JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

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:
    figure-protocol-7533
    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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

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 относи?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

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 ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

The authors declare that they have no competing financial interests.

Благодарности

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Titanium powderAlfa Aesar#42624-325 mesh, 99.5% (metals basis)
CampheneSigmaAldrich#45605595%, C10H16
KD-4Croda­Hypermer, polymeric dispersant
Phosphate Buffer Solution (PBS)WelgeneML 008-01­
Green Fluorescent Protein (GFP)Genoss Co.->98% purity, 1 mg/ml
Ball mill ovenSAMHENUG ENERGYSH-BDO150­
Freeze dryerIlshin Lab.PVTFD50A­
Cold isostatic pressing (CIP) machineSONGWON SYSTEMSCIP 42260­
Vaccum furnaceJEONG MIN INDUSTRIALJM-HP20­
electical chaege machineFANUC robocut0iBExternal use
Press machineCG&SAJP-200­
Confocal laser scanning spectroscopy (CLSM)OlympusFluoView FV1000External use

Ссылки

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

106

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены