Fabrication de mécanique accordable et bioactifs Métal échafaudages pour des applications biomédicales

Résumé

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.

Résumé

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

Alors que biomatériaux métalliques ont été largement utilisés comme implants porteurs et dispositifs de fixation interne en raison de leur excellente résistance mécanique et de la résilience, ^1-3 ils impliquent deux défis essentiels: 1) inadéquation mécanique parce que les métaux sont beaucoup plus rigides que les tissus biologiques, causant des dommages indésirables aux tissus environnants et 2) à faible bioactivité qui aboutit souvent à une mauvaise interface avec les tissus biologiques, provoquant souvent des réactions de corps étranger (par exemple, une inflammation ou thrombose). ^4-6 échafaudages métalliques poreux ont été proposées pour favoriser la croissance osseuse dans les structures, l'amélioration . contact os-implant tandis que les effets du stress de blindage sont supprimées en raison de leur rigidité réduite ^7-9 En outre, diverses modifications de surface ont été appliquées pour améliorer les activités biologiques des implants métalliques; de telles modifications comprennent le revêtement de la surface métallique avec des molécules bioactives (par exemple, croissance de facteurs) ou des médicaments (par exemple, la vancomycine, la tétracycline). ^10-12 Cependant, des problèmes tels que les propriétés mécaniques réduites des échafaudages métalliques poreux, ont diminué la rigidité et la libération rapide des couches de revêtement bioactif restent en suspens. ^13-16

En particulier, le titane (Ti) et Ti alliages sont l'un des systèmes les plus populaires biométaux raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, la stabilité chimique et une bonne biocompatibilité. ^13,17-19 Leurs applications en forme de mousse ont également attiré l'intérêt croissant parce que la 3D réseaux poreux promouvoir la croissance osseuse en plus des propriétés mécaniques des os ressemblant. ^20-22 efforts ont été faits pour améliorer les propriétés mécaniques en développant de nouvelles techniques de fabrication, y compris la réplication de l'éponge polymère, le frittage des particules métalliques, prototypage rapide méthode (RP), et Procédé espace de maintien afin de commander les différentes caractéristiques des pores (par exemple, la fraction de pores,forme, la taille, la distribution, et de connectivité) et les propriétés des matériaux (par exemple, la phase métallique et impuretés). ^23-25 ​​Récemment, la coulée de gel de la suspension métallique à base d'eau a gagné une attention considérable pour produire mécaniquement améliorés formes Ti avec pores bien aligné structures en utilisant la croissance de dendrites de glace lors de la solidification unidirectionnelle; Cependant, la contamination de l'oxygène causée par le contact de poudres métalliques avec de l'eau nécessite des soins particuliers afin de minimiser la fragilisation des échafaudages Ti ^14,15.

Par conséquent, nous avons développé une nouvelle approche de la fabrication des échafaudages Ti poreuses bioactifs et mécaniquement accordables. ²⁵ Les échafaudages ont initialement structures poreuses avec une porosité de plus de 50%. Les supports poreux fabriqués ont été revêtues avec des molécules bioactives et ensuite compressés en utilisant une presse mécanique au cours de laquelle la porosité finale, les propriétés mécaniques et le comportement de libération de médicament ont été contrôlés par l'applisouche éd. Les implants Ti poreuses densifiées ont montré une faible porosité avec une bonne résistance malgré la faible rigidité comparable à celle de l'os (3-20 GPa). ² En raison de la couche de revêtement, la bioactivité de la poreuse densifiée Ti a été significativement améliorée. En outre, en raison des structures uniques de pores plates induites par le processus de densification, les molécules bioactives revêtus ont été vus pour être progressivement libéré à partir de l'échafaudage, en conservant leur efficacité pendant une période prolongée.

Dans cette étude, nous avons présenté notre méthode établie pour fabriquer des échafaudages Ti poreuses densifiées pour utilisation potentielle dans des applications biomédicales. Le protocole comprend la coulée de congélation dynamique avec des boues de métaux et la densification des supports poreux. Tout d'abord, pour fabriquer des échafaudages Ti poreuses avec une bonne ductilité du procédé de congélation de coulée dynamique a été présenté comme le montre la figure 1A. Poudre de Ti a été dispersé dans camphène liquide; ensuite, en diminuant la température,la phase liquide est solidifié, ce qui entraîne la séparation de phase entre le réseau de poudre de Ti et de camphène cristaux solides. Par la suite, le corps vert solidifié Ti-camphène a été frittée dans laquelle les poudres de Ti ont été condensés avec des entretoises continues Ti, et la phase de camphène a été complètement éliminé pour obtenir une structure poreuse. Le revêtement et le processus de densification avec les supports poreux obtenus ont été utilisés, en faisant varier le degré de densification et de la porosité initiale. La couche de revêtement et de son comportement de libération ont été visualisés et quantifiés en utilisant la protéine fluorescente verte (GFP) doté d'un revêtement poreux Ti avec et sans densification par rapport à la GFP-Ti revêtu dense. Enfin, les échafaudages Ti fonctionnellement gradués qui ont deux structures poreuses différentes ont été proposées et mises en évidence par la variation de degré de densification des parties interne et externe de l'échafaudage poreux.

Protocole

1. Fabrication de métal poreux échafaudages

1. Préparer boues Ti-camphène par mélange disponible dans le commerce poudre de Ti, camphène, et KD-4 après avoir pesé les quantités appropriées de matériaux tel que décrit dans le tableau 1 pour les échafaudages Ti poreuses avec quatre porosités initiales (40, 50, 60, et 70). Pour les suspensions dans 500 ml de polyéthylène (PE) et faire pivoter les bouteilles des bouteilles à 55 ° C pendant 30 min dans un four broyeur à boulets à 30 tours par minute.
2. Pour les boues provenant des bouteilles en PE en aluminium cylindrique (Al) des moules d'un diamètre de 60 mm et une hauteur de 60 mm. Sceller chaque moule Al à la lamelle Al correspondant et faire pivoter les moules dans un four broyeur à boulets à une vitesse de 30 tours par minute à 55 ° C pendant 10 min.
   1. Par la suite, diminuer la température du four broyeur à boulets à 44 ° C, et de façon continue les moules de tourner à une vitesse de 30 tours par minute à la température constante de 44 ° C pendant 12 heures.
3. Sortez le moule du balmoulin four après la rotation outre les moules à la température ambiante pendant 1 heure pour le processus de refroidissement. Retirez le corps vert titane / camphène solidifié du moule Al en utilisant un plongeur Al.
4. Placez le corps vert titane / camphène solidifiée dans un sac en caoutchouc à la main et sceller complètement le sac en caoutchouc en liant la bouche du sac avec une chaîne. Placez le sac en caoutchouc dans le réservoir d'eau d'une pression (CIP) Machine isostatique à froid et d'appliquer une pression isostatique de 200 MPa pendant 10 min. Retirez le corps vert comprimé provenant du sac en caoutchouc.
5. Transférer le corps vert Ti-camphène sur un creuset en alumine à la main et placer le creuset dans la machine à lyophilisateur. Lyophiliser le corps vert pour sublimer la phase de camphène dans le corps vert à - 40 ° C pendant 24 heures.
6. Par la suite, fermer le creuset avec une lamelle d'alumine et de placer le creuset fermé dans un four sous vide (inférieur à 10 ^-6 Torr) à température ambiante. Ensuite, augmenter la température du four à 1300 ° C à un chauffage rmangé de 5 ° C / min et maintenir la température à 1300 ° C pendant 2 heures.
7. Après le traitement thermique, garder la fritte poreux Ti dans le four pour 7/6 heure jusqu'à ce que le four est complètement refroidi à température ambiante.
   Remarque: Au cours de six heures de la phase de refroidissement, la vitesse de refroidissement moyenne du four au-dessus de 400 ° C est d'environ 15 ° C / min et la vitesse de refroidissement moyenne de la chaudière au-dessous de 400 ° C est d'environ 2 ° C / min.
8. Si nécessaire, couper le bloc de fritté poreux Ti en échantillons en forme de disque d'un diamètre de 16 mm grâce à l'usinage par électroérosion (EDM). ²⁷
   Remarque: En fonction de la taille des moules Al, la taille de la fritte poreux Ti doit être modifiée au cours du processus d'usinage (figure 2A).
9. Placer un bêcher en verre avec les échantillons poreux Ti dans un autoclave et stériliser les échantillons à 121 ° C pendant 15 min. Retirer les échantillons de l'autoclave. Laver les échantillons Ti poreuses avec de l'eau distillée deux fois et ensuite avec 70% d'éthanol deux fois.Enfin, laissez le Ti poreux dans une boîte de Petri et sécher à l'air les échantillons à température ambiante sur un banc propre sous lumière UV.

2. Plonger Revêtement des échafaudages avec des agents bioactifs

1. Diluer le commercial vert Fluorescence Protein (GFP) de 1 mg / ml à 100 pg / ml dans un banc de nettoyage en mélangeant 1 ml de la GFP avec 9 ml de tampon phosphate salin (DPBS, pH 7,4) la solution de Dulbecco dans un 10 ml stérilisés polystyrène (PS) tube comme indiqué dans le tableau 1.
2. Immerger le Ti poreux dense ou stérilisé dans 10 ml de solution diluée de la GFP (100 ug / ml) en plaçant les échantillons de Ti dans le tube de PS avec la solution à la température ambiante de la GFP et la mise sur un banc de nettoyage.
3. Placer le tube de PS dans un dessiccateur à vide et évacuer le dessiccateur pendant 10 min pour assurer la GFP solution pénètre dans les pores du Ti poreux de manière plus efficace.
4. Retirez le titane poreux du tube de PS en utilisant une pince à épiler. Placer la GFP-Ti poreux revêtu dans un diamètre de 10 cm Peplat tri et sécher à l'air O / N à température ambiante sur un banc propre.
5. Rincer le Ti poreuse deux fois avec 10 ml de solution saline tamponnée phosphate de Dulbecco (DPBS) dans un récipient en verre, et déplacer le Ti poreuse dans une boîte de Pétri de diamètre 10 cm en utilisant une pince à épiler et sécher à l'air à température ambiante sur un banc propre.

3. La densification des échafaudages poreux

1. Placer les échantillons Ti poreuses GFP-enduit avec différentes hauteurs dans un moule cylindrique en acier, et insérer un ensemble de coups de poing dans les trous du haut et du bas de la matrice en acier (figure 3A).
2. Comprimer le Ti poreux à l'intérieur de l'ensemble de matrice de l'acier à la température ambiante dans la direction z de l'échantillon (figure 3A) en utilisant une machine de presse à des vitesses de déformation intermédiaires de 0,05 ~ 0,1 ^sec -1 contre les souches appliquées prédéterminées indiquées dans le tableau 2. Maintenir la pression pendant 1 min avant le déchargement.
3. Retirer les échantillons Ti densifiées de la matrice de l'acier. Laver deux fois les échantillons densifiées avec 10 ml de DPBSdans un bécher et sécher à l'air O / N à température ambiante sur un banc propre.

4. test de libération d'échafaudages GFP-enduit

1. Immerger trois types de spécimens (GFP revêtu dense Ti (après les étapes 2), GFP-poreux revêtu Ti (après les étapes 1 et 2) et GFP-enduit poreux densifié Ti (étapes 1-3) après) dans 5 ml de DPBS (pH 7,4) solution contenue dans un tube stérilisé PS 10 ml à 37 ° C sur un banc de nettoyage.
2. D'aspiration sur toute la solution DPBS à partir de chaque tube de PS avec l'échantillon de GFP-revêtu et à reconstituer avec une solution de nouveaux 5 ml de DPBS (pH 7,4) en utilisant une pipette en fonction des temps prédéterminés de 1, 2, 3, 5, 8, 12, 15, 22 et 29 jours après l'immersion.
3. Prendre des images de fluorescence de la GFP des échantillons revêtus avant l'immersion (jour 0) et après 22 jours d'immersion en utilisant la spectroscopie à balayage laser confocal (CLSM).
4. Mesurer l'intensité du signal de fluorescence de la GFP sorti en 1 ml de solution sur un total de 5 ml de solution DPBS tirée de chaque tube de PS dans la section 4.2 à l'aideSpectroscopie UV à une longueur d'onde de 215 nm. Autre la valeur d'intensité dans la concentration de la solution de la GFP en utilisant la courbe standard.
   Remarque: Avant la mesure, établir la courbe d'étalonnage de la solution de GFP par mesure de la fluorescence d'intensité de signal de la solution de la GFP dans la gamme de concentration de 0 ng / ml - 10 ng / ml.

5. Fabrication de gradués poreux Ti échafaudages

1. Produire un bloc de la fritte poreux Ti en répétant l'étape 1.1 à l'étape 1.7.
2. La machine le bloc fritté Ti poreuse selon les conceptions de structure prédéterminée (par exemple, la figure 5a et 5d) par EDM.
3. Placer les échantillons Ti usinées avec une distribution de taille dans une matrice en acier dont le diamètre poreux de Ti est d'environ 0,1 mm plus petit que le diamètre de la filière et insérer un jeu de poinçons dans les trous supérieur et inférieur de la matrice de l'acier.
4. Effectuer les étapes 3.2 et 3.3.

6. La porosité de moiasurement de Ti échafaudages

1. Mesurer la masse (m _s) d'échafaudages Ti.
2. Calculer le volume apparent _{(V s)} par la mesure de longueur, la largeur et la hauteur des échafaudages Ti.
3. Calculer la porosité en utilisant l'équation suivante:
   
   où P est le pourcentage total de porosité, ρ est la densité _Ti théorique du titane et m _{S /} V _{S est la} densité mesurée de l'échantillon.
   Remarque: La porosité d'échantillons de Ti peut être récupéré directement à partir des images microCT après microCT imagerie est effectuée en utilisant un scanner de tomographie assistée par micro-calculée.

Résultats

Le procédé de fabrication utilisé pour produire des échafaudages Ti poreux est illustré sur la Figure 1A. Poudre de Ti est maintenu dispersé de façon homogène dans camphène par rotation continue du récipient à 44 ° C pendant 12 heures et, tout en camphène liquide est complètement solidifié, des sédiments de poudre de Ti relativement lourde peuvent être minimisés. En conséquence, le corps vert homogène Ti-camphène a été produit en utilisant le procédé dynamique gel de coulée com...

Discussion

Alors que les systèmes biométaux ont été largement utilisés pour des applications biomédicales, en particulier, en tant que matériaux porteurs, une rigidité élevée et une faible bioactivité des métaux ont été considérées comme des défis majeurs. Dans cette étude, nous avons établi la méthode de fabrication d'un nouveau système de métal, un échafaudage métallique poreuse densifiée qui a des propriétés mécaniques biomimétiques ainsi que surface bioactive avec le comportement de libération...

matériels

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, 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