Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Изготовление механически перестраиваемых и биологически активных металлов строительные леса для биомедицинских применений

doi: 10.3791/53279 Published: December 8, 2015

Introduction

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

В то время как металлические биоматериалы были широко используются в качестве несущих имплантаты и внутренних устройств фиксации из-за их превосходной механической прочностью и упругостью, 1-3 они включают две критические проблемы: 1) механическое несовпадение, поскольку металлы намного жестче, чем биологических тканей, в результате чего нежелательные повреждения с окружающими тканями и 2) низкой биологической активностью, что часто приводит к плохому интерфейс с биологических тканей, часто провоцирующих реакции инородного тела (например, воспаление или тромбоз). Пористые металлические 4-6 каркасы были предложены для содействия врастание кости в структурах, повышение . костного имплантата контакта а эффекты стресса щит подавляются из-за их пониженной жесткости 7-9 Кроме того, различные модификации поверхности были применены для повышения биологической активности металлических имплантатов; такие модификации включают покрытие поверхности металла с биоактивными молекулами (например, роста FACТЗ) или наркотики (например, ванкомицин, тетрациклин). 10-12 Тем не менее, такие проблемы, как снижение механических свойств пористых металлических каркасов, снижение жесткости и быстрое высвобождение биоактивных слоев покрытия остаются нерешенными 13-16.

В частности, титан (Тi) и Ti сплавов являются одним из наиболее популярных biometal систем из-за их превосходных механических свойств, химической стабильности и хорошей биосовместимостью. 13,17-19 Их пены в форме заявки также привлекать все большее внимание, так как 3D пористые сети способствуют врастание кости в дополнение к механическим свойствам кости, как. 20-22 Были предприняты усилия для улучшения механических свойств путем разработки новых технологий производства, включая репликацию полимерного губки, спекание частиц металла, быстрого прототипирования методом (РП), и пространство метод держатель для того, чтобы контролировать различные функции поры (например, доля пор,Форма, размер, распределение и подключение) и свойства материала (например, металлической фазы и примесей). 23-25 ​​Недавно замораживания литье на водной основе металлического шлама получила значительное внимание производству механически усовершенствованных форм Ti с хорошо выровненных поры структуры за счет использования однонаправленного роста дендритов льда во время затвердевания; Однако загрязнение кислорода в результате контакта металлических порошков с водой требует особой осторожности, чтобы свести к минимуму хрупкость Ti лесов. 14,15

Таким образом, мы разработали новый подход к изготовлению биологически активные и механически перестраиваемых пористых каркасов Ti. 25 Леса изначально имеют пористые структуры с пористостью более 50%. Изготовленного пористые леса покрывали биоактивных молекул, а затем сжимается с помощью механического пресса, во время которого окончательное пористость, механические свойства и поведение высвобождения лекарственного контролировались примеред штамм. Уплотненные пористые имплантаты Ti, показали низкую пористость с хорошей прочностью, несмотря на низкой жесткостью, сравнимой с костью (3-20 ГПа). 2 Из слоя покрытия, биологическая активность уплотненного пористого титана была значительно улучшена. Кроме того, из-за уникальных плоских пор структуры, индуцированные процесса уплотнения, покрытые биоактивные молекулы были замечены быть постепенно высвобождается с лесов, сохранении их эффективности в течение длительного периода.

В этом исследовании мы представили наш установленного способа изготовить уплотненных пористых каркасов Ti для возможного использования в биомедицинских приложениях. Протокол включает в себя динамическую литье замерзания с металлическими суспензий и уплотнения пористых каркасов. Во-первых, для изготовления пористых каркасов Ti с хорошей пластичностью динамический метод литья замораживания был введен, как показано на рисунке 1А. Ti порошок диспергируют в жидкой камфена; Затем, за счет снижения температуры,жидкая фаза затвердевает, в результате чего разделение фаз между порошковым сети Ti и твердых кристаллов камфен. Впоследствии затвердевает Ti-камфен сырец спекают в котором Ti порошки конденсируют с непрерывными стоек Ti, а фаза камфен был полностью удален, чтобы получить пористую структуру. Использовалось покрытие и процесса уплотнения с полученными пористых каркасов, изменяя степень уплотнения и начальной пористости. Слой покрытия и его поведение выпуск визуализировали и количественно с помощью зеленый флуоресцентный белок (GFP), -покрытие пористый титан и без уплотнения по сравнению с GFP-покрытием плотной Ti. Наконец, функционально-градиентных Ti каркасы, имеющие два различных пористых структур были предложены и продемонстрированы путем изменения степени уплотнения внутренней и внешней частей пористых каркасов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

1. Изготовление пористой металлической строительные леса

  1. Подготовьте Ti-камфен суспензий путем смешивания коммерчески доступный порошок Ti, камфен, а KD-4 после взвешивания соответствующих количеств материалов, как описано в таблице 1 для пористых каркасов Ti с четырьмя начальными пористости (40, 50, 60, и 70). Налейте суспензий в 500 мл полиэтилена (ПЭ) и вращать бутылки бутылки при 55 ° С в течение 30 мин в шаровой мельнице печи при 30 оборотах в минуту.
  2. Налейте суспензий из бутылок PE в цилиндрической алюминия (Al), пресс-форм диаметром 60 мм и высотой 60 мм. Уплотнение каждый Al форму с соответствующей крышкой Al скольжения и поворота пресс-формы в шаровой мельнице печи со скоростью 30 оборотов в минуту при 55 ° С в течение 10 мин.
    1. Впоследствии, снизить температуру шаровой мельнице печи до 44 ° С, и непрерывно вращать формы со скоростью 30 оборотов в минуту при постоянной температуре 44 ° С в течение 12 ч.
  3. Выньте форму из шариковыхМельница печи после дополнительно вращения формы при комнатной температуре в течение 1 часа для процесса охлаждения. Удалить затвердевшей титана / камфен сырца из формы Al использованием Al поршень.
  4. Поместите затвердевшего титана / камфен зеленый тело в резиновый мешок рукой и полностью закрыть резиновый мешок, связывая рот мешка со строкой. Поместите резиновый мешок в резервуар с водой холодного изостатического прессования (CIP) машины и применить изостатическое давление 200 МПа в течение 10 мин. Удалить сжатого сырца из резиновый мешок.
  5. Передача Ti-камфен сырца на окиси алюминия тигле вручную и поместить тигель в сублимационной сушилки машины. Вымораживанием сухой сырца сублимировать фазу камфен в зеленом тела в - 40 ° С в течение 24 ч.
  6. Впоследствии закрыть тигель из оксида алюминия покровным и поместите закрытом тигле в вакуумной печи (ниже 10 -6 торр) при комнатной температуре. Затем повышают температуру печи до 1300 ° С в нагревательной Rели 5 ° С / мин и удерживать температуру на уровне 1300 ° С в течение 2 ч.
  7. После термообработки, сохранить спеченного пористого Ti в печи в течение 6-7 ч до тех пор, пока печь полностью охлаждают до комнатной температуры.
    Примечание: Во время 6 ч процесса охлаждения, средняя скорость охлаждения вышеуказанного 400 ° С печи ~ 15 ° C / мин, а средняя скорость охлаждения печи ниже 400 ° С составляет ~ 2 ° С / мин.
  8. При необходимости, сократить блок спеченного пористого титана в образцах дискообразных с диаметром 16 мм через электрический разряд обработки (EDM). 27
    Примечание: В зависимости от размера форм Al, размер спеченного пористого титана должна быть изменена в процессе обработки (фиг.2А).
  9. Поместите стеклянный стакан с пористых образцов Ti в автоклав и стерилизуют образцов при 121 ° С в течение 15 мин. Удалить образцы из автоклава. Промыть пористых образцов Ti дистиллированной водой, а затем два раза 70% -ным этанолом два раза.Наконец, оставить пористый титан в чашку Петри и воздушно-сухой пробы при комнатной температуре на чистом столе под УФ-светом.

2. Опустите покрытие каркасов с биологически активными агентами

  1. Развести коммерческую зеленой флуоресценции белка (GFP) с 1 мг / мл до 100 мкг / мл в чистом столе путем смешивания 1 мл GFP с 9 мл фосфатно-солевой буфер (DPBS, рН 7,4) раствор Дульбекко в 10 мл стерилизованного полистирол (PS) трубки, как показано в таблице 1.
  2. Погружают стерилизованного плотную пористую или Ti в 10 мл разбавленного раствора GFP (100 мкг / мл), помещая образцы Ti в PS трубки с GFP раствора при комнатной температуре и размещение на чистом столе.
  3. Поместите PS трубку в вакуумном эксикаторе и эвакуировать эксикаторе в течение 10 мин, чтобы обеспечить решение GFP более эффективно проникает в поры пористого титана.
  4. Снимите пористый титан, от ПС трубки с помощью пинцета. Поместите GFP-покрытием пористой Ti в 10 см в диаметре Петри тарелки и воздушно-сухой O / N в РТ на чистом столе.
  5. Промойте пористый титан в два раза с 10 мл Дульбекко фосфатно-солевой буфер (DPBS) в стеклянном стакане, и переместите пористый титан в 10 см диаметром Петри с помощью пинцета и воздушно-сухой при комнатной температуре на чистом столе.

3. Уплотнение пористых строительные леса

  1. Поместите GFP-покрытием пористых образцов Ti с различной высоты в цилиндрической стальной матрицей и вставить набор штампов в верхней и нижней отверстий стальной матрицей (фиг.3А).
  2. Сжатие пористого Ti в стали пресс-формы при комнатной температуре в направлении Z. образца (фиг.3А) с помощью пресс-машины на промежуточных скоростях деформации 0,05 ~ 0,1 сек -1 против заранее определенных прикладных штаммов, представленных в таблице 2. Удерживая давление в течение 1 мин перед выгрузкой.
  3. Удалить уплотненные образцы Ti от стального штампа. Промыть уплотненного образцы дважды 10 мл DPBSв стакане и воздушно-сухой O / N в РТ на чистом столе.

4. Выпуск Тест GFP-покрытием строительные леса

  1. Погружают три типа образцов (GFP-покрытием плотным Ti (после стадий 2), GFP-покрытием пористой Ti (после этапов 1 и 2) и GFP-покрытием уплотненной пористой Ti (после шагов 1-3)) в 5 мл DPBS (рН 7,4) раствор содержал в 10 мл стерилизованной PS трубке при 37 ° С на чистом столе.
  2. Всасывающий весь раствор DPBS от каждого PS трубке с пробой GFP-покрытием и пополнить раствором новые 5 мл DPBS (рН 7,4) с использованием пипетки в соответствии с заранее определенное время в 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 и 29 дней после погружения.
  3. Возьмем флуоресцентные изображения образцов GFP-покрытием перед погружением (день 0) и после 22 дневного погружения с помощью конфокальной лазерной сканирующей спектроскопии (CLSM).
  4. Измерьте интенсивность сигнала флуоресценции GFP в опубликованном в 1 мл раствора в общей сложности 5 мл раствора DPBS, проведенной от каждого PS трубы в разделе 4.2, используяУФ-спектроскопии при длине волны 215 нм. Преобразование значение интенсивности в концентрации GFP растворе с использованием стандартной кривой.
    Примечание: Перед измерением обратить стандартную кривую GFP раствора путем измерения интенсивности флуоресценции сигнальную GFP раствора в диапазоне концентраций от 0 нг / мл - 10 мкг / мл.

5. Изготовление градуированных пористых Ti строительные леса

  1. Производить блок спеченного пористого титана, повторяя шаг к шагу 1.1 1.7.
  2. Обработка спеченного пористого Ti блок в соответствии с предопределенным конструкций структуры (например, на фиг.5А и 5d) по EDM.
  3. Поместите обработанные образцы Ti с распределением по высоте в стальной пресс-формы, когда диаметр пористого титана составляет ~ 0,1 мм меньше, чем диаметр фильеры и вставить набор штампов в верхней и нижней отверстий стальной пресс-формы.
  4. Выполните шаги 3,2 и 3,3.

6. Пористость меняasurement из Ti строительные леса

  1. Измерьте массу (м ы) Ti лесов.
  2. Рассчитайте кажущийся объем (V ы) путем измерения длины, ширины и высоты Ti лесов.
  3. Вычислить пористость с использованием следующего уравнения:
    Уравнение 1
    где Р общий процент пористости, ρ Ti является теоретической плотности титана и м S / V S представляет собой измеренное плотность образца.
    Примечание: Пористость образцов Ti может быть непосредственно получены из microCT изображений после съемки microCT осуществляется с помощью микро-сканер компьютерной томографии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

Процесс изготовления используется для получения пористых каркасов Ti показано на фиг.1А. Ti порошка хранится гомогенно диспергируют в камфен непрерывным вращением контейнера при 44 ° С в течение 12 ч и, в то время как жидкость камфен полностью затвердевает, любые отложения относительно тяжелым порошка Ti может быть сведено к минимуму. В результате однородное Ti-камфен сырец получают при использовании динамического процесса литья замораживание, как показано на фиг.1В, в котором 3 измерениях взаимосвязаны крупные поры камфен окружены порошка фазы Ti (рис 1С). Тем не менее, неправильное вращение контейнеров часто приводит к неоднородным распределением Ti и фаз Камфен в зеленом организме, вызывая искажение или растрескиванию пористой эшафот следующие термообработки. Оптимальное условие скорости вращения было установлено, что 30 оборотов в минуту, который был способен производить однородную сырца в большинстве случаев. Перед продолжитьта с термообработкой, экстенсивного роста камфен подтверждается наблюдением поперечное сечение Ti-камфена зеленого тела, как показано на рисунке 1С. Если фаза камфен разрывно со значительным распределением по размерам пор, температура и время динамического литья замораживания должен быть сброшен. Как правило, камфен фаза Ti-камфен зеленых органов было установлено, что хорошо разработана после 12 ч динамического замораживания литья, где фаза камфен стали непрерывными, так как крупные поры сферические в контакте друг с другом. Размер, морфологии и связность пор в пористой Ti дополнительно оценивали с помощью анализа микро-КТ после термообработки.

После спекания при 1300 ° С, пористые блоки Ti разрезают на несколько цилиндрических образцов электроэрозионной обработки (фиг.2А). Полученные цилиндрические образцы не показывают трещины или дефекты. Представительства микро-КТ образы PorouS Ti каркасов, изготовленных с помощью обычной (сверху) и динамического замораживания литье (дно) показаны на рисунке 2B. Пористая структура образцов Ti от обычного литья сублимационной показывает направленного выравнивание пор с неправильной формы поры из-за роста дендритов камфена в процессе замораживания. С другой стороны, образец с динамическим литья сублимационной демонстрирует почти сферические поры со случайным распределением пор. Кроме того, более высокое разрешение микроскопических изображений пористых каркасов Ti с различными пористости (начальной пористости (IP) = 50, 60 и 70% по объему) ясно показывают, сферические поры случайным образом распределены в пределах сети Ti (фиг.2с). Размер пор пористых каркасов Ti снизился также объем камфена уменьшилось.

Впоследствии, изготовленные пористые каркасы Ti покрыты биомолекул и уплотненных в пресс-форме путем изменения приложенного напряжения, как показано на фигуре 3А. Для VIsualization биоактивного слоя покрытия на образцах Ti, зеленый флуоресцентный белок (GFP), был использован в данном исследовании. Применяемая деформации (ε ZZ), что соответствует давлению (Р ZZ), оказывается варьировать степень уплотнения, как показано на фиг.3В. Форма пор становится плоской, как степень уплотнения возрастает и, как следствие, на самом высоком уплотнения, поры почти исчезают, поскольку соседние поры в контакте друг с другом. Тем не менее, с нашей предыдущей работе, мы подтвердили, что поровых каналов уплотненной образцов остаются открытыми, почти с той же площадью поверхности, что и пористой Ti того же пористости. 25, чтобы оценить уплотненных образцов с различными исходными пористости, то Z-высота должна изменяться в зависимости от начальной пористости для того, чтобы уплотненного образца, чтобы иметь ту же самую конечную пористость. Таблица 2 также обеспечивает предсказанные применяемые штаммы, чтобы получить целевой финальный рorosity (ФП) из уплотненных пористых каркасов с различными начальными пористостью. Например, для получения уплотненного пористых образцов с FP = 5%, пористый каркас с IP = 70% требует деформации, равной приблизительно 0,7, в то время как каркас с IP = 50% необходимо около 0,5. Таким образом, начальные высоты пористых каркасов были тщательно рассчитывается в соответствии с начальной пористости в целях получения образцов с той же окончательной высоты после уплотнения. Как показано на рисунке 3C, четыре образца с различной пористостью от IP = 40% до 70% показаны различные начальные высоты, прежде чем уплотнения, а затем в конце концов, с почти одинаковыми высотами 2 мм.

GFP был использован для визуализации слоя покрытия на пористой (IP = 70%) и уплотненную пористую Ti (IP = 70%, ФП = 7%) образцов по сравнению с коммерческой плотной Ti, как показано на фиг.4А. Все три образца четко отображать покрытием морфологию поверхности, соответствующие йEIR микроструктуры. Полностью плотная поверхность Ti полностью покрыты зеленой слоя покрытия, в то время как пористые и уплотненные пористые образцы имеют зеленого цвета Ti стойки с четкими поры. Используя эти три покрытых образцов, показанных на рис 4А, поведение релиз наблюдалось (рис 4B). Было высказано количество выпускаемой GFP из каждого образца как среднее ± стандартное отклонение (п = 3) и был записан в течение одного месяца путем измерения интенсивности флуоресценции. Оба плотной и пористой Ti было установлено, что быстрое поведение выхода GFP с начальным действием разрывной, при этом большинство выпущен в течение одной недели. Тем не менее, уплотненный пористый Ti показывает непрерывное высвобождение до одного месяца, ясно показывая, GFP на поверхности даже после одного месяца (CLSM изображения фиг.4В).

Процесс уплотнения может быть применен к изготовлению функционально-градиентных пористых каркасов Ti, введенные на фиг.5. Двух горшокбыли выбраны ференциальное конструкции схемы градиентных структур, из которых внутренний и наружный слои цилиндрической помост имеют различные пористости. Для структуры с более плотной сердцевины, показанном на фиг.5А, внешняя часть каркасом Ti было сокращено путем механической обработки, как показано на фиг.5В. После селективного уплотнения высшей внутренней части, был получен градиент структура. Подробное структурная информация о цифрах 5BB и измеряется микро КТ приведены в таблице 3 микро КТ изображение фиг.5С ясно показывает внутреннюю и внешнюю части помоста с различной пористостью (внутренний:. Fp = ~ 60%, внешняя: FP = ~ 70%). Кроме того, структура с плотной наружного слоя могут быть получены путем изменения разности высот между внутренней и внешней частей (рис 5D). Пористая Ti с выше и ниже внешние внутренние части приводит к более плотной OUter часть после уплотнения (рис 5E), в которой пористость наружной части была снижена до ~ 45%, с внутренней частью, имеющей сохраненной начальной пористости (IP = 70%) как показано на рисунке 5F.

Рисунок 1
Рисунок 1. Изготовление Ti-камфена зеленого тела с помощью динамического литья замораживания. (А) Схематическое изображение процесса динамического замораживания корпуса, чтобы получить затвердевает Ti-камфен зеленый тело перед термообработкой (Адаптировано с разрешения Elsevier, Юнг и др., 2013). (Б) Оптическое изображение репрезентативной Ti-камфена зеленого тела после завершения динамического процесса литья замораживания. (С) поперечного сечения образ Ti-камфена зеленого тела, в котором твердая фаза камфен статистически распределен в пределах непрерывных Ti порошка ПГАе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 1
Рисунок 2. Пористая Ti каркасов с различными начальными пористости после термической обработки. (А) Оптические изображения полностью спеченного пористого титана блока до и после обработки и полученной цилиндрической пористой Ti эшафот из обработки. (B), секционные микро-КТ изображений пористых каркасов, изготовленных Ti обычным замораживанием литья (вверху) и динамического замораживания литье (внизу). Желтые стрелки на верхнем изображении фиг.2В показывают выравнивание пор в радиальном направлении. (С) Поперечные изображения пористых каркасов, изготовленных Ti динамическим замораживания литья с начальной пористости (IP) 70% (вверху), 60%(средний) и 50% (нижний), где вставки являются оптические изображения соответствующих пористых каркасов Ti (Адаптировано с разрешения Elsevier, Юнг и др., 2013). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 1
Рисунок 3. Опустите покрытие и уплотнения пористых каркасов Ti. (А) Схематическое изображение процесса изготовления уплотненного металлического пористого эшафот (Ti), покрытой биомолекул (например, GFP), (адаптировано с разрешения Elsevier, Юнг и др. , 2015). (Б) Поперечные изображения уплотненных пористых каркасов Ti (IP = 70%) при приложенного напряжения (ε ZZ) = 0, 0,53, 0,63, 0,68, в результате чего в конечном пористости (FP = 70, 33, 19, 7%). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 1
Рисунок 4. В пробирке поведения высвобождения GFP-уплотненных пористых загружен лесов Ti. (А) Типичные изображения CLSM из GFP загружен на поверхности плотных, пористых и уплотненной лесов Ti. (В) количества полезных GFP, освобожденные из плотной, пористой и уплотненной Ti Строительные леса до 29 дней (N = 3) с изображениями CLSM этих трех образцов после погружения в PBS в течение 24 дней (масштаб бар = 200 мкм). Стандартное отклонение (SD), это мыред для описательной бар ошибки каждой точки данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 1
Рисунок 5. Изготовление функционально-градиентных металлических каркасов пористый. (А) Схема градуированной пористой конструкции лесов с плотной внутренней части. (B), сортовая пористую Ti эшафот с плотной внутренней части изготовлены путем уплотнения. (С) 2-D реконструкция микро-КТ изображение градуированной пористой Ti помост с плотной внутренней части. (D) Схема конструкции лесов с градиентом пористости с плотной внешней части. (Е) Дифференцированный пористую Ti эшафот с плотной внешней части, изготовленной с помощью уплотнения, в которых леса обладает пористой внутренний стерженьокружен уплотненной внешним слоем. (F), 2-D реконструкция микро-КТ изображение градуированных пористой Ti эшафот с плотной внешней части. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Целевая выборка Ti-камфен суспензии Покрытие решение
Ti порошка (г) Камфен (г) КД-4 (г) GFP (мл) PBS (мл)
Ti леса с IP = 40% 204,3 90 0,294 1 9
Ti леса с IP = 50% 171,4 97 </ TD> 0,268
Ti леса с IP = 60% 136,5 103 0,239
Ti леса с IP = 70% 100 110 0.21

Таблица 1. Подробная информация о Ти-камфена суспензии и раствора для покрытия для изготовления пористых каркасов целевых Ti (IP = 40, 50, 60, 70%), покрытых GFP. (IP-стоит для начальной пористости).

Начальной пористости (%) Окончательный пористость (%)
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

Таблица 2. Прогнозируемое применяется напряжение (ε ZZ) пористых каркасов (IP = 50, 60, 70%) в терминах целевого конечного пористости (FP), используя уравнение, FP = 1 - (1- IP) / (1- ε ZZ).

рис. 5б
Образец Перед уплотнением После уплотнения
Высота (мм) Пористость (%) Размер пор (мкм) Высота (мм) Пористость (%) Размер пор (мкм)
Внутренняя часть 18 ± 1 70 ± 1 370 ± 100 13 ± 1 57 ± 5 285 ± 100
Внешняя часть 14 ± 1 70 ± 5 365 ± 110
Дифференцированный эшафот рис. 5e Внутренняя часть 14 ± 2 12 ± 1 70 ± 8 315 ± 110
Внешняя часть 18 ± 1 45 ± 8 230 ± 80

Таблица 3. Информация о структуре из внутренней и внешней частей градуированных пористых каркасов (фиг.5В и фиг 5Е) до и после уплотнения с точки зрения г-высоты, пористости и среднего размера пор, измеренного микро-КТ.

Начальной пористости пористой Ti (%) Перед уплотнением После уплотнения (ФП = 5%)
Жесткость (ГПа) Предел текучести (МПа) Жесткость (ГПа) Предел текучести (МПа)
50 19 143 44 > 370
60 13 130 42 > 370
70 5 58 35 > 370

Таблица 4. Жесткость и прочность выход из пористых каркасов Ti (IP = 50, 60, 70%) до и после уплотнения (Адаптировано с разрешения Elsevier, Юнг и др., 2015).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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

В то время как biometal системы были широко использованы для биомедицинских применений, в частности, в качестве несущих материалов, высокой жесткостью и низкой биологической активности металлов рассматривались как основных проблем. В этом исследовании мы установили способ изготовления новой системы металла, уплотненного пористой металлической эшафот, который имеет биомиметических механические свойства, а также биологически активные поверхности с устойчивым поведением релиза. Основные преимущества нашей технологии изготовления включают 1) без изменений в предыдущем методе литья динамического замораживания, которые мы уже разработали, 28 2) контроль одного параметра-степени уплотнения в деле достижения как механическое расширение и устойчивого поведения высвобождения биомолекул из пористой металлические каркасы и 3) потенциальное применение функционально градиентных материалов.

Одним из важнейших шагов, необходимых для получения уплотненного пористого металла является изготовление пористой Ti, которая обладает двумя важными Функции персональногоразрешение: 1) пластичность, чтобы контролировать скорость высвобождения биологически активных молекул и механических свойств и 2) высокая взаимосвязанность пор, чтобы загрузить и освободить биомолекул. Тем не менее, ранее сообщалось пористого титана каркасов, полученные с использованием метода пространства держатель, метод шаблона губку, порошковой металлургии, показали либо ограниченную взаимосвязанность пор или пластичность. 14,24,29 В частности, примеси в ходе реакции металлических порошков с другом окружающих Материалы в процессе термообработки, как известно, значительно снизить пластичность материала, потому что металлические порошки находятся в контакте со вторым материалов (например, пространство держатель или шаблон полимера), в результате чего хрупкого разрушения при механических испытаний. 14,24,29 Таким , для изготовления уплотненного пористого металла, примеси должны быть сведены к минимуму для большинства обычных методов изготовления. Чтобы избежать этого осложнения, мы исследовали морфологию пористого и механические поведения уплотнительныеF пористые титановые каркасы изготовлены с использованием замораживания литье методом камфеном для того, чтобы свести к минимуму взаимодействие между металлическими порошками и жидкой фазы. 26,28,30-33

Недостатком обычного метода литья замораживание является то, что часто приводит к направленной поровых каналов (Фигура 2В, верхнее изображение). С другой стороны, с динамической литья сублимационной форма и размер пор оказались более равномерное, чем в обычном литье сублимационной и распределение пор в пределах помост практически случайным образом. . Эти структурные особенности пористых каркасов из динамического замораживания литье шоу изотропное механическое поведение, таким образом, позволяя уплотнению в закрытом форму под давлением 26,28 одноосного При динамическом литья замораживания, два крупных события происходят в металлической суспензии: 1) рост кристаллов фазы камфена и 2) перераспределение металлических порошков и затвердевает камфен в пределах оставшегося в жидкой фазе, избегая сedimentation. Гравитация вызывает металлических порошков для разделения, пока жидкость не камфен полностью затвердевает. Непрерывный поворот суспензии вблизи температуры плавления камфен дает достаточное количество времени для сферических кристаллов камфен расти равномерно, что позволяет случайное и равномерное распределение Ti порошков и кристаллов камфен, как показано на рисунке 1С.

После процесса охлаждения, полностью затвердевает Ti-камфен, полученную двухфазную был сырец (Фигура 1В). Для того, чтобы полностью удалить из камфен затвердевшего зеленого тела без структуры разрушающейся, камфен был сублимированной в вакуумном эксикаторе при -20 ° С. После удаления фазы камфена, зеленый тело стало пористым, состоящий только из Ti порошка. Поскольку не существует никакого взаимодействия между частицами Ti, пористый Ti зеленый тело хрупкой так, что требуется осторожное обращение. Чтобы избежать прямого обращения зеленого тела с руками до термической обработкиние, керамический тигель был выбран для контейнера неспеченного тела для сублимационной сушки и спекания. Контейнер с зеленого тела был помещен в вакуумную печь сразу после лиофилизации и термообработки при 1300 ° С, что позволяет сырец, чтобы быть полностью уплотнены без значительных дефектов в металлических распорок. Для оценки образцов, пористые блоки Ti были разрезаны на более мелкие пористые цилиндров Ti, потому что геометрия и размеры пористых образцов должны быть идентичными (2А). Все образцы были успешно обработаны без каких-либо значительных дефектов (рис 2В и 2С). В зависимости от количества Ti мощности в суспензии, Ti каркасы с различной пористостью были получены со сферическими формами и случайно распределенными порами (фиг.2с).

После пористые леса Ti были получены с использованием динамического метода литья замораживания как сообщалось в нашем предыдущем СТЮду, 28 биомолекулы были нанесены на поверхность Ti и уплотнения с покрытием пористой Ti было выполнено, как показано на фигуре 3А. Для того чтобы избежать любого загрязнения или денатурации биомолекул, процесс нанесения покрытия было проведено на чистом столе при комнатной температуре в течение 24 ч, после пористые каркасы в автоклаве и тщательно вычистить. Чтобы свести к минимуму потери покрытых биомолекул до уплотнения, процесс очистки было сведено к минимуму после того, как процесс нанесения покрытия проводили. Процесс уплотнения контролировали приложенного деформации пористых образцов Ti в Z-направлении, преобразуется в напряжение, ε ZZ. 26 В зависимости от начальной пористости каркасов Ti, приложенного напряжения и соответствующие окончательного пористость варьировали (Таблица 2 ). В целях обеспечения уплотненных пористых каркасов с различными начальными пористости имели одинаковые конечные геометрии и размеров, приложенное напряжение в INDIVIдвойные каркасы была рассчитана и общая высота образца (длина в направлении оси Z.) каждого образца затем предсказать, прежде чем уплотнение. Рисунок 3D показывает, что различные высоты отдельных пористых образцов с различной пористостью может привести к уплотненной пористого образца с одинаковой окончательной высоты в Окончательный же пористость.

Контролируя степень уплотнения уплотненный пористые каркасы имеют уникальный механические свойства с пролонгированным высвобождением из биомолекул с покрытием. Применяемая штамм меняется два важных параметров пористых каркасов Ti: окончательный пористость и размер пор. Пористые каркасы с низкой пористостью показать более высокую жесткость и прочность. Наш предыдущий исследование показало, поведение напряженно-деформированного уплотненных пористых каркасов с повышенной прочностью по сравнению с пористой Ti (таблица 4), а также значительно снижается жесткость по сравнению с коммерческой плотной Ti. 26 В этом исследовании мы также наблюдали йэлектронной выпуск поведение уплотненного пористого титана по сравнению с обоими плотной и пористой Ti через визуализируется обнаружения слоя GFP-покрытием, как показано на рисунке 4. Результаты были совместимы с нашей предыдущей работе, 26, в котором уплотненные пористые каркасы обладают значительно улучшенное поведение выпуск из материалов с покрытием, продлевая время восстановления до четырех месяцев в связи с увеличением torturosity каркасов с уменьшением размеров пор. Текущего теста 30 день высвобождением четко показывает оставшееся GFP на поверхности уплотненного пористого титана в отличие от не GFP остатка на либо плотных или пористых поверхностей Ti.

Наконец, метод уплотнения была применена к производству функционально-градиентных пористых каркасов, в котором внутренняя и внешняя части имеют различную пористость. Для цилиндрической эшафот, дифференцируя Z-высоты внутренних и внешних частей может легко привести к градуированных пористых каркасов, как показано на рисунке 5, Применяемая деформации (ε ZZ) на внутренней части в пористой Ti помост, показанном на фиг.5В был ~ 0,27, в результате чего в конечном пористости ~ 57%, в то время как не штамм не была применена к внешней части. С другой стороны, приложенное напряжение (ε ZZ) на внешней части в пористой Ti помост на фиг.5В был ~ 0,33, в результате чего в конечном пористости ~ 45%, тогда как внутренняя часть была почти без изменений, сохраняя первоначальную пористость (Таблица 3). Тем не менее, две основные проблемы градуированных пористых каркасов наблюдались из этого эксперимента. Во-первых, непрерывный внутренний и внешние части индуцированной стрессом и непоследовательное распределение деформаций внутри строительные леса; Таким образом, уплотнение произошло неоднородно, где регионы вокруг верхних и нижних поверхностей были более плотными, чем те, вокруг внутренней поверхности. Эта тенденция была критической, как разница в высоте из двух частей увеличена. Кроме того, оцениваются Poroнам эшафот с плотной внутренней части было сложнее в производстве, чем каркасом с плотной внешней части, потому что уплотнение внутренней части, должны быть выполнены, будучи ограничен с внешней стороны, в результате чего неоднородной деформации в двух частях. Чтобы решить неоднородное уплотнение градуированной эшафот, мы разработали два отдельных частей, которые могут быть собраны во время процесса уплотнения. Даже если в этом документе, оптимальное условие для получения идеально изготовленный градуированную пористую структуру еще не была полностью, потенциал процесса уплотнения для производства градиентной структуры хорошо подтверждена. Оптимизированный Способ изготовления градуированной пористой структуры на подъем, и, как дальнейшей работы, селективный загрузка лекарственного средства в градиентной структуры будут исследованы на функционального поведения высвобождения помост.

Преимущества предлагаемого подхода в этом исследовании, включают 1) лучше MEChanical совместимость с биологическими тканями с хорошей прочностью и 2) длительное биологической для лучшего биологического производительности. Тем не менее, одним из основных недостатков является уменьшенным размером пор, что не может способствовать врастание кости через поры сети металлических каркасов для лучшего интерфейса костного имплантата. Чтобы решить эту проблему, градуированные пористые структуры были предложены, в которой пористые и плотные части сосуществовать; Таким образом, пористые части позволяют врастание кости, в то время как плотные части обеспечивают механическую стабильность и биологическую активность длительное. Таким образом, функционально-градиентных имплантаты Ti с помощью различных структурных конструкций будут изготовлены и проходят, в частности, с упором на улучшение возможностей интеграции кости. Кроме того, еще одно ограничение должно быть изготовление имплантатов со сложной геометрией. Для того, чтобы получить сложной формы имплантата (например, бедренной конуса увеличения), дополнительный процесс обработки требуется после уплотнения, наложения два главных недостатка поконечный продукт: неэффективно и неэкономично расход материала, так как значительный объем пористого Ti блока часто удаляется в процессе, и возможного загрязнения и потери биомолекул с покрытием в процессе обработки. Улучшение на процесс изготовления пористых каркасов Ti со сложной геометрией продолжается. Уплотненные пористые металлические каркасы могут быть применены к различным ортопедической практике, например, замены искусственного диска, заменив либо объемных или пористые металлические имплантанты, и действующий в качестве опоры нагрузки, а в качестве носителя лекарственного средства.

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).
Изготовление механически перестраиваемых и биологически активных металлов строительные леса для биомедицинских применений
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter