Tillverkning av mekaniskt Avstämbara och Bioactive Metal Byggnadsställningar för biomedicinska tillämpningar

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…

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