प्रतिदीप्ति संकेत तीव्रता को मापने215 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर यूवी स्पेक्ट्रोस्कोपी। मानक वक्र का उपयोग GFP के समाधान की एकाग्रता में तीव्रता मूल्य कन्वर्ट।
    नोट: माप से पहले, 0 एनजी / एमएल की एकाग्रता रेंज में GFP समाधान के प्रतिदीप्ति संकेत तीव्रता को मापने के द्वारा GFP समाधान के मानक वक्र आकर्षित - 10 माइक्रोग्राम / एमएल।

श्रेणीबद्ध झरझरा तिवारी scaffolds के 5. निर्माण

  1. 1.7 कदम करने के लिए 1.1 कदम को दोहराते हुए धातुमल झरझरा तिवारी के एक ब्लॉक का उत्पादन।
  2. मशीन ईडीएम द्वारा पूर्व निर्धारित संरचना डिजाइन (जैसे, चित्रा 5 ए और 5 डी) के अनुसार धातुमल झरझरा तिवारी ब्लॉक।
  3. झरझरा तिवारी का व्यास है जहां ~ मरने के व्यास से 0.1 मिमी छोटे एक स्टील मरने में ऊंचाई वितरण के साथ machined तिवारी नमूने रखें और इस्पात मरने के ऊपर और नीचे छेद में घूंसे का एक सेट डालें।
  4. कदम 3.2 और 3.3 प्रदर्शन करते हैं।

6. Porosity मेरेतिवारी scaffolds के asurement

  1. तिवारी scaffolds के द्रव्यमान (एम एस) को मापने।
  2. तिवारी मचानों की लंबाई, चौड़ाई और ऊंचाई मापने के द्वारा स्पष्ट मात्रा (वी एस) की गणना।
  3. निम्न समीकरण का उपयोग सरंध्रता कंप्यूट:
    1 समीकरण
    पी कुल porosity प्रतिशत है, ρ तिवारी टाइटेनियम और एम एस के सैद्धांतिक घनत्व है जहां / वी एस नमूना की मापी घनत्व है।
    नोट: microCT इमेजिंग एक सूक्ष्म गणना टोमोग्राफी स्कैनर का उपयोग किया जाता है के बाद तिवारी नमूनों के porosity सीधे microCT छवियों से लिया जा सकता है।

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Representative Results

झरझरा तिवारी मचानों का उत्पादन किया जाता निर्माण की प्रक्रिया चित्रा 1 ए में सचित्र है। तिवारी पाउडर तरल camphene पूरी तरह से जम जाता है, जबकि अपेक्षाकृत भारी तिवारी पाउडर के किसी भी अवसादों को कम से कम किया जा सकता है, 12 घंटे के लिए 44 डिग्री सेल्सियस पर कंटेनर के निरंतर रोटेशन से camphene में ही ढंग से फैलाया और रखा है। जिसमें 3-आयामी परस्पर बड़े camphene है pores तिवारी पाउडर चरण (चित्रा 1 सी) से घिरे हैं, चित्रा 1 बी में दिखाया गया है नतीजतन, सजातीय तिवारी camphene हरी शरीर गतिशील फ्रीज कास्टिंग प्रक्रिया का उपयोग कर उत्पादन किया गया था। हालांकि, कंटेनरों की गलत रोटेशन अक्सर हरी शरीर में तिवारी और camphene चरणों की inhomogeneous वितरण, विकृति के कारण या गर्मी उपचार के बाद झरझरा पाड़ के खुर में यह परिणाम है। रोटेशन की गति का इष्टतम स्थिति ज्यादातर मामलों में एक सजातीय हरी शरीर का उत्पादन करने में सक्षम था, जो 30 आरपीएम, हो पाया था। इससे पहले आगे बढ़नागर्मी उपचार के साथ हैैं, camphene के व्यापक विकास चित्रा 1C के रूप में दिखाया तिवारी camphene हरी शरीर के पार अनुभाग को देख कर इस बात की पुष्टि की है। Camphene चरण छिद्रों की एक महत्वपूर्ण आकार के वितरण के साथ असंतत है, गतिशील फ्रीज कास्टिंग के तापमान और समय रीसेट होने की जरूरत है। आमतौर पर, तिवारी camphene हरी निकायों के camphene चरण बड़ी गोलाकार pores के एक दूसरे के साथ संपर्क में थे, क्योंकि camphene चरण निरंतर बन गया है जहां 12 घंटे गतिशील फ्रीज कास्टिंग, के बाद अच्छी तरह से विकसित किया जाना पाया गया था। झरझरा तिवारी के छिद्रों के आकार, आकृति विज्ञान और कनेक्टिविटी आगे गर्मी उपचार के बाद सूक्ष्म सीटी विश्लेषण का उपयोग कर मूल्यांकन किया गया।

1,300 डिग्री सेल्सियस पर sintering के बाद, झरझरा तिवारी ब्लॉकों बिजली के निर्वहन मशीनिंग (2A चित्रा) द्वारा कई बेलनाकार आकार के नमूने में कटौती कर रहे हैं। प्राप्त बेलनाकार नमूनों दरारें या दोष नहीं दिखा था। Porou के प्रतिनिधि सूक्ष्म सीटी छवियोंचित्रा 2 बी में दिखाया जाता है पारंपरिक (ऊपर) द्वारा गढ़े तिवारी मचानों और गतिशील फ्रीज कास्टिंग (नीचे) है। पारंपरिक फ्रीज कास्टिंग से तिवारी के नमूनों की ताकना संरचना ठंड के दौरान क्योंकि camphene के वृक्ष के समान विकास के अनियमित आकार के pores के साथ दिशात्मक ताकना संरेखण से पता चलता है। दूसरी ओर, गतिशील फ्रीज कास्टिंग से नमूना यादृच्छिक ताकना वितरण के साथ लगभग गोलाकार है pores दर्शाती है। इसके अलावा, विभिन्न porosities (प्रारंभिक Porosity (आईपी) = 50, 60, और 70 वॉल%) के साथ झरझरा तिवारी scaffolds के उच्च संकल्प सूक्ष्म चित्र स्पष्ट रूप से बेतरतीब ढंग तिवारी नेटवर्क (चित्रा -2) के भीतर वितरित गोलाकार है pores दिखा। camphene की मात्रा कम के रूप में झरझरा तिवारी मचानों के छेद के आकार में कमी आई है।

बाद में, गढ़े झरझरा तिवारी मचानों चित्रा 3 में दिखाया गया के रूप में लागू तनाव अलग से ढालना भीतर biomolecules और densified साथ लेपित हैं। VI के लिएतिवारी नमूनों पर बायोएक्टिव कोटिंग परत की sualization, हरी फ्लोरोसेंट प्रोटीन (GFP) इस अध्ययन में इस्तेमाल किया गया था। चित्रा 3 बी के रूप में दिखाया दबाव (पी zz) से मेल खाती है, जो लागू तनाव (ε zz), densification की डिग्री भिन्न हो पाया है। ताकना आकार पड़ोसी pores को एक दूसरे के साथ संपर्क में हैं क्योंकि उच्चतम densification में, लगभग गायब pores, एक परिणाम के रूप में, densification बढ़ जाती है की डिग्री के रूप में चपटा और हो जाता है। हालांकि, हमारे पिछले अध्ययन से, हम densified नमूनों की ताकना चैनलों अभी भी एक ही porosity के झरझरा तिवारी के रूप में लगभग एक ही सतह क्षेत्र के साथ खुले हैं कि पुष्टि की। 25 विभिन्न शुरुआती porosities साथ densified नमूने का मूल्यांकन करने के लिए, जेड-ऊंचाई ही अंतिम porosity है की densified नमूना के लिए आदेश में प्रारंभिक सरंध्रता के आधार पर भिन्न चाहिए। 2 टेबल भी लक्षित अंतिम p प्राप्त करने के लिए भविष्यवाणी लागू किया उपभेदों प्रदान करता हैorosity अलग प्रारंभिक porosities साथ densified झरझरा scaffolds के (एफपी)। आईपी ​​= 50% के साथ पाड़ लगभग 0.5 की जरूरत है, जबकि उदाहरण के लिए, एफपी = 5% के साथ = 70% लगभग 0.7 की एक नस्ल की आवश्यकता आईपी के साथ झरझरा पाड़ densified झरझरा नमूनों का उत्पादन करने के लिए। इसलिए, झरझरा scaffolds के प्रारंभिक ऊंचाइयों ध्यान densification के बाद ही अंतिम ऊंचाई के साथ नमूने प्राप्त करने के लिए प्रारंभिक सरंध्रता के अनुसार गणना की गई। चित्रा -3 सी, 2 मिमी के लगभग समान हाइट्स के साथ, = 40% से 70% शो अलग प्रारंभिक ऊंचाइयों densification से पहले और उसके बाद अंत में आईपी से porosities बदलती के साथ चार नमूनों में दिखाया गया है।

GFP झरझरा (आईपी = 70%) पर कोटिंग परत और densified झरझरा तिवारी (आईपी = 70%, एफपी = 7%) चित्रा -4 ए के रूप में दिखाया वाणिज्यिक घने तिवारी की तुलना में नमूने कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। सभी तीन नमूने स्पष्ट रूप वें करने के लिए इसी लेपित सतह आकारिकी प्रदर्शितEIR microstructures। झरझरा और densified झरझरा नमूने हरे रंग तिवारी स्पष्ट pores के साथ struts है, जबकि पूरी तरह से घने तिवारी सतह पूरी तरह से, एक हरे रंग की कोटिंग परत के साथ कवर किया जाता है। चित्रा -4 ए में दिखाया गया है कि इन तीन लेपित नमूने का उपयोग कर, रिलीज व्यवहार (चित्रा 4 बी) मनाया गया। प्रत्येक नमूने से रिहा GFP की राशि मतलब ± मानक विचलन के रूप में व्यक्त की गई थी (एन = 3) और प्रतिदीप्ति की तीव्रता को मापने के द्वारा एक महीने के लिए लगाया गया था। घने और झरझरा दोनों तिवारी सबसे एक सप्ताह के भीतर जारी साथ प्रारंभिक फोड़ प्रभाव के साथ तेजी से GFP रिहाई व्यवहार है पाए गए। हालांकि, densified झरझरा तिवारी एक माह तक निरंतर जारी पता चलता है, स्पष्ट रूप से (चित्रा 4 बी के CLSM चित्र) भी एक महीने के बाद सतह पर GFP दिखा।

चित्रा 5 में शुरू के रूप में densification प्रक्रिया भी कार्यात्मक वर्गीकृत झरझरा तिवारी scaffolds के निर्माण के लिए लागू किया जा सकता है। दो बर्तनढाल संरचनाओं के ential डिजाइन schematics के एक बेलनाकार पाड़ की आंतरिक और बाहरी परत अलग porosities है, जिनमें से चुने गए हैं। चित्रा 5 ब के रूप में दिखाया चित्रा 5 ए में दिखाया गया एक सघन कोर के साथ संरचना के लिए, तिवारी पाड़ के बाहरी हिस्से यांत्रिक मशीनिंग से छोटा था। उच्च भीतरी भाग के चुनिंदा densification के बाद, ढाल संरचना प्राप्त हुई थी। सूक्ष्म सीटी द्वारा मापा आंकड़े 5BB और 5E की विस्तृत जानकारी संरचनात्मक 3 टेबल में प्रदान की जाती है चित्रा 5C की सूक्ष्म सीटी छवि स्पष्ट रूप से अलग porosities (भीतरी साथ पाड़ के भीतरी और बाहरी भागों से पता चलता है:। एफपी = ~ 60%, बाहरी: एफपी = ~ 70%)। वैकल्पिक रूप से, सघन बाहरी परत के साथ एक संरचना भीतरी और बाहरी भागों (चित्रा 5 डी) के बीच ऊंचाई अंतर बदलकर उत्पादन किया जा सकता है। एक सघन ओ में उच्च बाहरी और निचले भीतरी भागों परिणामों के साथ झरझरा तिवारीuter हिस्सा densification (चित्रा 5E) के बाद, जिसमें बाहरी भाग के porosity चित्रा 5F में संकेत के रूप में संरक्षित प्रारंभिक सरंध्रता (आईपी = 70%) होने के भीतरी भाग के साथ, ~ 45% उतारा गया।

आकृति 1
चित्रा गतिशील फ्रीज कास्टिंग द्वारा तिवारी camphene हरी शरीर के 1. निर्माण। (ए) प्राप्त करने के लिए गतिशील फ्रीज आवरण प्रक्रिया के योजनाबद्ध चित्रण गर्मी उपचार से पहले तिवारी camphene हरी शरीर जम (एल्सेविअर, जंग से अनुमति के साथ अनुकूलित एट अल।, 2013)। (बी) गतिशील फ्रीज कास्टिंग प्रक्रिया के पूरा होने के बाद एक प्रतिनिधि तिवारी camphene हरी शरीर के ऑप्टिकल छवि। ठोस camphene चरण बेतरतीब ढंग से निरंतर तिवारी पाउडर phas भीतर वितरित किया जाता है जिसमें तिवारी camphene हरी शरीर (सी) पार अनुभागीय छविई। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
गर्मी उपचार के बाद विभिन्न प्रारंभिक porosities साथ 2. खुली तिवारी मचानों चित्रा। (ए) से पहले और मशीनिंग और मशीनिंग से प्राप्त बेलनाकार झरझरा तिवारी पाड़ के बाद एक पूरी तरह से sintered झरझरा तिवारी ब्लॉक के ऑप्टिकल छवियों। (बी) के पारंपरिक फ्रीज कास्टिंग (ऊपर) और गतिशील फ्रीज कास्टिंग (नीचे) द्वारा गढ़े झरझरा तिवारी scaffolds के अनुभागीय सूक्ष्म सीटी छवियों। चित्रा 2 बी के शीर्ष छवि पर पीले तीर रेडियल दिशा में ध्यान में लीन होना संरेखण संकेत मिलता है। (ग) प्रारंभिक सरंध्रता 70% की (आईपी) (ऊपर) के साथ कास्टिंग गतिशील फ्रीज द्वारा गढ़े झरझरा तिवारी मचानों के क्रॉस अनुभागीय छवियों, 60%Insets इसी झरझरा तिवारी scaffolds के ऑप्टिकल छवियों हैं जहां (मध्य) और 50% (नीचे) (एल्सेविअर, जंग से अनुमति के साथ अनुकूलित एट अल।, 2013)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
चित्रा 3. डुबकी कोटिंग और झरझरा तिवारी scaffolds के densification। (ए) के biomolecules (जैसे, GFP) के साथ लेपित एक densified झरझरा धातु पाड़ (तिवारी) के निर्माण की प्रक्रिया के योजनाबद्ध चित्रण (एल्सेविअर, जंग एट अल से अनुमति के साथ अनुकूलित। , 2015)। (बी) के अंतिम porosity में जिसके परिणामस्वरूप लागू तनाव पर densified झरझरा तिवारी मचानों के पार अनुभाग छवियों (आईपी = 70%) (ε zz) = 0, 0.53, 0.63, 0.68, (एफपी = 70, 33, 19, 7%)। (सी यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
GFP के GFP-लोडेड densified झरझरा तिवारी scaffolds के इन विट्रो रिहाई व्यवहार में चित्रा 4। (ए) विशिष्ट CLSM छवियों, घने झरझरा और densified तिवारी मचानों की सतह पर भरा हुआ है। घने झरझरा और densified तिवारी से रिहा GFP के (बी) संचयी मात्रा में 24 दिनों के लिए पीबीएस में विसर्जन (पैमाने बार = 200 माइक्रोन) के बाद उन तीन नमूनों की CLSM छवियों के साथ 29 दिनों (एन = 3) के लिए scaffolds। मानक विचलन (एसडी) हमें हैएड प्रत्येक डेटा बिंदु के वर्णनात्मक त्रुटि पट्टी के लिए। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आकृति 1
कार्यात्मक वर्गीकृत झरझरा धातु मचानों की चित्रा 5. निर्माण। एक सघन भीतरी भाग के साथ एक वर्गीकृत झरझरा पाड़ डिजाइन की (ए) योजनाबद्ध। सघन भीतरी भाग के साथ झरझरा तिवारी पाड़ श्रेणीबद्ध (बी) densification के माध्यम से गढ़े। (सी) 2-डी सघन भीतरी भाग के साथ वर्गीकृत झरझरा तिवारी पाड़ की सूक्ष्म सीटी छवि को खंगाला। सघन बाहरी भाग के साथ ढाल porosity के साथ एक पाड़ डिजाइन (डी) योजनाबद्ध। (ई) पाड़ एक झरझरा आंतरिक कोर के पास जो में densification के माध्यम से गढ़े सघन बाहरी भाग के साथ झरझरा तिवारी पाड़ श्रेणीबद्धdensified बाहरी परत से घिरा हुआ है। (एफ) 2-डी सघन बाहरी भाग के साथ वर्गीकृत झरझरा तिवारी पाड़ की सूक्ष्म सीटी छवि को खंगाला। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

लक्ष्य नमूना तिवारी camphene घोल कोटिंग समाधान
तिवारी पाउडर (G) Camphene (G) केडी-4 (जी) GFP (एमएल) पीबीएस (एमएल)
आईपी ​​के साथ तिवारी पाड़ 40% = 204.3 90 0.294 1 9
आईपी ​​के साथ तिवारी पाड़ 50% = 171.4 97 </ टीडी> 0.268
आईपी ​​के साथ तिवारी पाड़ 60% = 136.5 103 0.239
आईपी ​​के साथ तिवारी पाड़ 70% = 100 110 0.21

तालिका 1 GFP के साथ लेपित लक्ष्य झरझरा तिवारी मचानों (आईपी = 40, 50, 60, 70%) के निर्माण के लिए तिवारी camphene गारा और कोटिंग समाधान की विस्तृत जानकारी। (आईपी प्रारंभिक सरंध्रता के लिए खड़ा है)।

प्रारंभिक सरंध्रता (%) अंतिम सरंध्रता (%)
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

(1- (1- आईपी) / - टेबल 2. लक्षित अंतिम सरंध्रता (एफपी) समीकरण का उपयोग, एफपी = 1 के मामले में (आईपी = 50, 60, 70%) (ε zz) झरझरा scaffolds के लागू तनाव की भविष्यवाणी की ε zz)।

छवि का रोस्पेन = "2"> श्रेणीबद्ध पाड़। 5 ब
नमूना Densification से पहले Densification के बाद
ऊँचाई (मिमी) Porosity (%) ध्यान में लीन होना आकार (माइक्रोन) ऊँचाई (मिमी) Porosity (%) ध्यान में लीन होना आकार (माइक्रोन)
भीतरी भाग 18 ± 1 70 ± 1 370 ± 100 13 ± 1 57 ± 5 285 ± 100
बाहरी भाग 14 ± 1 70 ± 5 365 ± 110
छवि का श्रेणीबद्ध पाड़। 5e भीतरी भाग 14 ± 2 12 ± 1 70 ± 8 315 ± 110
बाहरी भाग 18 ± 1 45 ± 8 230 ± 80

टेबल सूक्ष्म सीटी द्वारा मापा Z-ऊंचाई, porosity और औसत ताकना आकार के संदर्भ में पहले और densification के बाद वर्गीकृत झरझरा मचानों (चित्रा 5 ब और चित्रा 5E) के भीतरी और बाहरी भागों में से 3. स्ट्रक्चरल जानकारी।

झरझरा तिवारी की प्रारंभिक सरंध्रता (%) Densification से पहले Densification के बाद (एफपी = 5%)
कठोरता (GPA) शक्ति उपज (एमपीए) कठोरता (GPA) शक्ति उपज (एमपीए)
50 19 143 44 > 370
60 13 130 42 > 370
70 5 58 35 > 370

तालिका 4. अकड़न और झरझरा तिवारी मचानों की उपज शक्ति (आईपी = 50, 60, 70%) पहले और बाद में densification (एल्सेविअर, जंग से अनुमति के साथ अनुकूलित एट अल।, 2015)।

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Discussion

Biometal सिस्टम व्यापक रूप से जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया है, विशेष रूप से, लोड असर सामग्री, उच्च कठोरता और धातुओं के कम bioactivity के रूप में प्रमुख चुनौतियों के रूप में माना गया है। इस अध्ययन में, हम एक नई धातु प्रणाली, biomimetic यांत्रिक गुणों के साथ ही स्थायी रिहाई व्यवहार के साथ बायोएक्टिव सतह है जो एक densified झरझरा धातु पाड़ के निर्माण विधि की स्थापना की। हमारे निर्माण विधि का प्रमुख लाभ 1) हम पहले से ही विकसित की है जो पिछले गतिशील ठंड कास्टिंग विधि में कोई बदलाव शामिल 28 2) में से एक पैरामीटर डिग्री के नियंत्रण यांत्रिक वृद्धि और झरझरा से biomolecules के स्थायी रिहाई व्यवहार दोनों को प्राप्त densification करने धातु मचानों और 3) संभावित आवेदन कार्यात्मक सामग्री वर्गीकृत करने के लिए।

Densified झरझरा धातु उत्पादन के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण कदमों में से एक दो महत्वपूर्ण featu के पास जो झरझरा तिवारी, का निर्माण हैरिस: 1) लचीलापन बायोएक्टिव अणुओं और यांत्रिक गुणों की रिहाई की दर को नियंत्रित करने के लिए और 2) उच्च ताकना इंटरकनेक्टिविटी लोड और biomolecules जारी करने के लिए। हालांकि, पहले से सीमित ताकना इंटरकनेक्टिविटी या लचीलापन या तो पता चला है झरझरा अंतरिक्ष धारक विधि का उपयोग कर उत्पादन टाइटेनियम मचानों, स्पंज टेम्पलेट विधि, और पाउडर धातु की सूचना दी। विशेष रूप से 14,24,29, अन्य आसपास के साथ धातु पाउडर की प्रतिक्रिया द्वारा बनाई अशुद्धियों धातु पाउडर दूसरी सामग्री के साथ संपर्क में हैं क्योंकि गर्मी उपचार प्रक्रिया के दौरान माल काफी सामग्री का लचीलापन कम करने के लिए जाना जाता है (उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष धारक या बहुलक टेम्पलेट) यांत्रिक परीक्षण के तहत भंगुर विफलता में जिसके परिणामस्वरूप। 14,24,29 प्रकार , densified झरझरा धातु निर्माण करने के लिए, दोष पारंपरिक निर्माण विधियों से ज्यादातर के लिए कम से कम हो की जरूरत है। इस उलझन से बचने के लिए, हम झरझरा आकृति विज्ञान और यांत्रिक व्यवहार ओ जांचच झरझरा टाइटेनियम मचानों धातु पाउडर और तरल चरण के बीच बातचीत कम करने के क्रम में camphene साथ विधि कास्टिंग फ्रीज का उपयोग कर गढ़े। 26,28,30-33

पारंपरिक फ्रीज कास्टिंग विधि का एक नुकसान यह है कि अक्सर दिशात्मक ताकना चैनल (चित्रा 2 बी, शीर्ष छवि) में यह परिणाम है। गतिशील फ्रीज कास्टिंग के साथ दूसरी ओर, ताकना आकार और आकार पारंपरिक फ्रीज कास्टिंग के उन लोगों और पाड़ के भीतर ताकना वितरण लगभग अनियमित है की तुलना में अधिक समान होना पाया गया है। । इस प्रकार अक्षीय दबाव के तहत एक सीमित सांचे में densification की इजाजत दी गतिशील फ्रीज कास्टिंग के दौरान 26,28, शो isotropic यांत्रिक व्यवहार कास्टिंग गतिशील फ्रीज से झरझरा scaffolds के ये ढांचागत सुविधाओं, दो प्रमुख घटनाओं धातु घोल के भीतर होते हैं: camphene चरण का 1) क्रिस्टल विकास और 2) धातु पाउडर के पुनर्वितरण और शेष तरल चरण परहेज भीतर camphene जमedimentation। गुरुत्वाकर्षण तरल camphene पूरी तरह से जम जाता है जब तक अलग करने के लिए धातु पाउडर का कारण बनता है। camphene के पिघलने के तापमान के पास घोल का निरंतर रोटेशन गोलाकार camphene क्रिस्टल चित्रा 1C के रूप में दिखाया तिवारी पाउडर और camphene क्रिस्टल की बिना सोचे समझे और समान वितरण की अनुमति देता है, एक ही ढंग से विकसित करने के लिए पर्याप्त समय देता है।

ठंडा करने की प्रक्रिया के बाद पूरी तरह से biphasic हरी शरीर (चित्रा 1 बी) प्राप्त हुई थी तिवारी camphene बढ़ाया। पूरी तरह से टूट रहा संरचना के बिना जम हरी शरीर से camphene को दूर करने के लिए, camphene -20 डिग्री सेल्सियस पर एक निर्वात desiccator में sublimed था। Camphene चरण को हटाने के बाद, हरी शरीर केवल तिवारी पाउडर से मिलकर, झरझरा बन गया। तिवारी कणों के बीच कोई बातचीत के बाद से वहाँ कि सावधानी से निपटने की आवश्यकता है तो, झरझरा तिवारी हरी शरीर नाजुक है। गर्मी के इलाज से पहले हाथों से हरी शरीर के किसी भी प्रत्यक्ष से निपटने से बचने के लिएजाहिर है, एक चीनी मिट्टी क्रूसिबल फ्रीज सुखाने और sintering के लिए हरी शरीर के कंटेनर के लिए चुना गया था। हरी शरीर के साथ कंटेनर तुरंत हरी शरीर धातु struts में महत्वपूर्ण दोषों के बिना पूरी तरह से densified होने की अनुमति देता है, जो 1,300 डिग्री सेल्सियस, फ्रीज सुखाने और गर्मी उपचार के बाद एक निर्वात भट्ठी में रखा गया था। झरझरा नमूनों की ज्यामिति और आकार समान (2A चित्रा) होना चाहिए, क्योंकि नमूने के मूल्यांकन के लिए, झरझरा तिवारी ब्लॉकों छोटे झरझरा तिवारी सिलेंडरों में काट रहे थे। सभी नमूनों को सफलतापूर्वक किसी भी महत्वपूर्ण दोष (आंकड़े 2 बी और 2 सी) के बिना machined किया गया। घोल में तिवारी बिजली की मात्रा पर निर्भर करता है, अलग अलग porosities साथ तिवारी मचानों गोलाकार आकृति और बेतरतीब ढंग से वितरित है pores (चित्रा -2) के साथ प्राप्त किया गया।

झरझरा तिवारी मचानों गतिशील फ्रीज कास्टिंग विधि का उपयोग कर प्राप्त किए जाने के बाद हमारे पिछले स्टू के रूप में रिपोर्टचित्रा 3 में सचित्र के रूप में वि, 28 जैवअणुओं लेपित झरझरा तिवारी की तिवारी की सतह और densification पर लेपित किया गया प्रदर्शन किया गया था। Biomolecules के किसी भी संक्रमण या विकृतीकरण से बचने के क्रम में, कोटिंग की प्रक्रिया झरझरा मचानों autoclaved किए जाने के बाद 24 घंटा के भीतर आरटी पर एक साफ बेंच पर आयोजित की और ध्यान से बाहर साफ किया गया था। कोटिंग की प्रक्रिया का प्रदर्शन किया गया था के बाद densification पहले लेपित biomolecules के नुकसान को कम करने के लिए, सफाई की प्रक्रिया को कम से कम किया गया था। densification प्रक्रिया Z-दिशा में झरझरा तिवारी नमूनों की एप्लाइड विरूपण द्वारा नियंत्रित किया गया था, तनाव में परिवर्तित कर दिया, ε zz। 26 तिवारी मचानों की प्रारंभिक सरंध्रता, लागू तनाव पर निर्भर करता है और अंतिम सरंध्रता इसी विविध थे (2 टेबल )। विभिन्न प्रारंभिक porosities साथ densified झरझरा मचानों सुनिश्चित करने के क्रम में समान अंतिम geometries और आकार, व्यक्तिगत के लागू तनाव थाdensification पहले दोहरे मचानों गणना की गई और प्रत्येक नमूने की कुल नमूना ऊंचाई (Z दिशा में लंबाई) तो भविष्यवाणी की थी। चित्रा 3 डी सरंध्रता बदलती के साथ अलग-अलग झरझरा नमूनों की अलग अलग ऊंचाई पर समान अंतिम ऊंचाई के साथ densified झरझरा नमूना करने के लिए ले जा सकता है कि इंगित करता है एक ही अंतिम सरंध्रता।

Densification की डिग्री को नियंत्रित करके, densified झरझरा मचानों लेपित biomolecules के लंबे समय तक रिलीज के साथ अद्वितीय यांत्रिक व्यवहार किया है। अंतिम porosity और ध्यान में लीन होना आकार: लागू तनाव झरझरा तिवारी scaffolds के दो महत्वपूर्ण पैरामीटर बदल जाता है। कम porosity के साथ झरझरा मचानों उच्च कठोरता और ताकत दिखाने के लिए। हमारे पिछले अध्ययन इस अध्ययन में तनाव तनाव वाणिज्यिक घने तिवारी की तुलना में झरझरा तिवारी (तालिका 4) के रूप में भी काफी कम कठोरता की तुलना में सुधार ताकत के साथ densified झरझरा scaffolds के व्यवहार। 26 सूचना दी, हम भी वीं मनायाचित्रा 4 में दिखाया गया है GFP-कोटिंग परत की कल्पना कर पता लगाने के माध्यम तिवारी घने और झरझरा दोनों के साथ तुलना में densified झरझरा तिवारी के ई रिहाई व्यवहार। परिणामों densified झरझरा मचानों काफी रिहाई व्यवहार में सुधार के अधिकारी 26 में जो हमारे पिछले अध्ययन के साथ संगत कर रहे थे कमी आई है ताकना आकार के साथ मचानों की वृद्धि की torturosity के कारण अप करने के लिए चार महीने से रिलीज के समय के समय को बढ़ाने लेपित सामग्री, के। वर्तमान 30 दिन रिलीज परीक्षण स्पष्ट रूप से घने या झरझरा तिवारी सतहों पर या तो कोई GFP के बचे हुए लोगों के विपरीत densified झरझरा तिवारी की सतह पर शेष GFP से पता चलता है।

अंत में, densification विधि भीतरी और बाहरी हिस्सों में अलग porosities है, जिसमें कार्यात्मक वर्गीकृत झरझरा scaffolds के उत्पादन के लिए लागू किया गया था। चित्रा 5 में दिखाया गया है बेलनाकार पाड़ के लिए, आंतरिक और बाहरी हिस्सों की जेड-ऊंचाइयों फर्क आसानी से वर्गीकृत झरझरा scaffolds के लिए नेतृत्व कर सकते हैं। चित्रा 5 ब में दिखाया गया झरझरा तिवारी पाड़ में भीतरी हिस्से पर लागू तनाव (ε zz) कोई तनाव बाहरी भाग को लागू किया गया था, जबकि 57% ~ के अंतिम सरंध्रता के परिणामस्वरूप जो ~ 0.27 था। दूसरी ओर, चित्रा 5 ब में झरझरा तिवारी पाड़ में बाहरी भाग पर लागू तनाव (ε zz) भीतरी भाग लगभग बरकरार था, जबकि प्रारंभिक सरंध्रता संरक्षण, ~ 45% के अंतिम सरंध्रता में हुई है, जो ~ 0.33 था (3 टेबल)। हालांकि, वर्गीकृत झरझरा scaffolds के लिए दो प्रमुख चुनौतियों में इस प्रयोग से मनाया गया। सबसे पहले, सतत आंतरिक और बाहरी हिस्सों असंगत तनाव और पाड़ के भीतर तनाव वितरण प्रेरित; ऊपर और नीचे सतहों के आसपास के क्षेत्रों भीतरी सतह के आसपास उन लोगों की तुलना में सघन थे, जहां इस प्रकार, densification, inhomogeneously हुई। दो भागों की ऊंचाई अंतर वृद्धि हुई है के रूप में यह प्रवृत्ति महत्वपूर्ण था। इसके अलावा, वर्गीकृत Poroहमें भीतरी भाग के densification दो भागों भीतर inhomogeneous विरूपण में हुई है, जो बाहरी भाग, साथ सीमित किया जा रहा, बाहर किया जाना चाहिए क्योंकि सघन बाहरी भाग के साथ पाड़ उत्पादन की तुलना में अधिक कठिन था सघन भीतरी भाग साथ पाड़। वर्गीकृत पाड़ की inhomogeneous densification को हल करने के लिए, हम densification प्रक्रिया के दौरान इकट्ठा किया जा सकता है कि दो अलग-अलग भागों में विकसित किया है। इस पत्र में, इष्टतम स्थिति अभी तक पूरी तरह से नहीं मिला था पूरी तरह से गढ़े वर्गीकृत झरझरा संरचना का निर्माण करने के लिए भले ही श्रेणीबद्ध संरचना के उत्पादन के लिए densification प्रक्रिया की क्षमता अच्छी तरह से पुष्टि की गई। वर्गीकृत झरझरा संरचना के अनुकूलित निर्माण विधि पर जा रहा है, और आगे के काम के रूप में वर्गीकृत संरचना करने के लिए चुनिंदा दवा लोडिंग पाड़ के कार्यात्मक रिलीज व्यवहार के लिए जांच की जाएगी।

इस अध्ययन में प्रस्तावित दृष्टिकोण के लाभ 1) बेहतर एमईसी शामिलअच्छा शक्ति और बेहतर जैविक प्रदर्शन के लिए 2) लंबे समय तक bioactivity के साथ जैविक ऊतकों के साथ hanical संगतता। हालांकि, बड़े नुकसान की एक बेहतर एक हड्डी प्रत्यारोपण इंटरफ़ेस के लिए धातु के मचानों की ताकना नेटवर्क के माध्यम से हड्डी अंतर्वृद्धि प्रचार नहीं कर सकते कि कम ताकना आकार है। झरझरा और घने भागों एक साथ होना है, जिसमें इस मुद्दे को श्रेणीबद्ध ताकना संरचनाओं प्रस्तावित किया गया है, को हल करने के लिए; घने भागों यांत्रिक स्थिरता और लंबे समय तक bioactivity प्रदान करते हैं, जबकि इस प्रकार, झरझरा भागों, हड्डी अंतर्वृद्धि अनुमति देते हैं। इसलिए, विभिन्न संरचनात्मक डिजाइन के माध्यम से कार्यात्मक वर्गीकृत तिवारी प्रत्यारोपण हड्डी एकीकरण की बेहतर क्षमता पर ध्यान केंद्रित कर, विशेष रूप से, गढ़े और परीक्षण किया जाएगा। इसके अलावा, एक और सीमा जटिल ज्यामिति के साथ प्रत्यारोपण के निर्माण होना चाहिए। एक जटिल आकार का प्रत्यारोपण (जैसे, ऊरु कोन बढ़ाने) प्राप्त करने के लिए, अतिरिक्त मशीनिंग प्रक्रिया पर दो प्रमुख कमियां लगाने, densification के बाद आवश्यक हैअंतिम उत्पाद: झरझरा तिवारी ब्लॉक के महत्वपूर्ण मात्रा अक्सर प्रक्रिया के दौरान हटा दिया जाता है क्योंकि अक्षम और अनार्थिक सामग्री के उपयोग, और मशीनिंग प्रक्रिया के दौरान संभावित प्रदूषण और लेपित biomolecules के नुकसान। जटिल ज्यामिति के साथ झरझरा तिवारी scaffolds के निर्माण की प्रक्रिया पर सुधार के लिए चल रहे है। densified झरझरा धातु मचानों थोक या झरझरा या तो धातु प्रत्यारोपण की जगह, जैसे विभिन्न आर्थोपेडिक अनुप्रयोगों, कृत्रिम डिस्क रिप्लेसमेंट के लिए आवेदन किया है, और एक लोड समर्थन के साथ ही एक दवा वाहक के रूप में कार्य किया जा सकता है।

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Titanium powder Alfa Aesar #42624 -325 mesh, 99.5% (metals basis)
Camphene SigmaAldrich #456055 95%, C10H16
KD-4 Croda ­ Hypermer, polymeric dispersant
Phosphate Buffer Solution (PBS) Welgene ML 008-01 ­
Green Fluorescent Protein (GFP) Genoss Co. - >98% purity, 1 mg/ml
Ball mill oven SAMHENUG ENERGY SH-BDO150 ­
Freeze dryer Ilshin Lab. PVTFD50A ­
Cold isostatic pressing (CIP) machine SONGWON SYSTEMS CIP 42260 ­
Vaccum furnace JEONG MIN INDUSTRIAL JM-HP20 ­
electical chaege machine FANUC robocut 0iB External use
Press machine CG&S AJP-200 ­
Confocal laser scanning spectroscopy (CLSM) Olympus FluoView FV1000 External use

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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).

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जैव अभियांत्रिकी अंक 106 झरझरा धातु पाड़ टाइटेनियम स्थायी दवा रिहाई कठोर ऊतक इंजीनियरिंग कार्यात्मक वर्गीकृत सामग्री कास्टिंग फ्रीज
जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए यंत्रवत् Tunable और bioactive धातु scaffolds के निर्माण
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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).

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