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Bioengineering

바이오 메디컬 응용 프로그램을위한 기계적 조정 및 생리 활성 금속 비계의 제조

doi: 10.3791/53279 Published: December 8, 2015

Introduction

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금속 생체 재료가 널리 때문에 우수한 기계적 강도 및 탄력성, 1-3의로드 베어링 임플란트 및 내고정 장치로서 사용되었지만 그들은 두 가지 중요한 문제점을 포함한다 : 1) 기계적인 불일치 금속은 생물학적 조직보다 더 뻣뻣하기 때문에, 바람직하지 않은 손상을 야기 자주 이물 반응 (예, 염증이나 혈전)을 자극하는 주변 조직과 자주 생물학적 조직과 가난한 인터페이스를 초래 2) 낮은 생체 활성에. 4-6 다공성 금속 지지체는 개선, 구조에 뼈 안쪽으로의 성장을 촉진하기 위해 제안되었다 . 응력 차폐 효과 때문에 감소 된 강성을 억제하는 동안 뼈 임플란트 접촉 7-9 또한, 각종 표면 변형은 금속 임플란트의 생물학적 활성을 향상시키기 위해 적용되었다; 이러한 변형은 코팅에게 생체 활성 분자 (예, 성장 FAC으로 금속 표면을 포함TORS) 또는 약물 (예를 들어, 반코마이신, 테트라 사이클린). 10-12 그러나, 상기 다공성 금속 지지체의 기계적 물성 저하 등의 문제는, 강성과 생활 성 코팅층의 빠른 방출 풀리지 감소. 13-16

특히, 티타늄 (Ti)과 티타늄 합금은 그들의 우수한 기계적 특성, 화학적 안정성의 가장 인기있는 바이오 시스템 중 하나, 양호한 생체 적합성이다. 13,17-19 그들의 발포 형 애플리케이션도 끌었다 3D 때문에 관심이 증가 다공성 네트워크는 20-22 노력이 중합체 스폰지의 복제, 금속 입자, 쾌속 조형 (RP)에있어서의 소결 등의 새로운 제조 기술을 개발하여 기계적 성질을 향상시키기 위해 이루어지고있다. 뼈와 같은 기계적 특성에 더하여 뼈 내 증식을 촉진하고, 기공의 다양한 기능을 제어하기 위해 공간 홀더 방법 (예를 들면, 공극 분율형상, 크기, 분포 및 연결)과 재료 특성 (예를 들면, 금속 상 및 불순물). 최근에, 수계 금속 슬러리의 동결 주조는 잘 정렬 된 기공을 가진 기계적으로 강화 티타늄 형태를 생성하기 위해 상당한 관심을 받고있다 23-25 방향성 응고 동안에 얼음 덴 드라이트 성장을 이용하여 구조물; 그러나, 물과 금속 분말의 접촉에 의한 산소 오염 티 비계의 취성을 최소화하기 위해 특별한주의가 필요합니다. 14, 15

따라서 생체 활성 및 기계적 동조의 Ti 다공성 지지체를 제조 향해 새로운 접근법을 개발 하였다. (25) 지지체가 초기 50 % 이상의 다공도를 가진 다공성 구조를 갖는다. 제작 된 다공성 지지체는 최종 기공이, 기계적 특성 및 약물 방출의 동작은 어플리에 의해 제어 된 동안 기계 프레스를 사용하여 생체 활성 분자로 코팅 한 다음 압축 된에드 변형. 치밀화 다공성 티타늄 임플란트는 뼈 (3-20 GPA). (2) 때문에 코팅층에 필적 낮은 강성에도 불구하고 양호한 강도와 낮은 기공도를 도시 한 조밀화 다공성 티타늄의 생체 활성이 현저하게 향상되었다. 또한, 인해 조밀화 프로세스에 의해 유도 된 고유 평면 기공 구조, 코팅 된 생체 활성 분자 서서히 장기간 그 효능을 유지하는 발판으로부터 배출되는 보였다.

이 연구에서 우리는 생물 의학 분야에서 잠재적 인 사용을위한 고밀도 다공성 티타늄 지지체를 제조하는 우리의 설립 방법을 소개했다. 이 프로토콜은 금속 슬러리 및 다공성 지지체의 치밀화와 동적 동결 주조를 포함한다. 우선,도 1a에 도시 된 바와 같이 동적 동결 주조 방법이 도입되었다 양호한 연성 다공성 티타늄 지지체를 제조한다. TI 분말 캄펜 액체에 분산시키고; 이어서, 온도를 감소시킴으로써,액체 상에 Ti 분말 및 네트워크 고체 캄펜 결정 간의 상분리 결과, 응고했다. 이어서, 고화 티 - 성형체는 캄펜되는 티타늄 분말 연속 티 스트러트와 축합 된 소결하고, 캄펜 위상은 완전히 다공성 구조를 얻기 위해 제거 하였다. 얻어진 다공질 지지체와 코팅 및 고밀도화 과정 치밀화 초기 다공성의 정도를 변화 채용 하였다. 코팅층의 박리 문제가 가시화 및 녹색 형광 단백질 (GFP)의 GFP 코팅에 비해 고밀도의 Ti와 치밀화없이 피복 된 다공성 티타늄을 사용하여 정량 하였다. 마지막으로, 두 개의 다른 다공성 구조를 가지고 경사 기능 티 비계 제안 및 다공성 지지체의 내측과 외측 부분의 치밀화 정도의 변화에​​ 의해 증명되었다.

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Protocol

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다공성 금속 비계의 1. 제작

  1. 네 초기 공극률 (40, 50, 60, 70)과 다공성 티타늄 지지체는 표 1에 기재된 바와 같이 재료의 적절한 양을 계량 한 후에 시판의 Ti 분말, 캄펜, 및 KD-4를 혼합하여 티타늄 - 캄펜 슬러리를 준비한다. 500 ml의 폴리에틸렌 (PE) 병에 슬러리를 붓고 30 rpm에서 볼 - 밀 오븐에서 30 분 동안 55 ℃에서 병을 돌립니다.
  2. 원통형 알루미늄 (Al)으로 60mm의 직경과 60mm의 높이를 가진 몰드에 PE 병에서 슬러리를 붓는다. 해당 알루미늄 커버 슬립 각 알루미늄 금형을 밀봉하고 10 분 동안 55 ℃에서 30 rpm의 속도로 볼 밀 오븐에서 금형을 회전 할 수 있습니다.
    1. 이어서, 44 ℃로 볼밀 오븐의 온도를 감소시키고, 12 시간 동안 지속적으로 44 ° C의 일정 온도에서 30 rpm의 속도로 회전 금형.
  3. 공 -에서 금형을 꺼내밀 오븐 후 별도로 냉각 공정을 1 시간 동안 RT에서 금형을 회전. 알 플런저를 사용하여 알 금형에서 응고 티타늄 / 캄펜 녹색 몸을 제거합니다.
  4. 손으로 고무 가방에 응고 티타늄 / 캄펜 녹색 몸을 놓고 완전히 끈으로 가방의 입구를 묶는하여 고무 백을 봉인. 냉간 정수압 프레스 (CIP) 시스템의 수조에서 고무 백을 넣고 10 분 동안은 200MPa의 정수압 압력을 적용한다. 고무 가방에서 압축 성형체를 제거합니다.
  5. 손으로 알루미나 도가니에 티 - 캄펜 녹색 몸을 전송하고 동결 건조기 기계의 도가니를 배치합니다. 동결 건조시에 성형체 캄펜 상을 승화 성형체를 - 24 시간 동안 40 ° C.
  6. 그 후, 알루미나 커버 슬립과 도가니를 닫고 실온에서 (10-6 토르 이하) 진공로의 폐쇄 도가니를 배치합니다. 그리고, 가열로 (R) 1300 ° C로 노의 온도를 상승5 ℃ / 분의 식사를하고 2 시간 동안 1,300 ° C의 온도를 유지.
  7. 열처리 후, 퍼니스가 완전히 실온으로 냉각 될 때까지 6-7 시간 동안 노에서 소결 된 다공성 티타늄 유지.
    주 : 냉각 공정의 6 시간 동안 400 ℃ 이상의 가열로의 평균 냉각 속도가 ~ 15 ℃ / 분, 400 ° C 이하로의 평균 냉각 속도 것은 ~ 2 ℃ / 분이다.
  8. 필요한 경우, 방전 가공 내지 16mm (EDM)의 직경을 갖는 디스크 형상의 샘플로 소결 된 다공성 티타늄의 블록을 잘라. 27
    주 : Al의 금형의 ​​크기에 따라, 다공성 티타늄 소결체의 크기가 가공 공정 (도 2a)를 통해 수정 될 필요가있다.
  9. 오토 클레이브 다공성 티타늄 샘플 유리 비커를 놓고 15 분 동안 121 ℃에서 샘플을 소독. 오토 클레이브에서 샘플을 제거합니다. 두번 70 % 에탄올로 두 번 후 증류수 다공성 티타늄 샘플을 세척한다.마지막으로, 페트리 접시에 다공성 티타늄을 떠나 자외선 아래에서 클린 벤치에 실온에서 샘플을 공기 - 건조.

생물 활성제와 비계의 2 딥 코팅

  1. 9 둘 베코 인산염 완충 식염수 (DPBS, pH를 7.4) 용액 10 ㎖에 ml의 멸균과 GFP 1 ㎖를 혼합하여 클린 벤치에서 100 ㎍ / ml의 1 밀리그램 /로부터 상업적 녹색 형광 단백질 (GFP)을 희석 표 1에 나타낸 바와 같이, 폴리스티렌 (PS) 튜브.
  2. RT에서 GFP 용액 PS 튜브에 티 샘플을 배치 및 클린 벤치에 배치하여 GFP 희석 용액 (100 μg의 / mL)을 10 ml의 살균 또는 고밀도 다공성 티타늄 담가.
  3. 진공 데시 케이 터 내에서 PS 튜브를 넣고 10 분 GFP 용액보다 효과적으로 다공성 티타늄의 구멍을 관통 보장하기 위해 건조기 대피.
  4. 핀셋을 사용하여 PS 튜브의 다공성 티타늄을 제거합니다. 10cm 직경 PE로 GFP 코팅 된 다공성 티타늄 배치트라이 요리와 자연 건조 O / N 클린 벤치에 실온에서.
  5. 유리 비커에 둘 베코의 인산염 완충 생리 식염수 (DPBS) 10 ㎖로 두 번 다공성 티 린스, 깨끗한 벤치에 실온에서 핀셋과 자연 건조를 사용하여 10cm 직경 페트리 접시에 다공성 티타늄 이동합니다.

다공성 비계의 3 치밀화

  1. 원통형 스틸 주형 내에서 다양한 높이와 GFP 코팅 된 다공성 티타늄 샘플을 배치하고, 스틸 다이 (도 3a)의 상부 및 하부 펀치 구멍의 세트를 삽입한다.
  2. 0.05 ~ 0.1 초의 중간 변형율에서 프레스 기계를 사용하여 샘플 (도 3a)의 Z 방향의 RT에서 스틸 다이 조립체 내에 다공성 티타늄 압축 -1 표 2에 나타낸 소정의인가 균주 대. 압력을 잡아 하역 전에 1 분.
  3. 스틸 다이에서 고밀도 티 샘플을 제거합니다. DPBS 10 ㎖로 두 번 고밀도 샘플을 씻으십시오클린 벤치에 실온에서 비커와 공기 건조 O / N에서.

GFP 코팅 비계의 4 릴리스 테스트

  1. 표본의 세 가지 유형을 담가 (GFP 코팅 밀도 티 (단계 후 2), GFP가 코팅 된 다공성 티타늄 (1 단계와 2 단계) 및 GFP 코팅 고밀도 다공성 티타늄 (1-3 단계) 후 후) 5 ML의 DPBS에 (PH 클린 벤치에 37 ℃에서 10 mL의 멸균 PS 튜브에 포함 된 7.4) 용액.
  2. 및 GFP 코팅 샘플 각각 PS 관으로부터 흡입 밖으로 모든 DPBS 용액 1의 소정 시간, 2, 3, 5, 8, 12에있어서 피펫을 사용하여 새로운 5 ㎖의 DPBS 용액 (PH 7.4)으로 보충 침수 후 15, 22, 29 일입니다.
  3. 침수 (0 일) 전에 GFP - 코팅 된 샘플의 형광 이미지를 가지고 이십이일 침지 후 공 초점 레이저 주사 분광법 (CLSM)를 사용.
  4. 하여 섹션 4.2에 각각 PS 관으로부터 인출 5 ㎖ DPBS 용액 총 1 ml의 용액에 출시의 GFP 형광 신호의 세기를 측정215 nm의 파장에서의 UV 분광학. 표준 곡선을 이용하여 GFP 용액의 농도에 강도 값을 변환한다.
    주 : 측정 전, 0 NG / ㎖의 농도 범위에서 GFP 용액의 형광 신호 강도를 측정함으로써 GFP 용액의 표준 곡선을 그리는 - 10 μg의 / mL로.

그레이드 다공성 티타늄 비계의 5. 제작

  1. 단계 1.7 단계 1.1를 반복함으로써, 소결 된 다공성 티타늄의 블록을 생성한다.
  2. 기계 EDM에 의해 소정 구조의 설계 (예를 들어,도 5a 및도 5d)에 기재된 소결 다공성 티타늄 블록.
  3. 다공성 티타늄의 직경이고 ~ 다이의 직경이 0.1 mm보다 작은 강철 다이 높이 분포와 가공 티 샘플을 놓고 스틸 다이의 상부 및 하부 구멍 펀치의 세트를 삽입한다.
  4. 단계 3.2 및 3.3를 수행합니다.

6. 다공성 나티 비계의 asurement

  1. 티 비계의 질량 (M s의)를 측정한다.
  2. 티 비계의 길이, 폭 및 높이를 측정하여 겉보기 부피 (V의 S)를 계산한다.
  3. 다음 식을 이용하여 공극율을 계산한다 :
    식 (1)
    P는 총 다공도 백분율이며, ρ는 티타늄과 티타늄 m S의 이론 밀도이다 / V S는 시료의 밀도를 측정한다.
    주 : microCT 촬상는 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 스캐너를 이용하여 수행 한 후 시료의 Ti의 기공율 직접 microCT 이미지에서 검색 될 수있다.

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Representative Results

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티 다공성 지지체를 제조하는 데 사용되는 제조 공정은도 1a에 도시되어있다. TI 분말 캄펜 액체가 완전히 고화되는 동안 상대적으로 무거운 티타늄 분말 중 어느 퇴적물을 최소화 할 수 있으며, 12 시간 동안 44 ℃에서 용기의 회전에 의해 연속 캄펜에 균일하게 분산 및 유지된다. 된 3 차원 적 상호 큰 캄펜 기공은 티타늄 분체 상 (도 1C)에 의해 둘러싸여 있으며,도 1b에 도시 된 바와 같이 결과적으로, 균질의 Ti-캄펜 성형체는 동적 동결 주조 공정을 사용하여 제조 하였다. 그러나, 컨테이너의 잘못된 회전은 종종 녹색 몸에 Ti 및 캄펜 단계의 균일 분포, 왜곡의 원인 또는 열처리 다음과 같은 다공성 지지체의 균열을 초래한다. 회전 속도의 최적의 상태는 대부분의 경우에 균질 성형체를 제조 할 수 있었다 (30) RPM,이었다. 전 진행열처리로 보내고, 캄펜의 광범위한 성장은도 1C에 도시 된 바와 같이 티 - 캄펜 성형체의 단면을 관찰함으로써 확인된다. 캄펜 상이 기공 상당한 크기 분포가 불연속 인 경우, 동적 동결 주조 온도와 시간을 재설정 할 필요가있다. 일반적으로, 티 - 캄펜 그린 바디의 캄펜상은 큰 구형 공극이 서로 접촉 된 이후 캄펜 단계가 연속 된 12 시간 동결 동적 주조 후 잘 발달이었다. 티타늄의 다공성 기공의 크기, 형태 및 연결은 상기 열처리 후의 마이크로 CT 분석을 사용하여 평가 하였다.

1300 ℃에서 소결 후, 다공성 티타늄 블록은 방전 가공 (도 2a)에 의해 다수의 원통형 샘플들로 절단된다. 얻어진 원통형 시편은 균열이나 결함을 보이지 않았다. porou의 대표적인 마이크로 CT 영상도 2b에 도시되어 기존의 (위)에 의해 제조 티 비계 및 동적 동결 주조 (아래)이야. 종래부터 동결 주조 티 샘플의 세공 구조는 냉동 동안 때문에 캄펜의 수지상 성장 불규칙 형상 기공 방향성 세공 정렬을 나타낸다. 한편, 동적 동결 주조에서 샘플은 랜덤 세공 분포와 거의 구형의 기공을 나타낸다. 또한, 다양한 공극률 (초기 공극률 (IP) = 50, 60, 및 70 부피 %)와 다공성 티타늄 지지체의 고해상도 현미경 화상이 선명 임의로 티 네트워크 (도 2C) 내에 분산 구형 공극을 나타낸다. 캄펜의 용적 감소로 다공성 티타늄 지지체의 기공 크기는 감소 하였다.

이어서, 제조 된 다공성 티타늄 지지체는도 3a에 도시 된 바와 같이 적용 스트레인을 변화시켜 몰드 내에서 생체 분자 및 조밀화로 코팅된다. VI의티 샘플들에 생체 활성 코팅층 sualization은 녹색 형광 단백질 (GFP)를 본 연구에 사용 하였다. 도 3b에 도시 된 바와 같이, 압력 (P의 ZZ)에 대응하는인가 변형률 (ε ZZ)는, 치밀화 된 정도를 다양하게 발견된다. 기공 형상은 인접하는 세공이 서로 접촉하기 때문에 높은 치밀화에 거의 사라 모공 결과, 고밀도화의 증가 정도 같이 평평해진다. 그러나, 우리의 이전 연구에서, 우리는 조밀화 된 샘플의 기공 채널이 여전히 같은 기공율의 다공질의 Ti와 거의 같은 면적을 가진 열려있는 것을 확인했다. (25)을 다른 시작 공극률과 치밀화 샘플을 평가하기 위해, Z 높이가 동일한 최종 기공율을 갖도록 샘플 치밀화 위해서는 초기 공극율에 따라 달라질 것이다. 표 2는 최종 타겟 P를 구하는 예측인가 균주를 제공한다orosity 다른 초기 공극률과 고밀도 다공성 지지체의 (FP). IP = 50 %가 약 0.5 발판을 필요로하면서, 예를 들어, FP = 5 % = 70 %가 약 0.7의 변형이 필요 IP와 다공성 지지체를 치밀화 다공질 시험편을 생성한다. 따라서, 다공성 지지체의 초기 높이 심하게 조밀화 후 동일한 최종 높이 샘플들을 획득하기 위해서 초기에 따라 공극률을 계산 하였다. 도 3c, 2mm의 높이와 거의 동일하게, 40 % = 70 % 쇼 다른 초기 높이 치밀화 전 후 단부에 IP에서 기공율을 변화 네 개의 시험편에 도시 된 바와 같이.

GFP는 다공성 (IP = 70 %)에 코팅 층 및 치밀화 다공성 티타늄 (IP = 70 %, FP = 7 %),도 4a에 도시 한 바와 같이 상용의 Ti에 비해 치밀한 시료를 시각화하는데 사용되었다. 세 개의 샘플은 명확 단째 코팅 표면 형태를 표시EIR 마이크로. 다공성 및 고밀도 다공성 샘플 녹색 컬러 티 명확 세공 스트러트가 완전하게 조밀 한 반면에 Ti 표면은 완전히 녹색 피복층으로 덮여있다. 도 4a에 도시 된 세 가지 코팅 된 샘플을 사용하여, 분리 동작은 (도 4b)을 관찰 하였다. 각 시료로부터 방출 GFP의 양은 평균 ± 표준 편차로 표시 하였다 (N = 3)과 형광의 강도를 측정하여 1 개월까지 추적 하였다. 치밀하고 다공성 티타늄 모두 대부분 일주일 이내에 방출하여, 초기 파열 효과 빠른 GFP 방출 거동을 갖는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 고밀도 다공성 TI는 최대 1 개월 연속 릴리스를 보여줍니다, 명확하게 (그림 4B의 CLSM 이미지)도 일개월 후 표면에 GFP를 게재.

도 5에서 소개 된 바와 같이 고밀도화 공정은 경사 기능 다공성 티타늄 지지체의 제작에 적용될 수있다. 두 개의 냄비경사 구조 ential 설계 회로도 원통형 지지체의 내부 및 외부 층은 다른 기공율을 가지고있는, 선택되었다. 도 5b에 도시 한 바와 같이도 5a에 도시 밀도 코어 구조, 티타늄 지지체의 외측 부분은 기계 가공으로 단축 하였다. 높은 내부의 선택적 치밀화 후 구배 구조를 얻었다. 마이크로 CT에 의해 측정도 5Bb5E의 상세한 구조 정보는 표 3에 제공되어도 5c의 마이크로 CT 영상은 명확하게 다른 공극률 (내의 지지체의 내측과 외측 부분 보여준다. FP = ~ 60 %, 아우터 : FP = ~ 70 %). 대안 적으로, 조밀 한 외층과 구조는 내측 및 외측 부분 (도 5d) 사이의 높이 차이를 변화시킴으로써 생성 될 수있다. 밀도 오의 높은 외부 및 낮은 내부 부품의 결과 다공성 티타늄터의 고밀도 부 (도 5E) 후에있는 외측 부분의 다공도는도 5F에 나타낸 바와 같이, 보존 된 초기 공극률 (IP = 70 %)를 갖는 내부 부분, ~ 45 %를 감소시켰다.

그림 1
그림 동적 동결 주조에 의해 티 - 캄펜 녹색 신체의 1. 제작. (A)를 얻을 수있는 동적 동결 케이스 과정의 개략도 열처리 전에 티 - 캄펜 녹색 몸을 응고 (엘스 비어, 정 허가를 적응 등. 2013). (B) 동적 동결 주조 공정의 완료 후 대표적인 티 - 캄펜 성형체의 광학 화상. 캄펜 고체상은 임의로 연속 티타늄 분말의 PHA 내에 분포되어있는 티 - 캄펜 성형체의 (C) 횡단면 화상전자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 1
열처리 후 다양한 초기 다공성 2. 다공성 티타늄 발판을 그림. (A) 전에 가공 및 기계 가공에서 얻은 원통형 다공성 티타늄 발판 후 완전 소결 다공성 티타늄 블록의 광학 이미지. (B) 기존의 동결 주조 (위) 및 동적 동결 주조 (아래)에 의해 제조 된 다공성 티타늄 비계의 단면 마이크로 CT 영상. 도 2b의 상부 이미지에 노란 화살표는 반경 방향으로 공극 배향을 나타낸다. (c) 초기 70 %의 기공률 (IP) (위)와 동적 동결 주조에 의해 제조 된 다공성 티타늄 비계의 횡단면 이미지, 60 %세트가 대응하는 다공성 티타늄 비계의 광학 이미지입니다 (가운데)와 50 % (하단) (엘스 비어, 정 허가를 적응 등. 2013). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 1
그림 3. 딥 코팅 및 다공성 티타늄 비계의 치밀화. (A) 생체 분자 (예를 들면, GFP)로 코팅 된 고밀도 다공성 금속 지지체 (티)의 제조 공정의 개략도 (엘스 비어, 정 등의 허가를 적응. 2015). (B) 최종 다공성의 결과로 적용 변형의 고밀도 다공성 티타늄 비계의 단면 이미지 (IP = 70 %) (ε ZZ) = 0, 0.53, 0.63, 0.68, (FP = 70, 33, 19, 7 %). (C 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 1
GFP의 GFP -로드 고밀도 다공성 티타늄 지지체의 생체 외 방출 거동 그림 4.. (A) 일반적인 CLSM 이미지는 조밀 한 다공성 및 고밀도 티타늄 인공 지지체의 표면에로드. 밀도 다공성 및 고밀도 TI의 발표 GFP의 (B) 누적 금액 24 일 PBS 침지 (스케일 바 = 200 μm의) 한 후 그 세 샘플의 CLSM 이미지와 이십구일 (N = 3)까지 비계. 표준 편차 (SD)는 우리를이다ED 각 데이터 포인트의 설명 오차 막대합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 1
기능적으로 등급 다공성 금속 지지체의 그림 5. 제조. 조밀 한 내부와 등급 다공성 지지체 디자인의 (A) 도식. 조밀 내부 다공성 티타늄 지지체를 등급 (B)는 고밀도화를 통해 제조. (C) 2-D는 밀도가 내측 부분의 Ti 등급 다공성 지지체의 마이크로 CT 영상을 재구성. 밀도 바깥 부분에 그라데이션 다공성 지지체 디자인의 (D) 도식. (E) 비계는 다공성 내부 코어를 보유하고있는 치밀화를 통해 제작 된 밀도 바깥 부분 다공성 티타늄 발판을 채점고밀도 외부 층으로 둘러싸인. (F) 2-D는 밀도가 바깥 부분 등급 다공성 티타늄 발판의 마이크로 CT 영상을 재구성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

대상 샘플 티 - 캄펜 슬러리 코팅액
티타늄 분말 (g) 캄펜 (G) KD-4 (g) GFP (㎖) PBS (ML)
IP와 티 비계는 40 % = 204.3 (90) 0.294 1 9
IP와 티 비계는 50 % = 171.4 97 </ TD> 0.268
IP와 티 비계는 60 % = 136.5 (103) 0.239
IP와 티 비계는 70 % = (100) (110) 0.21

표 1. GFP로 코팅 된 다공성 티타늄 타겟 지지체 (IP = 40, 50, 60, 70 %)의 제조에 티 - 캄펜 슬러리 및 코팅 용액의 상세. (IP는 초기 다공성의 약자).

초기 공극률 (%) 최종 기공율 (%)
(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- IP) / - 표 2는 최종 목표 기공율 (FP)의 방정식을 사용하여, FP = (1)의 관점에서 (IP = 50, 60, 70 %) (ε ZZ) 다공성 지지체의 변형을 예측인가 ε ZZ).

도 ROWSPAN = "2"> 채점 발판. 5B
표본 치밀화 전 치밀화 후
높이 (mm) 기공율 (%) 기공 크기 (μm의) 높이 (mm) 기공율 (%) 기공 크기 (μm의)
내부 18 ± 1 70 ± 1 370 ± 100 13 ± 1 57 ± 5 285 ± 100
외부 부분 14 ± 1 70 ± 5 365 ± 110
등급 발판. (e) 내부 14 ± 2 12 ± 1 70 ± 8 315 ± 110
외부 부분 18 ± 1 45 ± 8 230 ± 80

표 마이크로 CT에 의해 측정 Z 높이, 기공률 및 평균 기공 크기의 측면에서 전 및 후 치밀화 등급 다공성 지지체 (도 5b 및도 5E)의 내측 및 외측 부분 3. 구조 정보.

다공질의 Ti 초기 공극률 (%) 치밀화 전 치밀화 후 (FP = 5 %)
강성 (GPA) 항복 강도 (MPA) 강성 (GPA) 항복 강도 (MPA)
(50) (19) 143 (44) > (370)
(60) (13) (130) (42) > (370)
(70) (5) (58) (35) > (370)

표 4. 강성과 다공성 티타늄 비계의 항복 강도 (IP = 50, 60, 70 %) 전후의 치밀화 (엘스 비어, 정 허가를 적응 등. 2015).

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Discussion

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바이오 시스템들은 생물 의학적 용도로 사용되었지만, 특히 부하 - 함유 물질, 높은 강성과 낮은 생체 활성 금속의 주요 과제로 간주되어왔다. 본 연구에서, 우리는 새로운 메탈 시스템, 생체 모방 기계적 특성뿐만 아니라 지속 방출 거동과 생리 활성 표면을 가지는 조밀화 된 다공성 금속 지지체의 제조 방법을 확립. 우리의 제조 방법의 주요한 장점은 1) 이미 개발 이전 동적 동결 주조법에 변화, 등 (28) 2) 중 하나의 파라미터도 제어 기계적 향상 및 다공성 생체 분자의 지속 방출 거동을 양립 치밀화 간 금속 지지체 3) 잠재적 인 응용 프로그램은 기능적으로 자료를 등급입니다.

조밀화 된 다공성 금속을 제조하기 위해 필요한 중요한 단계 중 하나는 두 가지 중요한 featu 보유 다공성 티타늄의 제조이다입술 : 1) 연성 생체 활성 분자와 기계적 성질의 방출 속도를 제어하는​​ 2) 높은 기공 상호로드 및 생체 분자를 방출. 그러나, 이전에 한정된 세공 상호 또는 연성를 도시 한 다공질 공간 홀더 방법을 사용하여 제조 된 티탄 비계, 스폰지 템플릿에있어서, 분말 야금 법을보고했다. 특히 14,24,29, 주변의 다른 금속 분말과의 반응에 의해 생성 된 불순물 금속 분말은 2 물질에 접촉하기 때문에, 열처리 공정 동안 물질은 상당히 재료의 연성을 감소하는 것으로 알려져있다 (예를 들면, 공간 홀더 또는 중합체 템플릿) 기계적 테스트 하에서 취성 파괴의 결과. 14,24,29을 따라서 , 치밀화 다공성 금속을 제조하기 위해, 불순물은 종래의 제조 방법의 대부분을 최소화 할 필요가있다. 이 합병증을 방지하기 위해, 우리는 다공성 형태와 기계적 동작 (을)를 조사F 다공성 티타늄 지지체는 금속 분말과 액상 사이의 상호 작용을 최소화하기 위해 캄펜 함께 캐스팅 법을 이용하여 제조 동결. 26,28,30-33

종래의 동결 주조 방법의 단점은 종종 방향성 기공 채널 (도 2b, 상부 이미지)를 초래한다는 것이다. 동적 동결 주조와 반면에, 공극의 형상 및 크기는 통상적 인 동결 주조들과 골격 내의 기공 분포가 거의 랜덤보다 균일 한 것으로 나타났다. . 따라서 일축 압력 밀폐 된 금형의 고밀도화를 허용 동적 동결 주조 동안 26, 28, 쇼 등방성 기계적 동작을 캐스팅 동적 동결에서 다공성 지지체의 이러한 구조적 특징은 두 가지 주요 이벤트는 금속 슬러리 내에서 발생 캄펜 단계의 1) 결정 성장을 2) 금​​속 분말의 재분배와 나머지 액상 피할 수 초 이내에 캄펜을 응고edimentation. 중력은 액체 캄펜이 완전히 응고 될 때까지 분리하는 금속 분말을 야기한다. 캄펜의 융점 근처 슬러리의 연속적인 회전은 구면 캄펜 결정이도 1c에 도시 된 바와 같이, 티타늄 분말 및 캄펜 결정의 랜덤 분포를 균일하게, 균일하게 성장하기위한 충분한 시간을 준다.

냉각 과정에 따라, 완전히 이상성 녹색 몸 (그림 1B)를 얻었다 티 - 캄펜을 응고. 완전히 붕괴 구조없이 고화 성형체로부터 캄펜을 제거하기 위해, 캄펜을 -20 ℃에서 진공 데시 케이 터 내에서 승화시켰다. 캄펜 단계의 제거 후, ​​녹색의 본문 만의 Ti 분말로 이루어진 다공질되었다. 티타늄 입자들 사이의 상호 작용이 없기 때문에 그 취급에주의가 필요하므로, 다공성 티타늄 성형체는 깨지기. 열처리 전에 손으로 그린​​ 신체의 직접적인 처리를 피하려면, 표준은, 세라믹 도가니 동결 건조 및 소결 성형체의 컨테이너에 대해 선택되었다. 성형체와 용기 바로 성형체는 금속 스트럿 상당한 결함없이 완전 치밀화 할 수 1300 ° C에서, 동결 건조 및 열처리 후 진공로에 넣었다. 다공성 샘플의 형상 및 크기가 동일 (도 2A)되어야하기 때문에 시료의 평가를 위해, 다공성 티타늄 블록 작은 다공성 티타늄 실린더로 절단 하였다. 모든 표본이 성공적으로 중대한 결함 (도 2B2C)없이 가공되었다. 슬러리 중의 Ti 전력의 양에 따라, 다른 다공성 지지체와 티타늄은 구형 무작위 분산 된 기공 (도 2C)로 수득 하였다.

다공성 지지체는 티타늄 동적 동결 주조 방법을 사용하여 수득 하였다 후 이전에보고 된 STU도 3a에 도시 된 바와 같이, DY, 생체 분자 (28)가 코팅 된 다공성 티타늄의 표면에 Ti 및 고밀도화에 코팅 하였다 수행 하였다. 생체 분자의 어떤 오염이나 변성을 방지하기 위해, 코팅 공정은 다공성 지지체는 멸균 된 후 24 시간 이내에 실온에서 클린 벤치 실시 조심스럽게 깨끗이 하였다. 코팅 공정을 수행 한 후 치밀화 전에 코팅 생체 분자의 손실을 최소화하기 위해 세척 공정을 최소화 하였다. 조밀화 프로세스가 Z 방향의 다공성 티타늄 샘플의인가 변형에 의해 제어하고, 균주로 변환 ε ZZ. 26 티 비계의 초기 공극률, 적용된 스트레인에 따라 최종 기공율 대응이 변화 하였다 (표 2 ). 다른 초기 공극률과 고밀도 다공성 지지체를 보장하기 위해 동일한 최종 형상과 크기, INDIVI의 적용 긴장을했다치밀화 전에 이중 발판을 계산하고, 각 샘플의 총 샘플 높이 (Z 방향 길이)를 예측 하였다. 그림 3 차원 다공성 다양한 개별 다공성 샘플의 서로 다른 높이가에서 동일한 최종 높이와 고밀도 다공성 샘플로 이어질 수 있음을 나타냅니다 같은 최종 다공성.

치밀화의 정도를 제어함으로써, 고밀도 다공성 지지체는 코팅 된 생체 분자의 연장 출시와 함께 독특한 기계적 동작을. 최종 기공과 기공 크기 : 적용 변형은 다공성 티타늄 비계의 두 가지 중요한 매개 변수를 변경합니다. 낮은 다공성을 가진 다공성 지지체는 높은 강성과 강도를 보여줍니다. 우리의 이전 연구는이 연구에서 응력 - 변형 상업 밀집 티타늄에 비해 다공성 티타늄 (표 4)뿐만 아니라 크게 감소 강성에 비해 개선 된 강도 고밀도 다공성 지지체의 행동. (26)을보고, 우리는 또한 번째 관찰도 4에 도시 된 바와 같이, GFP 코팅층의 시각화 검출 통해 티 치밀한 다공질 모두에 비해 고밀도 다공성 티타늄의 전자 방출 거동. 결과 치밀화 다공성 지지체 크게 이형 행동 개선 소유한다 26하는 이전의 연구와 일치 하였다 감소 기공 크기와 비계의 증가 torturosity로 인해 최대 사개월하여 출시 시간을 연장 코팅 재료,의. 현재 삼십일 용출 시험 명확 조밀하거나 다공성 티타늄 표면 중 없음 GFP 잔여 대조적 치밀화 다공성 티타늄의 표면 상에 남아있는 GFP를 나타낸다.

마지막으로, 방법은 고밀도화 내외 다른 기공율을 가지고있는 경사 기능 다공성 지지체의 제조에 적용 하였다. 도 5에 도시 된 바와 같이, 원통형 지지체의 경우, 내외의 z 높이를 구별하기 쉽게 경사 다공성 지지체로 이어질 수. 도 5b에 도시 된 다공성 티타늄 지지체의 내부에 적용된 스트레인 (ε ZZ)는 어떠한 변형이 외측 부분에인가되지 않은 반면, 57 % ~ 최종 결과 기공률 ~ 0.27이었다. 한편,도 5b에 다공성 티타늄 지지체의 외측 부분에 적용된 스트레인 (ε ZZ)의 내측 부분은 거의 그대로 동안 초기 공극률 보존 ~ 45 %의 최종 기공율 귀착되는, ~ 0.33이었다 (표 3). 그러나, 그레이딩 된 다공성 지지체에 대한 두 가지 주요 과제는 본 실험에서 관찰되었다. 우선, 연속 내외 일관성 응력과 변형률 골격 내의 분포를 유발; 상면 및 주위 영역 내면 주위보다 밀도가 있었던 곳 따라서, 치밀화가 불균일하게 발생. 두 부분의 높이 차이가 증가할수록 중요한 경향이 있었다. 또한, 등급 poro우리는 내부의 치밀화는 두 부분 내에 비균질 변형을 초래 외측 부분으로 한정되고, 수행되어야하기 때문에 밀도 외측부와 지지체보다 제조하기 어려웠다 치밀한 내부 폴딩을 가진. 등급 지지체의 불균일 고밀도화를 해결하기 위해, 우리는 고밀도화 공정 동안 조립 될 수있는 두 개의 분리 된 부분을 개발했다. 이 논문에서, 최적의 조건이 아직 발견되지 않은 완전히 완벽한 제조 등급 다공성 구조를 생성하는 경우에도, 경 사진 구조의 제조 공정의 고밀도 전위는 웰을 확인 하였다. 등급 다공성 구조의 최적화 된 제조 방법에 진행하고, 추가 작업으로, 등급 구조에 선택적으로 약물 부하는 골격의 기능 릴리스 동작을 연구한다.

이 연구에서 제안 된 방법의 장점은 1) MEC 더 포함좋은 강도와​​ 더 나은 생물학적 성능 2) 장기간의 생물 활성과 생물학적 조직과 hanical 호환성. 그러나, 주요 단점 중 하나는 더 뼈 임플란트 인터페이스 금속 지지체의 기공 네트워크를 통해 뼈의 내 증식을 촉진 할 수없는 감소 된 세공 크기이다. 다공성 및 조밀 한 부분이 공존하는이 문제, 등급 기공 구조가 제안되었다를 해결하려면; 조밀 한 부분이 기계적 안정성과 장기간 생체 활성을 제공하지만, 따라서, 다공질 부를, 뼈 내 증식을 허용한다. 따라서, 다양한 구조 설계를 통해 기능적으로 등급 화 티타늄 임플란트는 뼈 통합의 향상된 기능에 초점 특히, 제조하고 테스트한다. 또한, 다른 제한은 복잡한 형상과 임플란트의 제조해야한다. 복잡한 형상의 임플란트 (예, 대퇴 콘 오그)을 얻기 위해, 추가의 가공 처리는 두 개의 주요한 단점을 부과 치밀화 후 필요최종 생성물 : 다공성 티타늄 블록의 상당한 부피는 종종 공정 동안 제거되기 때문에 비효율적이며 비경제적인 재료의 사용 및 기계 가공 공정 동안 잠재적 오염 코팅 생체 분자의 손실. 복잡한 형상을 가진 다공성 티타늄 지지체의 제조 공정에 대한 개선이 진행되고있다. 치밀화 된 다공성 금속 지지체는 다공성 또는 벌크 중 금속 임플란트를 대체 다양한 정형 외과 응용, 인공 디스크 교환에인가하고, 하중지지뿐만 아니라 약물 담체로서 작용 될 수있다.

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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

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바이오 메디컬 응용 프로그램을위한 기계적 조정 및 생리 활성 금속 비계의 제조
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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).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).

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