Biyomedikal Uygulamalar için Mekanik ayarlanabilir ve Biyoaktif Metal iskelelerinin Fabrikasyon

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Metalik biyomalzemeler yaygın nedeniyle mükemmel mekanik mukavemet ve esneklik, ^1-3 yük taşıyan implantlar ve internal fiksasyon cihazları olarak kullanılmış olsa da iki kritik zorlukları içerir: 1) Mekanik uyuşmazlığı metaller biyolojik dokulara daha sert olduğu için, istenmeyen hasara yol genellikle yabancı cisim reaksiyonları (örneğin, enflamasyon veya tromboz) provoke çevre dokulara ve genellikle biyolojik dokularla yoksul bir arayüz ile sonuçlanır 2) düşük biyo-için. ^4-6 Gözenekli metal iskeleleri iyileştirilmesi, yapılarda kemik büyümesini teşvik etmek için ileri sürülmüştür . Stres kalkan etkileri nedeniyle azaltılmış sertlik bastırılır ise kemik-implant temas ^7-9 Dahası, çeşitli yüzey modifikasyonlar metalik implantların biyolojik aktivitelerini geliştirmek için uygulanmıştır; Bu tür modifikasyonlar, kaplamaya biyoaktif moleküllerin (örneğin, büyüme faktörleri için metal yüzeye sahiptirları) ya da ilaçlar (örn, vankomisin, tetrasiklin). ^10-12 Ancak, bu tür gözenekli metal iskelelerinin azaltılmış mekanik özellikleri gibi sorunlar, sertlik ve biyoaktif kaplama tabakalarının hızlı salım hâlâ çözülememiştir azalmıştır. ^13-16

Özellikle, titanyum (Ti) ve Ti alaşımları için, mükemmel mekanik özellikleri, kimyasal stabilite en popüler BIOMETAL sistemlerinden biri ve iyi biyolojik uygunluktur bulunmaktadır. ^13,17-19 Bunların köpük şeklindeki uygulamalar da çeken 3D için artan bir ilgi gözenekli ağlar ^20-22 çabalar polimerik sünger çoğaltma, metal parçacıklar, hızlı prototipleme (RP) yönteminin sinterleme dahil olmak üzere yeni üretim tekniklerini geliştirerek mekanik özelliklerini geliştirmek için yapılmıştır. kemik gibi mekanik özelliklerinin yanı sıra, kemik büyümesini teşvik ve gözenekler çeşitli özelliklerini kontrol etmek için uzay tutucu yöntemi (örneğin, gözenek fraksiyonu,şekil, boyut, dağıtım ve bağlantı) ve malzeme özellikleri (örneğin, metalik faz ve kirlilik). Son zamanlarda, su bazlı metal çamurunun donma döküm iyi hizalanmış gözenek ile mekanik gelişmiş Ti formlarını üretmek için büyük ilgi görmüştür ^23-25 katılaşma sırasında tek yönlü buz dendrit büyümesini kullanarak yapılar; Ancak, su ile metal tozlarının temasından kaynaklanan oksijen kirlenme Ti iskelelerinin kırılganlığını en aza indirmek için özel bir bakım gerektirir. ^14,15

Bu nedenle, biyolojik olarak aktif ve mekanik ayarlanabilir gözenekli Ti iskeleleri imal yönelik yeni bir yaklaşım geliştirmişlerdir. ²⁵ iskeleleri, başlangıçta% 50'nin üzerinde bir gözenekliliğe sahip, gözenekli bir yapıya sahiptir. Imal gözenekli iskeleleri sonuçta elde edilen gözeneklilik, mekanik özellikler ve ilaç salım davranışı başvurunun ile kontrol edildi sırasında mekanik bir pres kullanılarak biyolojik olarak aktif moleküller ile kaplanır ve daha sonra sıkıştırılaned süzün. Yoğunlaştırılmış gözenekli Ti implantlar kemik (3-20 GPa). ² için kaplama tabakasının karşılaştırılabilir düşük sertliğe rağmen, iyi bir mukavemete sahip düşük bir gözenekliliğe göstermiştir, yoğunlaştırılmış gözenekli Ti biyo-etkinliği önemli ölçüde geliştirilmiştir. Üstelik, yoğunlaştırma işlemi ile oluşturulan eşsiz düz gözenek yapıları kaplanmış biyoaktif molekülleri yavaş yavaş, uzun bir süre boyunca etkinliğini muhafaza iskele açıklanacak görülmüştür.

Bu çalışmada, biyomedikal uygulamalarda potansiyel kullanım için yoğunlaştırılmış gözenekli Ti iskeleleri imal etmek bizim kurulan yöntemi tanıttı. Protokol metal çamurları ve gözenekli iskeleleri sıklaştırılması ile dinamik donma döküm içerir. İlk olarak, Şekil 1A gösterildiği gibi dinamik donma döküm yöntemi tanıtıldı iyi süneklik ile gözenekli Ti iskeleleri imal etmek. Ti tozu, sıvı kamfen içinde dağıtılır; daha sonra, sıcaklık düşürülerekSıvı faz Ti tozu ağı ve bir katı kamfen kristalleri arasında faz ayrımı ile sonuçlanan, katılaştırıldı. Daha sonra, katılaşmış Ti-kamfen yeşil gövde içinde Ti tozlar, sürekli Ti dikmeler ile kondanse edildi sinterlenmiştir ve kamfen fazı tamamen gözenekli bir yapı elde etmek için uzaklaştırılmıştır. Elde edilen gözenekli iskeleleri ile kaplama ve yoğunlaştırma işlemi sıklaştırılması ve ilk gözeneklilik derecesi değişen kullanılmıştır. Kaplama tabakası ve serbest bırakma davranışı görüntülendi ve yeşil flüoresan proteini (GFP) GFP-kaplanmış, yoğun Ti göre ve yoğunlaştırma, gözenekli Ti -kaplı kullanılarak ölçüldü. Son olarak, iki farklı gözenekli yapılara sahiptir fonksiyonel aşamalı Ti iskeleleri önerilen ve gözenekli iskeleler iç ve dış parçaları yoğunlaştırılması derecesini değiştirmek suretiyle gösterildi.

Protokol

Gözenekli Metal iskelelerinin 1. Fabrikasyon

1. Dört başlangıç ​​gözenek (40, 50, 60 ve 70), gözenekli Ti iskeleleri için Tablo 1 de tarif edildiği gibi malzemeler, uygun miktarlarda tartı sonra ticari olarak temin edilebilir Ti tozu, kamfen ve KD-4 karıştırılarak Ti-kamfen bulamaçlar hazırlayın. 500 ml polietilen (PE) şişelere çamurlar dökün ve 30 rpm'de bir bilyeli değirmen fırın içinde 30 dakika boyunca 55 ° C'de şişeler döndürün.
2. Silindirik alüminyum (Al) 60 mm'lik bir çapa ve 60 mm yüksekliğe sahip kalıplar içine PE şişe çamurlar dökün. Karşılık gelen Al kayar kapak ile birlikte, Al kalıp kapatın ve 10 dakika süreyle 55 ° C 'de 30 rpm bir hızda bir bilyalı değirmen fırında kalıpları döndürün.
   1. Daha sonra, 44 ° C'ye kadar bilyalı değirmen fırının sıcaklığı azaltmak ve sürekli 12 saat boyunca 44 ° C sabit sıcaklıkta 30 rpm bir hızda kalıp döndürün.
3. Ball- kalıp dışarı atınDeğirmen fırın sonra ilave bir soğutma işlemi için 1 saat süre ile oda sıcaklığında kalıp döner. Bir Al dalgıç kullanarak Al kalıp katılaşmış titanyum / kamfen yeşil gövdesini sökün.
4. Elle bir lastik torba içinde katılaşmış titanyum / kamfen yeşil vücudu yerleştirin ve tamamen bir dize ile torbanın ağzını bağlayarak lastik torbanın ağzını sıkıca kapatın. Soğuk izostatik presleme (CIP) makinenin su tankı kauçuk torba yerleştirin ve 10 dakika için 200 MPa, eşbasınçlı bir basınç uygulanır. Lastik torbadan sıkıştırılmış yeşil vücudu çıkarın.
5. Elle bir alümina pota üzerine Ti-kamfen yeşil vücudu aktarın ve dondurarak kurutma makinesinde pota yerleştirin. Dondurularak kuru yeşil vücutta kamfen fazı süblimleşme yeşil gövde - 24 saat boyunca 40 ° C.
6. Daha sonra, bir alümina kapak kayma Kroze kapatın ve oda sıcaklığında (10 ^-6 Torr altında) bir vakum fırınında kapalı pota yerleştirin. Sonra, bir ısıtma r 1300 ° C fırının sıcaklığını artırmak5 ° C / dk arasında yedi ve 2 saat süre ile 1300 ° C sıcaklık tutun.
7. Isıl işlemden sonra, fırının tam oda sıcaklığına kadar soğutuldu kadar 6-7 saat boyunca fırında sinterlenmiş gözenekli Ti tutun.
   Not: Soğutma işlemi 6 saat süresince, 400 ° C'nin üzerinde fırının ortalama soğutma hızı ~ 15 ° C / dk ve 400 ° C'nin altında fırının ortalama soğutma hızı ~ 2 ° C / dk.
8. Gerekirse, elektriksel deşarj işlemesi ile 16 mm (EDM) bir çapa sahip olan bir disk şeklinde numuneler halinde sinterlenmiş gözenekli Ti blok kesin. ²⁷
   Not: Al kalıp boyutuna bağlı olarak tabaka, gözenekli Ti boyutu işleme süreci (Şekil 2A) ile değiştirilmesi gerekir.
9. Bir otoklav içinde, gözenekli Ti örnekleri bir cam behere koyun ve 15 dakika boyunca 121 ° C'de sterilize örnekleri. Numuneler otoklavdan çıkarılmaktadır. Iki kere% 70 etanol ile iki kez ve sonra damıtılmış su ile gözenekli Ti örnekleri yıkayın.Son olarak, Petri kabı içine gözenekli Ti bırakın ve UV ışığı altında temiz bir bankta oda sıcaklığında örnekleri Hava kurulayın.

Biyoaktif Ajanların ile iskelelerinin 2. Dip Kaplama

1. 9 Dulbecco Fosfat Tamponlu Salin (DPBS, pH 7.4) bir solüsyonu 10 ml bir ml sterilize olan GFP 1 ml karıştırılarak temiz bir tezgah 100 ug / ml 1 mg / ml, ticari yeşil floresans proteini (GFP) seyreltin Tablo 1 'de gösterildiği gibi, polistiren (PS), tüpü.
2. Oda sıcaklığında GFP çözeltisi ile PS tüpüne Ti numuneler yerleştirilerek ve temiz bir tezgah üzerine yerleştirerek seyreltildi GFP çözeltisi (100 ug / ml), 10 ml sterilize edilmiş, yoğun ya da gözenekli Ti bırakın.
3. Bir vakum kurutucu içinde PS tüp yerleştirin ve 10 dakika GFP çözeltisi daha etkili bir şekilde, gözenekli Ti gözeneklerinden içeri girmesi ile sağlamak için desikatörde tahliye.
4. Cımbız kullanarak PS tüpünden gözenekli titanyum çıkarın. 10 cm çapında Pe içine GFP kaplamalı gözenekli Ti yerleştirinÜç çanak ve hava-kuru O / N temiz bir bankta RT de.
5. Bir cam beher içinde Dulbecco Fosfat Tamponlu Salin (DPBS) 10 ml iki kez gözenekli Ti durulayın ve temiz bir tezgah üzerinde RT cımbız ve hava kuru kullanılarak 10 cm çapında bir Petri kabı içine, gözenekli Ti hareket eder.

Gözenekli iskelelerinin 3. Yoğunlaştırma

1. Silindirik çelik kalıpta çeşitli yükseklikleri GFP kaplı gözenekli Ti örnekleri yerleştirin ve çelik kalıbın (Şekil 3A) üst ve alt deliklere yumruklar bir dizi yerleştirin.
2. 0.05 ~ 0.1 sn ara gerilme oranlarında bir basın makine kullanarak örnek (Şekil 3A) z yönünde oda sıcaklığında çelik kalıp montaj içinde gözenekli Ti sıkıştır ^-1 Tablo 2'de gösterilen önceden belirlenmiş uygulanan suşlarına karşı. Basınç tutun boşaltma öncesinde 1 dakika karıştırıldı.
3. Çelik kalıbından yoğunlaştırılmış Ti örnekleri çıkarın. DPBS 10 ml iki kez yoğunlaştırılmış numune yıkayınTemiz bir bankta oda sıcaklığında bir beher ve hava kuru O / N.

GFP-kaplı iskelelerinin 4. Salınım test

1. Numunelerin üç tip daldırın (GFP-kaplanmış, yoğun Ti (adımlardan sonra 2), GFP-kaplanmış gözenekli Ti (Adım 1 ve 2) ve GFP-kaplı yoğunlaştırılmış gözenekli Ti (adım 1-3) sonrası) sonra 5 ml DPBS (pH Temiz bir tezgah üzerinde 37 ° C'de 10 mi steril PS tüp içinde ihtiva 7,4) çözeltisi eklendi.
2. Ve GFP-kaplanmış numune, her PS borusundan Emme bütün DPBS çözeltisi, 1 önceden belirlenen bir, 2, 3, 5, 8, 12 e göre bir pipet kullanarak yeni bir 5 ml DPBS çözeltisi (pH 7,4) ile yeniden doldurmak batırıldıktan sonra 15, 22 ve 29 gün.
3. Daldırma (gün 0) önce, GFP-kaplanmış numunelerin parlaklığı görüntü almak ve 22 gün batırıldıktan sonra konfokal lazer tarama spektroskopisi (CLSM) ile.
4. Kullanılarak bölüm 4.2'de her PS tüpten çekilir 5 mi DPBS çözeltisinin bir toplam 1 ml çözelti içinde serbest GFP floresans sinyali yoğunluğu ölçmek215 nm dalga boyunda UV spektroskopisi. Standart eğri kullanılarak GFP çözeltisinin konsantrasyonu yoğunluk değeri dönüştürün.
   Not: Ölçme önce, 0 ng / ml konsantrasyon aralığında, GFP çözeltisi floresans sinyali yoğunluğu ölçülerek GFP çözeltisi standart eğri çizmek - 10 ug / ml olmuştur.

Kademeli Gözenekli Ti iskelelerinin 5. Fabrikasyon

1. 1,7 adıma adım 1.1 tekrarlayarak sinterlenmiş gözenekli Ti bloğunu üretin.
2. Makine EDM tarafından önceden belirlenmiş bir yapı tasarımları (örneğin, Şekil 5a ve 5d) göre sinterlenmiş gözenekli Ti bloğu.
3. Gözenekli Ti çapıdır ~ kalıbın çapından 0,1 mm küçük çelik bir kalıp yükseklik dağılımı ile işlenmiş Ti numuneler ve çelik kalıbın üst ve alt deliklere zımbaların kümesini yerleştirebilir.
4. Adımları 3.2 ve 3.3 gerçekleştirin.

6. Porozite MeTi iskelelerinin asurement

1. Ti iskelelerinin kitle (m _s) ölçün.
2. Ti iskelelerinin uzunluk, genişlik ve yükseklik ölçerek belirgin hacmi (V _s) hesaplayın.
3. Aşağıdaki denklem kullanılarak gözeneklilik hesaplamak:
   
   P toplam porozite yüzdesi, ρ _Ti titanyum ve m _S teorik yoğunluğu olduğu / _V S numunenin ölçülen yoğunluğudur.
   Not: MikroBT'lerin görüntüleme, bir mikro-bilgisayarlı tomografi kullanılarak gerçekleştirilir sonra Ti örnekleri gözenekliliği ile doğrudan MikroBT'lerin görüntüleri elde edilebilir.

Sonuçlar

Gözenekli Ti iskeleleri üretilmesi için kullanılan imalat süreci Şekil 1A'da gösterilmiştir. Ti tozu, sıvı kamfen tamamen katılaştıktan ise, nispeten ağır Ti tozunun herhangi bir çökeltiler minimize edilebilir, 12 saat boyunca 44 ° C'de kabın sürekli dönüşüyle ​​kamfen içinde homojen biçimde dağılmış ve tutulur. Burada 3-boyutlu birbirine büyük kamfen gözenekler Ti tozu faz (Şekil 1C) ile çevrilidir, Şekil 1B

Tartışmalar

BIOMETAL sistemleri yaygın biyomedikal uygulamalar için kullanılmış olsa da, özellikle de, taşıyıcı malzemeler olarak, yüksek sertlik ve metal düşük biyo gibi büyük zorluklar olarak kabul edilmiştir. Bu çalışmada, yeni bir metal sistemi, biyomimetik mekanik özellikleri yanı sıra sürdürülebilir bırakma davranışı ile biyoaktif yüzeye sahip bir yoğunlaştırılmış gözenekli metal iskele imalat yöntemi kurdu. Bizim fabrikasyon yönteminin önemli avantajları 1) biz zaten geliştirilen ö...

Malzemeler

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, 1 mg/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