Biyomedikal Uygulamalar için Mekanik ayarlanabilir ve Biyoaktif Metal iskelelerinin Fabrikasyon

Bu prosedürün genel amacı, biyomedikal uygulamalar için mekanik olarak ayarlanabilir ve biyoaktif metal iskeleler üretmektir. Bu yöntem, ilaç iletimi yapabilen, mekanik olarak ayarlanabilir bir metal iskelenin fizibilitesi gibi ortopedik implant alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu geliştirme yöntemi, yalnızca tek bir kontrol gerektirdiği için basittir.

Parametreler hem mekanik iyileştirme hem de sürdürülebilir ilaç salınımı sağlar ve fonksiyonel gözenekli yapıların üretimine olanak tanır. İlk olarak, dört farklı başlangıç gözenekliliğine sahip gözenekli titanyum iskeletler için uygun miktarlardaki titanyum tozunu, kafeini ve KD four'u 500 milliliterlik polietilen şişelere karıştırın. Şişeleri bir bilyalı değirmen fırınında 55 °C'de 30 RPM hızla 30 dakika boyunca döndürün. Polietilen şişelerdeki bulamaçları, 60 mm çapında ve yüksekliğinde olan silindirik alüminyum kalıplara boşaltın.

Her bir alüminyum kalıbı alüminyum bir kapak lam ile mühürledikten sonra, kalıpları bir bilyalı değirmen fırınında 55 °C'de 10 dakika boyunca 30 RPM hızla döndürün. Ardından, bilyalı değirmen fırınının sıcaklığını 44 °C'ye düşürün ve kalıpları 44 °C'de 12 saat boyunca sürekli olarak 30 RPM hızla döndürün. Kalıpları oda sıcaklığında bir saat boyunca döndürerek soğuttuktan sonra, onları bilyalı değirmen fırınından çıkarın.

Ardından, katılaşmış titanyum kafein yeşil gövdeyi bir alüminyum itici kullanarak her bir alüminyum kalıptan çıkarın. Bunun ardından, katılaşmış titanyum kafein yeşil gövdeyi bir kauçuk torbaya yerleştirin ve torbayı bir iple bağlayarak tamamen kapatın.

Kauçuk torbayı bir soğuk izostatik pres makinesinin su tankına yerleştirin ve 10 dakika boyunca 200 megapascals izostatik basınç uygulayın. Kauçuk torbayı makineden çıkardıktan sonra, sıkıştırılmış yeşil gövdeyi kauçuk torbadan çıkarın. Titanyum kafein yeşil gövdesini bir Illumina potasına aktarın.

Potayı bir dondurarak kurutma makinesine yerleştirin ve kafein fazını süblime etmek için yeşil gövdeyi -40 °C'de 24 saat boyunca dondurarak kurutun. Dondurarak kurutma işleminin ardından potayı bir Illumina lamı ile kapatın. Kapalı potayı oda sıcaklığındaki bir vakum fırınına yerleştirin.

Ardından, fırın sıcaklığını dakikada beş derece Celsius ısıtma hızıyla 1300 derece Celsius'ye yükseltin. Hava ile kurutulmuş yeşil gövde numuneleri genellikle zayıftır ve çökebilir. Taşıma sırasında ekstra özen gösterilmesi gerekir.

Sıcaklık iki saat boyunca 1300 degrees Celsius derecede tutulduktan sonra, merkezlenmiş gözenekli titanyumu fırın tamamen oda sıcaklığına soğuyana kadar altı ila yedi saat boyunca fırında tutun. Numuneler fırından çıkarıldıktan sonra, daha küçük örnekler elde etmek için numuneleri işleyin ve numuneleri bir cam behere aktarın. Beheri bir otoklavın içine yerleştirin ve numuneleri 121 degrees Celsius derecede 15 dakika boyunca sterilize edin.

İşlem tamamlandığında, sterilize edilmiş örnekleri iki kez distile su ile ve iki kez %70 etanol ile yıkayın. Ardından gözenekli titanyumu bir Petri kabına yerleştirin ve örnekleri oda sıcaklığında UV ışığı altında havada kurutun. Bu noktada, bir mililitre yeşil floresan proteini (GFP)'yi dokuz mililitre ECCOs fosfat tamponlu salin çözeltisi ile karıştırarak GFP'yi 100 µg/mL konsantrasyona seyreltin. 50 mL'lik steril bir polistiren tüp içerisinde, gözenekli titanyumu oda sıcaklığında seyreltilmiş GFP çözeltisine daldırın.

Ardından numuneyi hemen bir vakumlu desikatöre yerleştirin ve desikatörü 10 dakika boyunca vakumlayın. GFP solüsyonunun gözenekli titanyumun gözeneklerine daha etkili bir şekilde nüfuz etmesini sağlamak için cam beheri desikatörden çıkarın. Daha sonra, gözenekli titanyumu bir cımbız kullanarak cam beherin içinden çıkarın.

GFP kaplı gözenekli titanyumu 10 santimetre çapında bir Petri kabına yerleştirin ve temiz bir tezgah üzerinde oda sıcaklığında gece boyunca havada kurutun; ertesi gün, gözenekli titanyumu cam bir beher içinde 10 mililitre ECCOs fosfat tamponlu salin ile iki kez durulayın. Ardından gözenekli titanyumu, cımbız kullanarak 10 santimetre çapında bir Petri kabına yerleştirin ve temiz bir tezgah üzerinde oda sıcaklığında gece boyunca havada kurutun. Son olarak, farklı yükseklikteki GFP kaplı gözenekli titanyum örneklerini silindirik bir çelik kalıba yerleştirin ve çelik kalıbın üst ve alt deliklerine bir set zımba yerleştirin.

Gözenekli titanyumu, çelik kalıp düzeneği içerisinde, numunenin Z yönünde oda sıcaklığında sıkıştırın. Önceden belirlenmiş uygulanan gerinmelere karşı, bir pres makinesi kullanarak 0,05 ila 0,1 s⁻¹ arası ara gerilme hızlarında işlem yapın. Basıncı bir dakika boyunca sürdürün.

Kalıbı pres makinesinden çıkarın. Çelik halkayı kalıp gövdesinin altına yerleştirin ve kalıbı tekrar prese takın. Kalıbı ters çevirdikten sonra, piston yoğunlaştırılmış örnekleri D boşluğundan dışarı itene kadar yavaşça basınç uygulayın ve kalıbı presten çıkarın.

Yoğunlaştırılmış titanyum örneklerini çelik kalıptan çıkarın. Son olarak, yoğunlaştırılmış örnekleri bir beher içinde 10 mililitre ECCOs fosfat tamponlu salin ile iki kez yıkayın ve temiz bir tezgah üzerinde, oda sıcaklığında gece boyunca havada kurumaya bırakın. Konvansiyonel dondurarak dökümden elde edilen titanyum gözenek yapısı, kafeinin dendritik büyümesi nedeniyle düzensiz şekilli gözeneklerle birlikte yönlü gözenek hizalanması göstermektedir.

Dinamik dondurma dökümüyle elde edilen numunenin dondurulması sırasında, rastgele gözenek dağılımına sahip neredeyse küresel gözenekler görülür; yoğunlaşma derecesi arttıkça gözenek şekli yassılaşır ve en yüksek yoğunlaşmada komşu gözenekler birbirine temas ettiği için gözenekler neredeyse tamamen kaybolur. Farklı gözenekliliklere sahip dört numune, yoğunlaşma öncesinde farklı başlangıç yükseklikleri sergilerken yoğunlaşma sonrasında neredeyse aynı yüksekliklere sahiptir. Hem girintili yapıların hem de gözenekli titanyumun, çoğunun bir hafta içinde salındığı başlangıçta ani bir artış etkisiyle hızlı GFP salım davranışı gösterdiği tespit edilmiştir.

Yoğunlaştırılmış gözenekli titanyum, bir ay sonrasında bile yüzeyde GFP'yi net bir şekilde göstererek bir aya kadar sürekli salınım sergilemektedir. Daha yoğun bir çekirdeğe sahip iskele için dış kısım, mekanik işleme yoluyla kısaltılmıştır. Üst iç kısmın seçici yoğunlaştırması sonrası alınan mikro CT görüntüsü, iskelenin farklı gözenekliliklere sahip iç ve dış kısımlarını göstermektedir; dış kısımları daha yüksek, iç kısımları daha düşük gözenekliliğe sahip gözenekli titanyum, yoğunlaştırma sonrası daha yoğun bir dış kısım ile sonuçlanmış olup, bu süreçte dış kısmın gözenekliliği düşürülürken iç kısmın başlangıç gözenekliliği korunmuştur.

Bu teknik, bir geliştirme sonrası uygun şekilde uygulandığında 72 saat içinde tamamlanabilir. Bu teknik, biyomalzeme alanındaki araştırmacıların, spinal yaralanmaların tedavisi için ilaçla ilişkili ve dönüştürülmüş mekanik özelliklere sahip metalojiler üretmenin fizibilitesini keşfetmelerine yol açmıştır. Bu tekniğin etkileri, üretilen iskelenin ilaç salınımıyla birlikte yapay disk replasmanı olarak görev yapabilmesi nedeniyle spinal yaralanma tedavisine kadar uzanmıştır.