Summary

Tillverkning av mekaniskt Avstämbara och Bioactive Metal Byggnadsställningar för biomedicinska tillämpningar

Published: December 08, 2015
doi:

Summary

Bioactive and mechanically reliable metal scaffolds have been fabricated through a method which consists of two processes, dynamic freeze casting for the fabrication of porous Ti, and coating and densification of the Ti scaffolds. The densification process is simple, effective and applicable to the fabrication of functionally graded scaffolds.

Abstract

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness and low bioactivity of metals. In this study, we have developed a new method towards fabricating a new type of bioactive and mechanically reliable porous metal scaffolds-densified porous Ti scaffolds. The method consists of two fabrication processes, 1) the fabrication of porous Ti scaffolds by dynamic freeze casting, and 2) coating and densification of the porous scaffolds. The dynamic freeze casting method to fabricate porous Ti scaffolds allowed the densification of porous scaffolds by minimizing the chemical contamination and structural defects. The densification process is distinctive for three reasons. First, the densification process is simple, because it requires a control of only one parameter (degree of densification). Second, it is effective, as it achieves mechanical enhancement and sustainable release of biomolecules from porous scaffolds. Third, it has broad applications, as it is also applicable to the fabrication of functionally graded porous scaffolds by spatially varied strain during densification.

Introduction

Även metalliska biomaterial har använts i stor utsträckning som bärande implantat och interna fixeringsanordningar på grund av deras utmärkta mekaniska styrka och uthållighet, 1-3 de innebär två viktiga utmaningar: 1) mekanisk obalans eftersom metaller är mycket styvare än biologiska vävnader, vilket leder till oönskade skador till de omgivande vävnaderna och 2) låg bioaktivitet som ofta resulterar i dålig gränssnitt med biologiska vävnader, ofta provocera främmande kropp reaktioner (t ex, inflammation eller trombos). har 4-6 Porösa metallställningar föreslagits för att främja beninväxt i strukturerna, förbättra . ben-implantatkontakt, medan spännings sköld effekter undertrycks på grund av deras reducerade styvhet 7-9 Dessutom har olika ytmodifikationer tillämpats för att förbättra de biologiska aktiviteterna av metalliska implantat; sådana modifieringar innefattar beläggning av metallytan med bioaktiva molekyler (t.ex., tillväxt factorer) eller läkemedel (t.ex. vancomycin, tetracyklin). 10-12 emellertid problem såsom minskade mekaniska egenskaper hos porösa metall ställningar, minskad styvhet och snabb frisättning av bioaktiva beläggningsskikten fortfarande är olösta. 13-16

I synnerhet titan (Ti) och Ti-legeringar är en av de mest populära biometal system på grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper, kemisk stabilitet, och god biokompatibilitet. 13,17-19 Deras skumformade ansökningar har också rönt allt större intresse, eftersom 3D porösa nätverk främja beninväxt utöver benliknande mekaniska egenskaper. 20-22 Ansträngningar har gjorts för att förbättra de mekaniska egenskaperna genom att utveckla nya tillverkningstekniker som replikering av polymert svamp, sintring av metallpartiklar, snabb prototypmetod (RP), och space hållare metod för att styra olika funktioner i porerna (t.ex. por fraktion,form, storlek, distribution, och anslutnings) och materialegenskaper (t.ex. metalliska fas och förorenings). 23-25 ​​Nyligen har frys gjutning av vattenbaserade metall slurry fått stor uppmärksamhet för att producera mekaniskt förbättrade Ti former med väl i linje pore strukturer genom att utnyttja den enkelriktade isen dendrittillväxt under stel; Men föroreningar syre orsakad av kontakt mellan metallpulver med vatten kräver särskild omsorg för att minimera sprödhet hos Ti ställningar. 14,15

Därför har vi utvecklat en ny strategi för att tillverka bioaktiva och mekaniskt avstämbara porösa Ti ställningar. 25 De byggnadsställningar har inledningsvis porösa strukturer med en porositet av mer än 50%. De tillverkade porösa ställningar belades med bioaktiva molekyler och sedan komprimeras med hjälp av en mekanisk press under vilken den slutliga porositet, mekaniska egenskaper och läkemedelsfrisättningsbeteende kontrollerades tillämped-stam. De förtätade porösa Ti implantat har visat låg porositet med god styrka trots den låga styvhet som är jämförbar med den hos ben (3-20 GPa). 2 På grund av beläggningsskiktet, var bioaktiviteten hos den förtätade porösa Ti förbättrats avsevärt. Dessutom, på grund av de unika plana porstrukturer inducerade av förtätningsprocessen, var de belagda bioaktiva molekyler ses att gradvis frigöras från ställningen, upprätthålla deras effektivitet under en längre period.

I denna studie, introducerade vi vår etablerad metod att tillverka förtätade porösa Ti ställningar för potentiell användning i biomedicinska tillämpningar. Protokollet innehåller dynamiska frysning gjutning med metallslam och förtätning av porösa ställningar. Först, för att tillverka porösa Ti ställningar med god duktilitet den dynamiska frysgjutningsmetoden infördes, såsom visas i Figur 1A. Ti pulver dispergerades i flytande kamfen; sedan, genom att sänka temperaturen,vätskefasen stelnade, vilket resulterar i fasseparation mellan pulvernätet Ti och fasta kamfen kristaller. Därefter fick stelnade Ti-kamfen grönkropp sintras i vilken Ti pulver kondenserades med kontinuerliga Ti strävor och kamfen fasen avlägsnades fullständigt för att erhålla en porös struktur. Beläggningen och förtätningsprocessen med de erhållna porösa stöden användes, variera graden av förtätning och initiala porositet. Beläggningsskiktet och dess frisättning beteende visualiserades och kvantifierades med användning av grönt fluorescerande protein (GFP) -belagda porös Ti med och utan förtätning jämfört med GFP belagda tät Ti. Slutligen var funktionellt graderade Ti byggnadsställningar som har två olika porösa strukturer föreslagits och demonstrerats genom att variera graden av förtätning av de inre och yttre delarna av de porösa ställningar.

Protocol

1. Tillverkning av porös metall Byggnadsställningar Förbered Ti-kamfen slam genom att blanda kommersiellt tillgängligt Ti pulver, kamfen och KD-4 efter vägning lämpliga mängder av material som beskrivs i tabell 1 för porösa Ti ställningar med fyra inledande porositeter (40, 50, 60 och 70). Häll uppslamningarna i 500 ml polyeten (PE) flaskor och rotera flaskorna vid 55 ° C under 30 min i en kulkvarn ugn vid 30 varv per minut. Häll uppslamningarna från PE-flaskor till cy…

Representative Results

Tillverkningsprocessen används för att producera porösa Ti byggnadsställningar illustreras i figur 1A. Ti-pulver hålls dispergeras homogent i kamfen genom kontinuerlig rotation av behållaren vid 44 ° C under 12 timmar och, medan flytande kamfen är helt stelnat, kan eventuella sediment av relativt tunga ti pulver minimeras. Som ett resultat var den homogena Ti-kamfen grönkropp som framställts med användning av den dynamiska frysgjutningsprocessen, såsom visas i figur …

Discussion

Även biometal system har använts i stor utsträckning för biomedicinska tillämpningar, i synnerhet, som bärande material, hög styvhet och låg bioaktivitet av metaller har betraktats som stora utmaningar. I denna studie har vi etablerat tillverkningsmetoden för ett nytt metallsystem, en förtätad porös metallbyggnadsställning som har biomimetiska mekaniska egenskaper samt bioaktiva ytan med beteende hållbar release. De stora fördelarna med vårt tillverkningsmetod inkluderar en) ingen förändring i den tidi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by the Technology Innovation Program (Contract grant No. 0037915, WPM Biomedical Materials-Implant Materials) and Industrial Strategic Technology Development Program (Contract grant No. 10045329, Development of customized implant with porous structure for bone replacement), funded by the Ministry of Trade, industry & Energy (MI, Korea), and BK21 PLUS SNU Materials Division for Educating Creative Global Leaders (Contract grant No. 21A20131912052).

Materials

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, 1mg/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

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).

Play Video

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

View Video