Name: fabrication of mechanically tunable and bioactive metal scaffolds for biomedical applications
Uploaded: 2015-12-08T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 56 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications at JoVE.com

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 &#38; Energy (MI, Korea), and BK21 PLUS SNU Materials Division for Educating Creative Global Leaders (Contract grant No. 21A20131912052).

Gözenekli Metal iskelelerinin 1. Fabrikasyon <ol><li> 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&#39;de bir bilyeli değirmen fırın içinde 30 dakika boyunca 55 ° C&#39;de şişeler döndürün. </li><li> Silindirik alüminyum (Al) 60 mm&#39;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 &#39;de 30 rpm bir hızda bir bilyalı değirmen fırında kalıpları döndürün. <ol><li> Daha sonra, 44 ° C&#39;ye kadar bilyalı değirmen fırının sıcaklığı azaltmak ve sürekli 12 saat boyunca 44 ° C sabit sıcaklıkta 30 rpm bir hızda kalıp döndürün. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;nin üzerinde fırının ortalama soğutma hızı ~ 15 ° C / dk ve 400 ° C&#39;nin altında fırının ortalama soğutma hızı ~ 2 ° C / dk. </li><li> 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. </li><li> Bir otoklav içinde, gözenekli Ti örnekleri bir cam behere koyun ve 15 dakika boyunca 121 ° C&#39;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. </li></ol> Biyoaktif Ajanların ile iskelelerinin 2. Dip Kaplama <ol><li> 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 &#39;de gösterildiği gibi, polistiren (PS), tüpü. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> Gözenekli iskelelerinin 3. Yoğunlaştırma <ol><li> Silindirik çelik kalıpta çeşitli yükseklikleri GFP kaplı gözenekli Ti örnekleri yerleştirin ve çelik kalıbın (Şekil 3A) üst ve alt deliklere yumruklar bir dizi yerleştirin. </li><li> 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&#39;de gösterilen önceden belirlenmiş uygulanan suşlarına karşı. Basınç tutun boşaltma öncesinde 1 dakika karıştırıldı. </li><li> 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. </li></ol> GFP-kaplı iskelelerinin 4. Salınım test <ol><li> 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&#39;de 10 mi steril PS tüp içinde ihtiva 7,4) çözeltisi eklendi. </li><li> 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. </li><li> Daldırma (gün 0) önce, GFP-kaplanmış numunelerin parlaklığı görüntü almak ve 22 gün batırıldıktan sonra konfokal lazer tarama spektroskopisi (CLSM) ile. </li><li> Kullanılarak bölüm 4.2&#39;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. </li></ol> Kademeli Gözenekli Ti iskelelerinin 5. Fabrikasyon <ol><li> 1,7 adıma adım 1.1 tekrarlayarak sinterlenmiş gözenekli Ti bloğunu üretin. </li><li> Makine EDM tarafından önceden belirlenmiş bir yapı tasarımları (örneğin, Şekil 5a ve 5d) göre sinterlenmiş gözenekli Ti bloğu. </li><li> 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. </li><li> Adımları 3.2 ve 3.3 gerçekleştirin. </li></ol> 6. Porozite MeTi iskelelerinin asurement <ol><li> Ti iskelelerinin kitle (m s) ölçün. </li><li> Ti iskelelerinin uzunluk, genişlik ve yükseklik ölçerek belirgin hacmi (V s) hesaplayın. </li><li> Aşağıdaki denklem kullanılarak gözeneklilik hesaplamak: <img alt="Denklem 1" src="/files/ftp_upload/53279/53279eq1.jpg" /> P toplam porozite yüzdesi, ρ Ti titanyum ve m S teorik yoğunluğu olduğu / V S numunenin ölçülen yoğunluğudur. Not: MikroBT&#39;lerin görüntüleme, bir mikro-bilgisayarlı tomografi kullanılarak gerçekleştirilir sonra Ti örnekleri gözenekliliği ile doğrudan MikroBT&#39;lerin görüntüleri elde edilebilir. </li></ol>

<ol>
	<li>Long, M., Rack, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Titanium+alloys+in+total+joint+replacement-a+materials+science+perspective.">Titanium alloys in total joint replacement-a materials science perspective.</a> Biomaterials. 19 (18), 1621-1639 (1998).</li><li>Niinomi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+metallic+materials+for+biomedical+applications.">Recent metallic materials for biomedical applications.</a> Metall. Mater. Trans. A. 33 (3), 477-486 (2002).</li><li>Frosch, K. H., St&#252;rmer, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metallic+biomaterials+in+skeletal+repair.">Metallic biomaterials in skeletal repair.</a> Eur. J. Trauma. 32 (2), 149-159 (2006).</li><li>Huiskes, R., Weinans, H., Van Rietbergen, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+relationship+between+stress+shielding+and+bone+resorption+around+total+hip+stems+and+the+effects+of+flexible+materials.">The relationship between stress shielding and bone resorption around total hip stems and the effects of flexible materials.</a> Clin. Orthop. Relat. Res. 274, 124-134 (1992).</li><li>Kanayama, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+biomechanical+investigation+of+the+stability+and+stress-shielding+effect+of+lumbar+interbody+fusion+devices.">In vitro biomechanical investigation of the stability and stress-shielding effect of lumbar interbody fusion devices.</a> J. Neurosurg. Spine. 93 (2), 259-265 (2000).</li><li>Jung, H. -. D., Kim, H. -. E., Koh, Y. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+and+evaluation+of+porous+titanium+scaffolds+with+3-dimensional+periodic+macrochannels+coated+with+microporous+TiO2.">Production and evaluation of porous titanium scaffolds with 3-dimensional periodic macrochannels coated with microporous TiO2.</a> 135, 897-902 (2012).</li><li>Jones, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+bone+ingrowth+into+porous+biomaterials+using+MICRO-CT.">Assessment of bone ingrowth into porous biomaterials using MICRO-CT.</a> Biomaterials. 28 (15), 2491-2504 (2007).</li><li>Li, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bone+ingrowth+in+porous+titanium+implants+produced+by+3D+fiber+deposition.">Bone ingrowth in porous titanium implants produced by 3D fiber deposition.</a> Biomaterials. 28 (18), 2810-2820 (2007).</li><li>Ahn, M. -. K., Jo, I. -. H., Koh, Y. -. H., Kim, H. -. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+highly+porous+titanium+(Ti)+scaffolds+by+vacuum-assisted+foaming+of+titanium+hydride+(TiH2)+suspension.">Production of highly porous titanium (Ti) scaffolds by vacuum-assisted foaming of titanium hydride (TiH2) suspension.</a> Mater. Lett. 120 (1), 228-231 (2014).</li><li>Baas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+pretreating+morselized+allograft+bone+with+rhBMP-2+and/or+pamidronate+on+the+fixation+of+porous+Ti+and+HA-coated+implants.">The effect of pretreating morselized allograft bone with rhBMP-2 and/or pamidronate on the fixation of porous Ti and HA-coated implants.</a> Biomaterials. 29 (19), 2915-2922 (2008).</li><li>Peng, L., Bian, W. -. G., Liang, F. -. H., Xu, H. -. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implanting+hydroxyapatite-coated+porous+titanium+with+bone+morphogenetic+protein-2+and+hyaluronic+acid+into+distal+femoral+metaphysis+of+rabbits.">Implanting hydroxyapatite-coated porous titanium with bone morphogenetic protein-2 and hyaluronic acid into distal femoral metaphysis of rabbits.</a> Chin. J. Traumatol. (English Edition). 11 (3), 179-185 (2008).</li><li>Reiner, T., Kababya, S., Gotman, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+incorporation+within+Ti+scaffold+for+bone+ingrowth+using+Sol-gel+SiO2+as+a+slow+release+carrier.">Protein incorporation within Ti scaffold for bone ingrowth using Sol-gel SiO2 as a slow release carrier.</a> J. Mater. Sci. - Mater. Med. 19, 583-589 (2008).</li><li>Lee, J. H., Kim, H. E., Shin, K. H., Koh, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+the+strength+and+biocompatibility+of+porous+titanium+scaffolds+by+creating+elongated+pores+coated+with+a+bioactive,+nanoporous+TiO2+layer.">Improving the strength and biocompatibility of porous titanium scaffolds by creating elongated pores coated with a bioactive, nanoporous TiO2 layer.</a> Mater. Lett. 64, 2526-2529 (2010).</li><li>Li, J. C., Dunand, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+directionally+freeze-cast+titanium+foams.">Mechanical properties of directionally freeze-cast titanium foams.</a> Acta Mater. 59 (1), 146-158 (2011).</li><li>Chino, Y., Dunand, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directionally+freeze-cast+titanium+foam+with+aligned,+elongated+pores.">Directionally freeze-cast titanium foam with aligned, elongated pores.</a> Acta Mater. 56 (1), 105-113 (2008).</li><li>Kim, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+porous+titanium+scaffold+with+controlled+porous+structure+and+net-shape+using+magnesium+as+spacer.">Fabrication of porous titanium scaffold with controlled porous structure and net-shape using magnesium as spacer.</a> Mater. Sci. Eng. C. 33 (5), 2808-2815 (2013).</li><li>Brentel, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Histomorphometric+analysis+of+pure+titanium+implants+with+porous+surface+versus+rough+surface.">Histomorphometric analysis of pure titanium implants with porous surface versus rough surface.</a> J. Appl. Oral Sci. 14 (3), 213-218 (2006).</li><li>Buser, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+surface+characteristics+on+bone+integration+of+titanium+implants.+A+histomorphometric+study+in+miniature+pigs.">Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs.</a> J. Biomed. Mater. Res. 25 (7), 889-902 (1991).</li><li>Cochran, D., Schenk, R., Lussi, A., Higginbottom, F., Buser, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bone+response+to+unloaded+and+loaded+titanium+implants+with+a+sandblasted+and+acid-etched+surface:+a+histometric+study+in+the+canine+mandible.">Bone response to unloaded and loaded titanium implants with a sandblasted and acid-etched surface: a histometric study in the canine mandible.</a> J. Biomed. Mater. Res. 40 (1), 1-11 (1998).</li><li>Young, D. R., Robb, R. A., Rock, M. G., Chao, E. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+periprosthetic+tissue+formation+around+a+porous+titanium+endoprosthesis+using+CT-based+spatial+reconstruction.">Analysis of periprosthetic tissue formation around a porous titanium endoprosthesis using CT-based spatial reconstruction.</a> J. Comput. Assist. Tomo. 18 (3), 461-468 (1994).</li><li>Spoerke, E. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bioactive+titanium+foam+scaffold+for+bone+repair.">A bioactive titanium foam scaffold for bone repair.</a> Acta Biomater. 1 (5), 523-533 (2005).</li><li>Jung, H. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+aligned+porous+Ti+scaffold+coated+with+bone+morphogenetic+protein-loaded+silica/chitosan+hybrid+for+enhanced+bone+regeneration.">Highly aligned porous Ti scaffold coated with bone morphogenetic protein-loaded silica/chitosan hybrid for enhanced bone regeneration.</a> J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 102 (5), 913-921 (2013).</li><li>Ryan, G. E., Pandit, A. S., Apatsidis, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porous+titanium+scaffolds+fabricated+using+a+rapid+prototyping+and+powder+metallurgy+technique.">Porous titanium scaffolds fabricated using a rapid prototyping and powder metallurgy technique.</a> Biomaterials. 29 (27), 3625-3635 (2008).</li><li>Vasconcellos, L. M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porous+titanium+scaffolds+produced+by+powder+metallurgy+for+biomedical+applications.">Porous titanium scaffolds produced by powder metallurgy for biomedical applications.</a> Mater. Res. 11 (3), 275-280 (2008).</li><li>Jung, H. D., Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+titanium+scaffolds+with+porosity+and+pore+size+gradients+by+sequential+freeze+casting.">Fabrication of titanium scaffolds with porosity and pore size gradients by sequential freeze casting.</a> Mater. Lett. 63 (17), 1545-1547 (2009).</li><li>Jung, H. -. D., Jang, T. -. S., Wang, L., Kim, H. -. E., Koh, Y. -. H., Song, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+strategy+for+mechanically+tunable+and+bioactive+metal+implants.">Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants.</a> Biomaterials. 37, 49-61 (2015).</li><li>Tarng, Y. S., Ma, S. C., Chung, L. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+optimal+cutting+parameters+in+wire+electrical+discharge+machining.">Determination of optimal cutting parameters in wire electrical discharge machining.</a> Int. J. Mach. Tools Manufact. 35 (12), 1693-1701 (1995).</li><li>Jung, H. -. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+Freeze+Casting+for+the+Production+of+Porous+Titanium+(Ti)+Scaffolds.">Dynamic Freeze Casting for the Production of Porous Titanium (Ti) Scaffolds.</a> Mater. Sci. Eng. C. 33 (1), 59-63 (2013).</li><li>Lee, J. -. H., Kim, H. -. E., Shin, K. -. H., Koh, Y. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+the+strength+and+biocompatibility+of+porous+titanium+scaffolds+by+creating+elongated+pores+coated+with+a+bioactive,+nanoporous+TiO2.">Improving the strength and biocompatibility of porous titanium scaffolds by creating elongated pores coated with a bioactive, nanoporous TiO2.</a> Mater. Lett. 64 (22), 2526-2529 (2010).</li><li>Jung, H. -. D., Yook, S. -. W., Kim, H. -. E., Koh, Y. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+titanium+scaffolds+with+porosity+and+pore+size+gradients+by+sequential+freeze+casting.">Fabrication of titanium scaffolds with porosity and pore size gradients by sequential freeze casting.</a> Mater. Lett. 63 (17), 1545-1547 (2009).</li><li>Yook, S. -. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reverse+freeze+casting:+A+new+method+for+fabricating+highly+porous+titanium+scaffolds+with+aligned+large+pores.">Reverse freeze casting: A new method for fabricating highly porous titanium scaffolds with aligned large pores.</a> Acta Biomater. 8 (6), 2401-2410 (2012).</li><li>Yook, S. W., Yoon, B. H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Kim, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porous+titanium+(Ti)+scaffolds+by+freezing+TiH2/camphene+slurries.">Porous titanium (Ti) scaffolds by freezing TiH2/camphene slurries.</a> Mater. Lett. 62 (30), 4506-4508 (2008).</li><li>Yook, S. W., Kim, H. E., Koh, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+porous+titanium+scaffolds+with+high+compressive+strength+using+camphene-based+freeze+casting.">Fabrication of porous titanium scaffolds with high compressive strength using camphene-based freeze casting.</a> Mater. Lett. 63 (17), 1502-1504 (2009).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

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 önceki dinamik dondurma döküm yönteminde değişiklik dahil 28 2) bir parametre derece kontrol mekanik donanım ve gözenekli gelen biyomoleküllerin sürdürülebilir bırakma davranışını hem elde yoğunlaştırma-to Metal iskeleleri ve 3) potansiyel uygulama işlevsel malzemelerin kademeli etmek. Yoğunlaştırılmış gözenekli metal üretmek için gerekli kritik adımlarından biri iki önemli featu sahip gözenekli Ti, imalatı olanres: 1) biyolojik olarak aktif moleküllerin süneklik ve mekanik özelliklerin salım hızını kontrol altına ve 2) yüksek bir gözenek Ara bağlantı yüklemek ve biyomoleküllerin serbest bırakın. Ancak, daha önce sınırlı gözenek birleştiricisi veya sünekliği ya göstermiştir gözenekli uzay tutucu yöntemi kullanılarak üretilen titanyum iskeleleri, sünger şablon yöntemi ve toz metalurjisi bildirdi. Özellikle 14,24,29, diğer ülkelerle birlikte metal tozları reaksiyonu ile oluşturulan kirlilikler metal tozları, ikinci malzeme ile temas halinde oldukları için ısıl işlem sırasında malzeme önemli derecede bir materyalin uysallığının azaltmak için bilinen (örneğin, boşluk tutucu ya da polimer şablon), mekanik testlere tabi kırılma bozukluğu ile sonuçlanır. Bu nedenle 14,24,29 , yoğunlaştırılmış gözenekli metal imal etmek için, yabancı maddeler geleneksel imalat yöntemlerinin çoğu için en aza düşürülmesi gerekmektedir. Bu komplikasyonu önlemek için, gözenekli morfoloji ve mekanik davranışları o araştırıldıf gözenekli titanyum iskeleleri metal tozu ve sıvı faz arasındaki etkileşimi en aza indirmek için kamfen ile döküm yöntemi dondurma kullanılarak imal. 26,28,30-33 Geleneksel dondurma döküm yöntemin bir dezavantajı, genellikle yönlü gözenekli kanalları (Şekil 2B, üst görüntü) ile sonuçlanan olmasıdır. Dinamik dondurularak döküm, diğer taraftan, gözenek şekli ve boyutu geleneksel dondurma döküm kişilerce ve iskele içinde gözenek dağılım neredeyse rastgele olduğundan daha homojen olduğu tespit edildi. . Böylece tek eksenli basınç altında kapalı bir kalıp içinde yoğunlaşma sağlayan dinamik donma döküm sırasında 26,28, gösteri izotropik mekanik davranışları döküm dinamik dondurucudan gözenekli iskeleleri Bu yapısal özellikleri, iki büyük hadise metal bulamaç içinde meydana: kamfen fazının 1) kristal büyümesini ve 2) metal tozları yeniden dağıtılması ve kalan sıvı faz kaçınarak s içinde kamfen katılaşmışedimentation. Yerçekimi sıvı kamfen tamamen katılaşmış kadar ayırmak metal tozları neden olur. Kamfen erime sıcaklığına yakın bulamacın sürekli dönüş, küresel kamfen kristaller Şekil 1C&#39;de gösterildiği gibi, Ti tozlar ve kamfen kristallerinin rastgele ve homojen dağılımını sağlayan homojen büyümesi için yeterli bir zaman tanır. Soğutma işleminden sonra, tam olarak iki fazlı yeşil gövde (Şekil 1B) ürün elde edildi Ti-kamfen katılaştı. Tamamen çöken yapısı olmadan katılaşmış yeşil vücuttan kamfen kaldırmak için, kamfen, -20 ° C &#39;de vakumlu kurutucuda süblime edildi. Kamfen fazın çıkarılmasından sonra, yeşil gövde yalnızca Ti tozu kapsayan, gözenekli hale geldi. Ti parçacıklar arasında herhangi bir etkileşim olmadığı dikkatli işleme gerek yoktur, bu yüzden, gözenekli Ti yeşil gövde kırılgandır. Isı tedavi öncesi elleri ile yeşil vücudun herhangi bir doğrudan işleme önlemek içinment, bir seramik pota dondurarak kurutma ve sinterleme yeşil gövdenin kap için seçildi. Yeşil gövdeli kabı hemen yeşil gövde metal dikmeler önemli kusurlar olmaksızın tamamen yoğunlaşmamış olmasını sağlar 1300 ° C&#39;de dondurularak kurutma ve ısı işlemden sonra, bir vakum fırını içine yerleştirilmiştir. Gözenekli numune geometrisi ve boyutları aynı (Şekil 2A) olmalıdır, çünkü numunelerin değerlendirilmesi için, gözenekli bir Ti blok küçük gözenekli Ti silindirler halinde kesilmiştir. Tüm numuneler başarıyla herhangi bir önemli kusurları (Şekil 2B ve 2C) olmadan işlenmelidir bulundu. Harç madde içinde Ti güç miktarına bağlı olarak, farklı gözenek Ti iskeleleri küresel şekil ve rastgele dağıtılmış gözenekler (Şekil 2C) ile elde edilmiştir. Gözenekli Ti iskeleleri dinamik donma döküm yöntemi kullanılarak elde edildikten sonra önceki stu belirtildiği gibiŞekil 3A&#39;da gösterildiği gibi, dy, 28 biyomoleküllerin kaplanmış gözenekli Ti, Ti yüzeyi ve yoğunlaştırma üzerine kaplanmış olması ile icra edilmiştir. Biyomoleküllerin veya kirlenmeyi denatürasyon önlemek için, kaplama işlemi, gözenekli iskeleleri otoklavlanmıştır sonra 24 saat içinde oda sıcaklığında temiz bir tezgah üzerinde gerçekleştirilmiştir ve dikkatli bir şekilde temizlendi. Kaplama işlemi gerçekleştirildi sonra yoğunlaştırma öncesinde kaplanmış biyomoleküllerin kaybını en aza indirmek için, temizleme işlemi minimize edilmiştir. Yoğunlaştırma yöntemi de z-doğrultusunda gözenekli Ti örneklerinin uygulanan deformasyon tarafından kontrol edildi, gerginlik dönüştürülür, ε zz. 26 Ti iskelelerinin başlangıç ​​gözeneklilik, uygulanan gerilim bağlı olarak ve son gözenekliliğe karşılık gelen değişik (Tablo 2 ). Farklı başlangıç ​​gözenek ile yoğunlaştırılmış gözenekli iskeleleri sağlamak amacıyla özdeş son geometrileri ve boyutları, Indivi uygulanan gerginlik vardıyoğunlaştırma öncesinde çift iskeleleri hesaplandı ve her bir numunede toplam numune yüksekliği (z istikametinde uzunluk) daha sonra tahmin edilmiştir. Şekil 3D gözenekliliğe değişen tek tek gözenekli bir numune farklı yüksekliklerde aynı nihai yüksekliği ile yoğunlaştırılmış gözenekli numune neden olabilir belirtir Aynı sonuçta elde edilen gözeneklilik. Yoğunlaştırılması derecesini kontrol ederek, yoğunlaştırılmış gözenekli iskeleleri kaplı biyomoleküllerin uzun süreli salınımı ile benzersiz mekanik davranışı. Son porozite ve gözenek boyutu: uygulanan gerilme gözenekli Ti iskelelerinin iki önemli parametre değiştirir. Alt gözenekli gözenekli iskeleleri yüksek sertlik ve gücünü gösterir. Daha önceki çalışmada, bu çalışmada gerilme-deformasyon ticari yoğun Ti ile karşılaştırıldığında gözenekli Ti (Tablo 4) yanı sıra önemli ölçüde azaltılmış sertlik kıyasla geliştirilmiş gücü ile yoğunlaştırılmış gözenekli iskeleleri davranışını. 26 rapor, biz de inci gözlenenŞekil 4&#39;te gösterildiği gibi, GFP-kaplama tabakasının görüntülenmiştir saptanması yoluyla Ti yoğun ve gözenekli hem kıyasla yoğunlaştırılmış gözenekli Ti e salım davranışı. sonucu yoğunlaştırılmış gözenekli iskeleleri önemli ölçüde serbest bırakma davranışı iyileşmiş sahiptirler 26 olan bizim önceki çalışmada, ile tutarlı azalmış gözenek boyutları ile iskelelerinin artan torturosity nedeniyle en fazla dört ay bırakma süresini uzatan kaplanmış malzemelerin. Mevcut 30 günlük bırakma deney açık bir şekilde, yoğun ya da gözenekli Ti yüzeyler ya da üzerinde hiçbir GFP kalıntısı aksine yoğunlaştırılmış gözenekli Ti yüzeyi üzerinde geride kalan GFP gösterir. Son olarak, yoğunlaştırma yöntemi, iç ve dış parçaları farklı gözenekler içinde işlevsel kademeli gözenekli iskeleleri üretimi uygulanmıştır. Şekil 5 &#39;de gösterildiği gibi, silindirik yapı iskelesi için, iç ve dış parça z yükseklikleri farklılaşan kolay kademeli gözenekli iskeleleri yol açabilir. Şekil 5B&#39;de gösterildiği gözenekli Ti iskele iç kısmında ortaya çıkan gerilme (ε zz) hiçbir gerilim dış kısmına uygulanmıştır ise,% 57 ~ nihai gözeneklilik sağladığını, 0.27 idi. Diğer taraftan, Şekil 5B&#39;de, gözenekli Ti iskele dış kısmına uygulanan gerinme (ε zz) iç kısmı neredeyse sağlam iken, ilk gözeneklilik muhafaza, ~% 45 nihai gözeneklilik sonuçlanan, ~ 0.33 idi (Tablo 3). Ancak, derecelendirilmiş gözenekli iskeleleri için iki önemli zorluklar bu deneyden gözlendi. Birincisi, sürekli iç ve dış kısımları tutarsız stres ve iskele içinde gerilme dağılımı kaynaklı; üst ve alt yüzeylerde etrafında bölgeler iç yüzeyi etrafında daha yoğun nerede böylece, yoğunlaştırma, homojen olmayan oluştu. İki bölümden yükseklik farkı arttıkça bu eğilim kritik oldu. Ayrıca, kademeli poroBize iç kısmının yoğunlaştırılması, iki parça içindeki homojen olmayan deformasyon ile sonuçlanmıştır dış kısmı ile sınırlı olan, yapılmalıdır, çünkü daha sık dış kısmı ile yapı iskelesine daha üretilmesi daha zor, daha yoğun bir iç bölümü ile scaffold. Dereceli skafoldun homojen olmayan yoğunlaştırılması gidermek için, yoğunlaştırma işlemi sırasında monte edilebilir iki ayrı parçalar geliştirilmiştir. Bu yazıda, optimum durum henüz tam olarak bulunamadı mükemmel imal dereceli gözenekli yapıyı üretmek için olsa da, kademeli yapının üretimi için yoğunlaştırma işlemi potansiyeli de teyit edildi. Kademeli gözenekli yapısı optimize edilmiş üretim yöntemi devam eden ve daha fazla çalışma olarak, kademeli yapıya seçici ilaç yükleme iskelesi fonksiyonel bırakma davranışı için araştırılacaktır. Bu çalışmada önerilen yaklaşımın avantajları 1) daha iyi mec dahilİyi gücü ve daha iyi biyolojik performans için 2) uzun süreli biyo-biyolojik dokularla hanical uyumluluğu. Ancak, büyük dezavantajlarından biri, daha iyi bir kemik-implant arayüzü için metalik iskelelerinin gözenek ağı ile kemik büyümesini teşvik edemez azaltılmış gözenek büyüklüğüdür. Gözenekli ve yoğun parçalar bir arada olan bu sorunu, kademeli gözenek yapıları öne sürülmüştür, gidermek için; Yoğun parçalar mekanik dayanıklılık ve uzun süreli biyoaktivitesini sunarken böylece gözenekli parçalar, kemik büyümesini sağlar. Bu nedenle, çeşitli yapısal tasarımları ile fonksiyonel aşamalı Ti implantlar kemik entegrasyonu gelişmiş yeteneği odaklanarak, özellikle fabrikasyon ve test edilecektir. Ayrıca, başka bir sınırlama karmaşık geometriye sahip implantların imalatı olmalıdır. Karmaşık şekilli bir implantın (örneğin, femoral koni augment) elde etmek amacıyla, ek bir işleme süreci ile ilgili iki büyük dezavantajı empoze, yoğunlaştırma sonrası gereklidirNihai ürün: gözenekli Ti bloğunun önemli hacim genellikle işlem sırasında kaldırılır, çünkü verimsiz ve ekonomik olmayan malzeme kullanımı ve işleme sürecinde potansiyel kirlenme ve kaplamalı biyomoleküllerin kaybı. Karmaşık geometriye sahip gözenekli Ti iskelelerinin fabrikasyon sürecine İyileştirme devam etmektedir. Yoğunlaştırılmış gözenekli metal iskeleleri dökme ya da gözenekli ya metalik implantlar yerine örneğin çeşitli ortopedik uygulama, yapay disk değişimi uygulanır ve bir yük desteği gibi bir ilaç taşıyıcı olarak hareket edilebilir.

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&#39;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.

<table><tbody><tr><td>Titanium powder</td><td>Alfa Aesar</td><td>#42624</td><td>-325 mesh, 99.5% (metals basis)</td></tr><tr><td>Camphene</td><td>SigmaAldrich</td><td>#456055</td><td>95%, C&lt;sub&gt;10&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;16&lt;/sub&gt;</td></tr><tr><td>KD-4</td><td>Croda</td><td>&amp;shy;</td><td>Hypermer, polymeric dispersant</td></tr><tr><td>Phosphate Buffer Solution (PBS)</td><td>Welgene</td><td>ML 008-01</td><td>&amp;shy;</td></tr><tr><td>Green Fluorescent Protein (GFP)</td><td>Genoss Co.</td><td>-</td><td>&gt;98% purity, 1 mg/ml</td></tr><tr><td>Ball mill oven</td><td>SAMHENUG ENERGY</td><td>SH-BDO150</td><td>&amp;shy;</td></tr><tr><td>Freeze dryer</td><td>Ilshin Lab.</td><td>PVTFD50A</td><td>&amp;shy;</td></tr><tr><td>Cold isostatic pressing (CIP) machine</td><td>SONGWON SYSTEMS</td><td>CIP 42260</td><td>&amp;shy;</td></tr><tr><td>Vaccum furnace</td><td>JEONG MIN INDUSTRIAL</td><td>JM-HP20</td><td>&amp;shy;</td></tr><tr><td>electical chaege machine</td><td>FANUC robocut</td><td>0iB</td><td>External use</td></tr><tr><td>Press machine</td><td>CG&amp;amp;S</td><td>AJP-200</td><td>&amp;shy;</td></tr><tr><td>Confocal laser scanning spectroscopy (CLSM)</td><td>Olympus</td><td>FluoView FV1000</td><td>External use</td></tr></tbody></table>

fabrication of mechanically tunable and bioactive metal scaffolds for biomedical applications

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.

Gözenekli Ti iskeleleri üretilmesi için kullanılan imalat süreci Şekil 1A&#39;da gösterilmiştir. Ti tozu, sıvı kamfen tamamen katılaştıktan ise, nispeten ağır Ti tozunun herhangi bir çökeltiler minimize edilebilir, 12 saat boyunca 44 ° C&#39;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 &#39;de gösterildiği gibi bir sonucu olarak, homojen bir Ti-kamfen yeşil gövde dinamik dondurularak döküm işlemi kullanılarak üretilir. Ancak, konteyner yanlış dönüşü genellikle yeşil vücutta Ti ve kamfen fazlarının homojen olmayan dağılımı, bozulmaya neden olan ya da ısı tedavisi sonrası gözenekli iskele çatlama sonuçlanır. Dönme hızının en uygun koşul, çoğu durumda, bir homojen, yeşil gövde üretmek mümkün oldu 30 rpm, olduğu bulunmuştur. Önce devamısı muamelesi ile ing, kamfen geniş bir büyüme Şekil 1C&#39;de gösterildiği gibi Ti-kamfen, yeşil gövdenin enine kesite gözlemlenerek teyit edilir. Kamfen fazı gözeneklerin belirgin bir boyut dağılımına sahip süreksiz olduğu takdirde, devingen dondurularak döküm sıcaklığı ve süresi sıfırlanması gerekir. Tipik olarak, Ti-kamfen yeşil cisimlerin kamfen aşaması büyük küresel gözenekler birbirleri ile temas halinde beri kamfen fazı sürekli hale 12 saat dinamik donma döküm, sonra iyi gelişmiş olduğu tespit edildi. Gözenekli Ti gözeneklerin büyüklüğü, morfoloji ve bağlantı daha da ısı işlemden sonra, mikro-CT analizi kullanılarak değerlendirildi. 1300 ° C de sinterlendikten sonra, gözenekli Ti blok elektriksel deşarj işlemesi (Şekil 2A), birden çok silindirik şekilli numuneler halinde kesilmiştir. Elde edilen silindirik numuneler çatlaklar veya kusurları yoktu. Porou Temsilcisi mikro-BT görüntüleriŞekil 2B&#39;de gösterilmiştir, geleneksel (üst) imal Ti iskeleleri ve dinamik dondurularak döküm (alt) s. Geleneksel dondurma dökümden Ti numunelerin gözenek yapısı donma sırasında yüzünden kamfen dendritik büyüme düzensiz şekilli gözeneklere sahip yönlü gözenek hizasını gösterir. Öte yandan, dinamik donma döküm örnek rastgele gözenek dağılımı ile neredeyse küresel gözenekleri sergiliyor. Dahası, farklı gözenek (Başlangıç ​​Gözeneklilik (IP) = 50, 60 ve 70 hacim%) gözenekli Ti iskelelerinin yüksek çözünürlük mikroskopik görüntüleri net rasgele Ti ağ (Şekil 2C) içinde dağıtılan küresel gözeneklerin göstermektedir. Kamfen hacmi azalmış gibi gözenekli Ti iskelelerinin gözenek boyutu azalmıştır. Daha sonra, imal edilmiş gözenekli bir Ti iskeleleri, Şekil 3A&#39;da gösterildiği gibi, uygulanan yük değiştirilerek kalıp içinde biyomoleküller ve yoğunlaştırılmış ile kaplanır. Vi içinTi numuneler üzerinde biyolojik olarak aktif kaplama tabakasının sualization, yeşil flüoresan proteini (GFP) bu çalışmada kullanılmıştır. Şekil 3B&#39;de gösterildiği gibi, basınç (P zz) karşılık gelecek şekilde tatbik soyu (ε zz), yoğunlaştırma derecesi değişebilir olduğu bulunmuştur. Gözenek şekli komşu delikler birbiriyle temas halinde oldukları için, en yüksek yoğunlaştırma, hemen hemen yok gözenekleri bir sonucu olarak, yoğunlaştırma derecesi arttıkça basık ve olur. Bununla birlikte, daha önceki çalışmaya biz yoğunlaştırılmış numune gözenek kanalları hala aynı gözeneklilikte gözenekli Ti ile hemen hemen aynı yüzey alanına sahip, açık olduğunu doğruladı. 25 farklı başlangıç ​​gözeneklerle yoğunlaştırılmış numuneleri değerlendirmek için, z-boy, aynı nihai gözenekliliği için yoğunlaştırılmış numune için sırayla ilk porozite bağlı olarak değişebilir olmalıdır. Tablo 2 de hedeflenen nihai p elde etmek tahmin uygulanan cinslerini teminorosity farklı başlangıç ​​gözenek ile yoğunlaştırılmış gözenekli iskeleleri (FP). IP =% 50 skafold yaklaşık 0.5 ihtiyacı Örneğin, FP =% 5 ile yaklaşık% 70 = 0.7 suşu gerektirir IP gözenekli iskele yoğunlaştırılmış gözenekli örnekleri üretmek için. Bu nedenle, gözenekli iskeleler ilk yükseklikleri dikkatle sağlamlaş-tırıldıktan sonra, aynı nihai yüksekliğe sahip numuneler elde etmek amacıyla, ilk gözenekliliğine göre hesaplanmıştır. Şekil 3C, 2 mm hemen hemen aynı boyutlara sahip, =% 40% 70 gösteri farklı başlangıç ​​yükseklikleri yoğunlaştırılması önce ve sonra sonunda IP&#39;den gözeneklere değişen dört numuneler gösterildiği gibi. GFP, gözenekli (IP =% 70) üzerinde bir kaplama tabakası ve yoğunlaştırılmış gözenekli Ti (IP =% 70, FP =% 7), Şekil 4A&#39;da gösterildiği gibi, ticari yoğun Ti ile karşılaştırıldığında numune görselleştirmek için kullanılmıştır. Her üç numune açıkça inci tekabül kaplı yüzey morfolojisi gösterilecekEIR mikroyapılar. Gözenekli ve yoğunlaştırılmış gözenekli örnekleri yeşil renkli Ti açık gözeneklere sahip gergi var ise tamamen yoğun Ti yüzeyi tamamen yeşil bir kaplama tabakası ile kaplıdır. Şekil 4A&#39;da gösterilen bu üç kaplanmış numune kullanarak, salma karakteri (Şekil 4B) gözlenmiştir. Her bir numune salınan GFP miktarı ortalama ± standart sapma olarak ifade edilmiştir (n = 3) ve floresans yoğunluğu ölçülerek bir aya kadar takip edildi. Yoğun ve gözenekli Hem Ti en çok bir hafta içinde serbest olan, ilk patlama etkisi ile hızlı bir GFP bırakma davranışı bulundu. Ancak, yoğunlaştırılmış gözenekli Ti bir aya kadar sürekli salınımını gösteren açıkça (Şekil 4B CLSM görüntüler) bile bir ay sonra yüzeyde GFP gösteren. Şekil 5&#39;te sunulduğu gibi yoğunlaştırma işlemi de fonksiyonel aşamalı gözenekli Ti iskelelerinin üretimi için uygulanabilir. İki potgradyan yapıların esas teşkil tasarım şematik silindirik iskele iç ve dış tabakalar, farklı gözenekler olan, seçilmiştir. Şekil 5B &#39;de gösterildiği gibi, Şekil 5A&#39;da gösterilen yoğun çekirdekli yapı için, Ti iskele dış kısmı mekanik işleme kısalmıştır. Yüksek iç kısmı seçici yoğunlaştırma sonrasında, gradyan bir yapı elde edilmiştir. Mikro BT ile ölçülen Rakamlar 5BB ve 5E detaylı yapısal bilgiler Tablo 3&#39;te verilmiştir Şekil 5C mikro BT görüntüsünde açıkça farklı gözenek (iç ile iskele iç ve dış bölümlerini gösterir. FP = ~% 60, dış: FP = ~% 70). Alternatif olarak, daha sık dış tabaka ile bir yapı iç ve dış parçalar (Şekil 5D) arasındaki yükseklik farkı değiştirerek üretilebilmektedir. Yoğun bir o yüksek dış ve alt iç kısımları sonuçları ile gözenekli Tiuter kısmı yoğunlaştırma (Şekil 5E) sonra, burada dış parça gözenekliliği Şekil 5F&#39;de gösterildiği gibi korunmuş başlangıç ​​porozite (IP =% 70) sahip olan bir iç parça ile, ~% 45 düşürülmüştür. <img alt="figür 1" src="/files/ftp_upload/53279/53279fig1.jpg" /> Şekil dinamik donma döküm Ti-kamfen yeşil gövdenin 1. Fabrikasyon. (A) elde etmek için dinamik donma kasa sürecinin şematik gösterimi ısıl işlem öncesi Ti-kamfen yeşil vücudu katılaşmış (Elsevier, Jung izniyle uyarlanmıştır ve ark., 2013). (B) dinamik donma döküm işlemi tamamlandıktan sonra bir temsilci Ti-kamfen yeşil gövdenin Optik görüntü. Katı faz, kamfen rasgele sürekli Ti tozu PHA içinde dağıtıldığı Ti-kamfen, yeşil gövdenin (C) kesit görüntüsüe. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53279/53279fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="figür 1" src="/files/ftp_upload/53279/53279fig2.jpg" /> Isıl işlemden sonra çeşitli başlangıç ​​gözenek 2. Gözenekli Ti iskeleleri Şekil. (A) öncesi ve işleme ve talaşlı bir edilen silindirik gözenekli Ti iskelesi sonra tamamen sinterlenmiş gözenekli Ti bloğunun Optik görüntüler. (B), geleneksel dondurularak döküm (üstte) ve dinamik dondurularak döküm (alt) tarafından imal gözenekli Ti iskelelerinin Kesit mikro-BT görüntüleri. Şekil 2B üst resmin üzerine Sarı oklar radyal yönde gözenek hizalama gösterir. (C) başlangıçtaki gözeneklilik% 70 (İP) (üst) ile döküm dinamik dondurucuda tarafından imal gözenekli Ti iskelelerinin kesit görüntüleri,% 60insets mukabil gözenekli Ti iskelelerinin optik görüntüler (orta) ve% 50 (alt) (Elsevier, Jung izniyle uyarlanmıştır ve ark., 2013). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53279/53279fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="figür 1" src="/files/ftp_upload/53279/53279fig3.jpg" /> Şekil 3. Dip kaplama ve gözenekli Ti iskelelerinin yoğunlaşma. (A) biyomoleküllerin (örneğin, GFP) ile kaplanmış bir yoğunlaştırılmış gözenekli metalik iskele (Ti) ve üretim sürecinin şematik gösterimi (Elsevier, Jung ve ark izniyle uyarlanmıştır. , 2015). (B) nihai gözeneklilik sonuçlanan uygulanan gerginlik de yoğunlaştırılmış gözenekli Ti iskelelerinin kesiti görüntüleri (IP =% 70) (ε zz) = 0, 0.53, 0.63, 0.68, (FP = 70, 33, 19, % 7). (Cı </strong&gt;) 2 mm özdeş z yüksekliğinde çeşitli z-yüksekliklerinde (üst) ve bunlara karşılık gelen yoğunlaştırılmış örnekleri (FP =% 7) gözenekli Ti numunelerinin optik görüntüler (IP = 70, 60, 50 ve% 40) yoğunlaştırma (alt) sonra. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53279/53279fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="figür 1" src="/files/ftp_upload/53279/53279fig4.jpg" /> GFP GFP yüklü yoğunlaştırılmış gözenekli Ti iskelelerinin in vitro salım davranışta Şekil 4. (A). Tipik CLSM görüntüleri, yoğun gözenekli ve yoğunlaştırılmış Ti iskelelerinin yüzeyinde yüklendi. , Yoğun gözenekli ve yoğunlaştırılmış Ti serbest GFP (B) Toplu miktarlar 24 gün boyunca PBS içinde daldırma (ölçek çubuğu = 200 mikron) sonra bu üç numunenin CLSM görüntüleri ile 29 gün (n = 3) kadar iskeleleri. Standart sapma (SD) bize olaned, her bir veri noktası açıklayıcı bir hata bar. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53279/53279fig4large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="figür 1" src="/files/ftp_upload/53279/53279fig5.jpg" /> Fonksiyonel aşamalı gözenekli metal iskelelerinin Şekil 5. Fabrikasyon. Yoğun bir iç kısmı ile kademeli gözenekli iskele tasarımı (A) şematik. Yoğun iç kısmı ile gözenekli Ti iskele Kademeli (B) yoğunlaştırılması yoluyla imal. (C) 2-D yoğun iç kısmı ile kademeli gözenekli Ti iskele mikro BT görüntü yeniden. Yoğun bir dış kısım ile gradyan gözeneklilikte bir skafold tasarımının (D) şematik. (E) skafold gözenekli bir iç çekirdeğe sahip olan yoğunlaştırma yoluyla imal yoğun dış parça gözenekli Ti iskele Dereceliyoğunlaştırılmış dış tabaka ile çevrilidir. (F) 2-D yoğun dış kısmı ile kademeli gözenekli Ti iskele mikro-BT görüntü yeniden. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53279/53279fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td rowspan="2"> Hedef örnek </td><td colspan="3"> Ti-kamfen bulamaç </td><td colspan="2"> Kaplama çözeltisi </td></tr><tr><td> Ti tozu (g) </td><td> Kamfen (g) </td><td> KD-4 (g) </td><td> GFP (mi) </td><td> PBS (mi) </td></tr><tr><td> IP Ti iskele% 40 = </td><td> 204,3 </td><td> 90 </td><td> 0,294 </td><td rowspan="4"> 1 </td><td rowspan="4"> 9 </td></tr><tr><td> IP Ti iskele% 50 = </td><td> 171.4 </td><td> 97 &lt;/ td&gt; <td> 0.268 </td></tr><tr><td> IP Ti iskele% 60 = </td><td> 136.5 </td><td> 103 </td><td> 0.239 </td></tr><tr><td> IP Ti iskele% 70 = </td><td> 100 </td><td> 110 </td><td> 0.21 </td></tr></tbody></table> Tablo 1. GFP ile kaplanmış bir hedef gözenekli Ti iskeleleri (IP = 40, 50, 60, 70%) imalatı için, Ti-kamfen harç ve kaplama çözeltisinin ayrıntılı bilgiler. (IP, ilk gözeneklilik anlamına gelir). <table><tbody><tr><td rowspan="2"> Başlangıç ​​porozite (%) </td><td colspan="7"> Nihai porozite (%) </td></tr><tr><td> 60 </td><td> 50 </td><td> 40 </td><td> 30 </td><td> 20 </td><td> 10 </td><td> 5 </td></tr><tr><td> 50 </td><td></td><td></td><td> 0.17 </td><td> 0.29 </td><td> 0.38 </td><td> 0.44 </td><td> 0.47 </td></tr><tr><td> 60 </td><td></td><td> 0.20 </td><td> 0.33 </td><td> 0.43 </td><td> 0.50 </td><td> 0.56 </td><td> 0.58 </td></tr><tr><td> 70 </td><td> 0.25 </td><td> 0.40 </td><td> 0.50 </td><td> 0.57 </td><td> 0.63 </td><td> 0.67 </td><td> 0.68 </td></tr></tbody></table> (1- (1-IP) / - Tablo 2. hedeflenen nihai porozite (FP) aşağıdaki denklem kullanılarak, AP = 1 anlamında (IP = 50, 60, 70%) (ε zz) gözenekli iskeleler uygulanan gerginlik Öngörülen ε zz). <table><tbody><tr><td colspan="2" rowspan="2"> Örnek </td><td colspan="3"> Yoğunlaştırılması önce </td><td colspan="3"> Yoğunlaştırmadan sonra </td></tr><tr><td> Yükseklik (mm) </td><td> Gözeneklilik (%) </td><td> Gözenek boyutu (um) </td><td> Yükseklik (mm) </td><td> Gözeneklilik (%) </td><td> Gözenek boyutu (um) </td></tr><tr><tdŞekil rowspan = &quot;2&quot;&gt; Kademeli iskele. 5b </td><td> İç kısım </td><td> 18 ± 1 </td><td rowspan="4"> 70 ± 1 </td><td rowspan="4"> 370 ± 100 </td><td rowspan="2"> 13 ± 1 </td><td> 57 ± 5 </td><td> 285 ± 100 </td></tr><tr><td> Dış kısım </td><td> 14 ± 1 </td><td> 70 ± 5 </td><td> 365 ± 110 </td></tr><tr><td rowspan="2"> Şekil Kademeli iskele. 5e </td><td> İç kısım </td><td> 14 ± 2 </td><td rowspan="2"> 12 ± 1 </td><td> 70 ± 8 </td><td> 315 ± 110 </td></tr><tr><td> Dış kısım </td><td> 18 ± 1 </td><td> 45 ± 8 </td><td> 230 ± 80 </td></tr></tbody></table> Tablo mikro CT ile ölçülen z yüksekliğinde, gözeneklilik ve ortalama gözenek boyutu açısından önce ve sonra kademeli yoğunlaştırma gözenekli iskeleleri (Şekil 5B ve Şekil 5 £) iç ve dış parçalar arasında 3. Yapısal bilgiler. </strong&gt; <table><tbody><tr><td rowspan="2"> Gözenekli Ti ilk porozite (%) </td><td colspan="2"> Yoğunlaştırılması önce </td><td colspan="2"> Yoğunlaştırmadan sonra (FP =% 5) </td></tr><tr><td> Sertlik (GPa) </td><td> Akma Mukavemeti (MPa) </td><td> Sertlik (GPa) </td><td> Akma Mukavemeti (MPa) </td></tr><tr><td> 50 </td><td> 19 </td><td> 143 </td><td> 44 </td><td> &gt; 370 </td></tr><tr><td> 60 </td><td> 13 </td><td> 130 </td><td> 42 </td><td> &gt; 370 </td></tr><tr><td> 70 </td><td> 5 </td><td> 58 </td><td> 35 </td><td> &gt; 370 </td></tr></tbody></table> Tablo 4. Sertlik ve gözenekli Ti iskeleleri akma dayanımı (IP = 50, 60,% 70) önce ve sonra yoğunlaştırma (Elsevier, Jung izniyle uyarlanmıştır ve ark., 2015).

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications at JoVE.com

Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

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.

Biyomedikal Uygulamalar için Mekanik ayarlanabilir ve Biyoaktif Metal iskelelerinin Fabrikasyon

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness ...

fabrication-mechanically-tunable-bioactive-metal-scaffolds-for

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Bioengineering

Unit 1

Transformations of Stress and Strain

SCIENTISTS IN ACTION

10.6K Görüntüleme.  Korea Institute of Industrial Technology. 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.

Video: Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Üç boyutlu Hücre ekimi için Chip-ölçekli Yapı iskeleleri mikroimalat

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biyoloji

Multi-Scale Modification of Metallic Implants With Pore Gradients, Polyelectrolytes and Their Indirect Monitoring In vivo

Metallic implants, especially titanium implants, are widely used in clinical applications. Tissue in-growth and integration to these implants in the tissues are important parameters for successful clinical outcomes. In order to improve tissue integration, porous metallic implants have being developed. Open porosity of metallic foams is very advantageous, since the pore areas can be functionalized without compromising the mechanical properties of the whole structure. Here we describe such modifications using porous titanium implants based on titanium microbeads. By using inherent physical properties such as hydrophobicity of titanium, it is possible to obtain hydrophobic pore gradients within microbead based metallic implants and at the same time to have a basement membrane mimic based on hydrophilic, natural polymers. 3D pore gradients are formed by synthetic polymers such as Poly-L-lactic acid (PLLA) by freeze-extraction method. 2D nanofibrillar surfaces are formed by using collagen/alginate followed by a crosslinking step with a natural crosslinker (genipin). This nanofibrillar film was built up by layer by layer (LbL) deposition method of the two oppositely charged molecules, collagen and alginate. Finally, an implant where different areas can accommodate different cell types, as this is necessary for many multicellular tissues, can be obtained. By, this way cellular movement in different directions by different cell types can be controlled. Such a system is described for the specific case of trachea regeneration, but it can be modified for other target organs. Analysis of cell migration and the possible methods for creating different pore gradients are elaborated. The next step in the analysis of such implants is their characterization after implantation. However, histological analysis of metallic implants is a long and cumbersome process, thus for monitoring host reaction to metallic implants in vivo an alternative method based on monitoring CGA and different blood proteins is also described. These methods can be used for developing in vitro custom-made migration and colonization tests and also be used for analysis of functionalized metallic implants in vivo without histology.

Multi-Scale Modification of Metallic Implants With Pore Gradients, Polyelectrolytes and Their Indirect Monitoring In vivo

In this video, we will demonstrate modification techniques for porous metallic implants to improve their functionality and to control cell migration. Techniques include development of pore gradients to control cell movement in 3D and production of basement membrane mimics to control cell movement in 2-D. Also, a HPLC-based method for monitoring implant integration in-vivo via analysis of blood proteins is described.

Gözenek Gradiyentler Polielektrolitler ve Bunların Dolaylı İzleme ile Metalik İmplant Çok Ölçekli Modifikasyon<em&gt; In vivo</em

Metallic implants, especially titanium implants, are widely used in  clinical applications. Tissue in-growth and integration to these implants in  the ...

Biyomühendislik

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, nanomedicine, tissue regeneration, and drug delivery. Designing materials based on the molecular-scale interactions between these proteins will help generate new multifunctional protein alloy biomaterials with tunable properties. Such alloy material systems also provide advantages in comparison to traditional synthetic polymers due to the materials biodegradability, biocompatibility, and tenability in the body. This article used the protein blends of wild tussah silk (Antheraea pernyi) and domestic mulberry silk (Bombyx mori) as an example to provide useful protocols regarding these topics, including how to predict protein-protein interactions by computational methods, how to produce protein alloy solutions, how to verify alloy systems by thermal analysis, and how to fabricate variable alloy materials including optical materials with diffraction gratings, electric materials with circuits coatings, and pharmaceutical materials for drug release and delivery. These methods can provide important information for designing the next generation multifunctional biomaterials based on different protein alloys.

Blending is an efficient approach to generate biomaterials with a broad range of properties and combined features. By predicting the molecular interactions between different natural silk proteins, new silk-silk protein alloy platforms with tunable mechanical resiliency, electrical response, optical transparency, chemical processability, biodegradability, or thermal stability can be designed.

Biyomedikal Uygulamalar için İpek-ipek Protein Alaşım Materyalleri Tasarlama

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible applications in controlling cell morphology/orientation. Nanofiber organization is controlled with a new fabrication apparatus that enables the gradual decrease of fiber organization in a scaffold. Changing the alignment of fibers is achieved through decreasing deposition time of random electrospun fibers on a uniaxially aligned fiber mat. By covering the collector with a moving barrier/mask, along the same axis as fiber deposition, the organizational structure is easily controlled. For tissue engineering purposes, adipose-derived stem cells can be seeded to these scaffolds. Stem cells undergo morphological changes as a result of their position on the varied organizational structure, and can potentially differentiate into different cell types depending on their locations. Additionally, the graded organization of fibers enhances the biomimicry of nanofiber scaffolds so they more closely resemble the natural orientations of collagen nanofibers at tendon-to-bone insertion site compared to traditional scaffolds. Through nanoencapsulation, the gradated fibers also afford the possibility to construct chemical gradients in fiber scaffolds, and thereby further strengthen their potential applications in fast screening of cell-materials interaction and interfacial tissue regeneration. This technique enables the production of continuous gradient scaffolds, but it also can potentially produce fibers in discrete steps by controlling the movement of the moving barrier/mask in a discrete fashion.

Here, we present a protocol to fabricate electrospun nanofiber scaffolds with gradated organization of fibers and explore their applications in regulating cell morphology/orientation. Gradients with regard to physical and chemical properties of the nanofiber scaffolds offer a wide variety of applications in the biomedical field.

Fiber Teşkilatı geçişleri ile electrospun Nanolif iskeleleri

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible ...

Fabrication of a Bioactive, PCL-based "Self-fitting" Shape Memory Polymer Scaffold

Tissue engineering has been explored as an alternative strategy for the treatment of critical-sized cranio-maxillofacial (CMF) bone defects. Essential to the success of this approach is a scaffold that is able to conformally fit within an irregular defect while also having the requisite biodegradability, pore interconnectivity and bioactivity. By nature of their shape recovery and fixity properties, shape memory polymer (SMP) scaffolds could achieve defect &#8220;self-fitting.&#8221; In this way, following exposure to warm saline (~60 &#186;C), the SMP scaffold would become malleable, permitting it to be hand-pressed into an irregular defect. Subsequent cooling (~37 &#186;C) would return the scaffold to its relatively rigid state within the defect. To meet these requirements, this protocol describes the preparation of SMP scaffolds prepared via the photochemical cure of biodegradable polycaprolactone diacrylate (PCL-DA) using a solvent-casting particulate-leaching (SCPL) method. A fused salt template is utilized to achieve pore interconnectivity. To realize bioactivity, a polydopamine coating is applied to the surface of the scaffold pore walls. Characterization of self-fitting and shape memory behaviors, pore interconnectivity and in vitro bioactivity are also described.

Scaffolds capable of fitting within cranio-maxillofacial (CMF) bone defects while exhibiting osteoconductivity and bioactivity are of interest. This protocol describes the preparation of a shape memory scaffold based on polycaprolactone diacrylate (PCL-DA) using a solvent-casting particulate-leaching (SCPL) method employing a fused salt template and application of a bioactive polydopamine coating.

Bir Biyoaktif, PCL-temelli &quot;Kendinden uydurma&quot; Shape Memory Polymer İskele imalatı

Tissue engineering has been explored as an alternative strategy for the treatment of critical-sized cranio-maxillofacial (CMF) bone defects. Essential to ...

Three-dimensional Biomimetic Technology: Novel Biorubber Creates Defined Micro- and Macro-scale Architectures in Collagen Hydrogels

Tissue scaffolds play a crucial role in the tissue regeneration process. The ideal scaffold must fulfill several requirements such as having proper composition, targeted modulus, and well-defined architectural features. Biomaterials that recapitulate the intrinsic architecture of in vivo tissue are vital for studying diseases as well as to facilitate the regeneration of lost and malformed soft tissue. A novel biofabrication technique was developed which combines state of the art imaging, three-dimensional (3D) printing, and selective enzymatic activity to create a new generation of biomaterials for research and clinical application. The developed material, Bovine Serum Albumin rubber, is reaction injected into a mold that upholds specific geometrical features. This sacrificial material allows the adequate transfer of architectural features to a natural scaffold material. The prototype consists of a 3D collagen scaffold with 4 and 3 mm channels that represent a branched architecture. This paper emphasizes the use of this biofabrication technique for the generation of natural constructs. This protocol utilizes a computer-aided software (CAD) to manufacture a solid mold which will be reaction injected with BSA rubber followed by the enzymatic digestion of the rubber, leaving its architectural features within the scaffold material.

An innovative biofabrication technique was developed to engineer three-dimensional constructs that resemble the architectural features, components, and mechanical properties of in vivo tissue. This technique features a newly developed sacrificial material, BSA rubber, which transfers detailed spatial features, reproducing the in vivo architectures of a wide variety of tissues.

Üç boyutlu Biyomimetik Teknoloji: Roman Biorubber Kollajen Hidrojeller içinde Mikro ve Makro ölçekli Mimarileri Tanımlı oluşturur

Tissue scaffolds play a crucial role in the tissue regeneration process. The ideal scaffold must fulfill several requirements such as having proper ...

A Facile and Eco-friendly Route to Fabricate Poly(Lactic Acid) Scaffolds with Graded Pore Size

Over the recent years, functionally graded scaffolds (FGS) gaineda crucial role for manufacturing of devices for tissue engineering. The importance of this new field of biomaterials research is due to the necessity to develop implants capable of mimicking the complex functionality of the various tissues, including a continuous change from one structure or composition to another. In this latter context, one topic of main interest concerns the design of appropriate scaffolds for bone-cartilage interface tissue. In this study, three-layered scaffolds with graded pore size were achieved by melt mixing poly(lactic acid) (PLA), sodium chloride (NaCl) and polyethylene glycol (PEG). Pore size distributions were controlled by NaCl granulometry and PEG solvation. Scaffolds were characterized from a morphological and mechanical point of view. A correlation between the preparation method, the pore architecture and compressive mechanical behavior was found. The interface adhesion strength was quantitatively evaluated by using a custom-designed interfacial strength test. Furthermore, in order to imitate the human physiology, mechanical tests were also performed in phosphate buffered saline (PBS) solution at 37 &#176;C. The method herein presented provides a high control of porosity, pore size distribution and mechanical performance, thus offering the possibility to fabricate three-layered scaffolds with tailored properties by following a simple and eco-friendly route.

A Facile and Eco-friendly Route to Fabricate PolyLactic Acid Scaffolds with Graded Pore Size

In this work, poly(lactic acid)/polyethylene glycol (PLA/PEG) scaffolds were prepared by using a combination of melt mixing and selective leaching. The method herein discussed permitted to develop three-layer scaffolds by highly controlling both porosity and pore size. The mechanical properties were also evaluated in a physiological environment.

Bir Facile ve çevre dostu Rota Kademeli Gözenek Boyutu Poli (Laktik Asit) iskeleleri imal etmek için

Over the recent years, functionally graded scaffolds (FGS) gaineda crucial role for manufacturing of devices for tissue engineering. The importance of ...

An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels have simple monolithic architectures and often function as scaffolding materials for tissue engineering applications. More sophisticated structures typically take a long time to fabricate and do not contain moving components. This protocol describes a photolithography method that allows for facile and rapid microfabrication of PEG structures and devices. This strategy involves an in-house developed fabrication stage that allows for the rapid fabrication of 3D structures by building upwards in a layer-by-layer fashion. Independent moving components can also be aligned and assembled onto support structures to form integrated devices. These independent components are doped with superparamagnetic iron oxide nanoparticles that are sensitive to magnetic actuation. In this manner, the fabricated devices can be actuated using external magnets to yield movement of the components within. Hence, this technique allows for the fabrication of sophisticated MEMS-like devices (micromachines) that are composed entirely out of a biocompatible hydrogel, able to function without an onboard power source, and respond to a contact-less method of actuation. This manuscript describes the fabrication of both the fabrication set-up as well as the step-by-step method for the microfabrication of these hydrogels-based MEMS-like devices.

An additive manufacturing strategy for processing UV-crosslinkable hydrogels has been developed. This strategy allows for the layer-by-layer assembly of microfabricated hydrogel structures as well as the assembly of independent components, yielding integrated devices containing moving components that are responsive to magnetic actuation.

Teknik hidrojel tabanlı Micromachines manyetik olarak duyarlı bileşenleri ile Facile ve hızlı üretim için üretim bir katkı

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels ...

Fabrication of Decellularized Cartilage-derived Matrix Scaffolds

Osteochondral defects lack sufficient intrinsic repair capacity to regenerate functionally sound bone and cartilage tissue. To this extent, cartilage research has focused on the development of regenerative scaffolds. This article describes the development of scaffolds that are completely derived from natural cartilage extracellular matrix, coming from an equine donor. Potential applications of the scaffolds include producing allografts for cartilage repair, serving as a scaffold for osteochondral tissue engineering, and providing in vitro models to study tissue formation. By decellularizing the tissue, the donor cells are removed, but many of the natural bioactive cues are thought to be retained. The main advantage of using such a natural scaffold in comparison to a synthetically produced scaffold is that no further functionalization of polymers is required to drive osteochondral tissue regeneration. The cartilage-derived matrix scaffolds can be used for bone and cartilage tissue regeneration in both in vivo and in vitro settings.

Decellularized cartilage-derived scaffolds can be used as a scaffold to guide cartilage repair and as a means to regenerate osteochondral tissue. This paper describes the decellularization process in detail and provides suggestions to use these scaffolds in in vitro settings.

Decellularized matris kıkırdak elde edilen iskele imalatı

Osteochondral defects lack sufficient intrinsic repair capacity to regenerate functionally sound bone and cartilage tissue. To this extent, cartilage ...

Novel Process for 3D Printing Decellularized Matrices

3D bioprinting aims to create custom scaffolds that are biologically active and accommodate the desired size and geometry. A thermoplastic backbone can provide mechanical stability similar to native tissue while biologic agents offer compositional cues to progenitor cells, leading to their migration, proliferation, and differentiation to reconstitute the original tissues/organs1,2. Unfortunately, many 3D printing compatible, bioresorbable polymers (such as polylactic acid, PLA) are printed at temperatures of 210 &#176;C or higher - temperatures that are detrimental to biologics. On the other hand, polycaprolactone (PCL), a different type of polyester, is a bioresorbable, 3D printable material that has a gentler printing temperature of 65 &#176;C. Therefore, it was hypothesized that decellularized extracellular matrix (DM) contained within a thermally protective PLA barrier could be printed within PCL filament and remain in its functional conformation. In this work, osteochondral repair was the application for which the hypothesis was tested. As such, porcine cartilage was decellularized and encapsulated in polylactic acid (PLA) microspheres which were then extruded with polycaprolactone (PCL) into filament to produce 3D constructs via fused deposition modeling. The constructs with or without the microspheres (PLA-DM/PCL and PCL(-), respectively) were evaluated for differences in surface features.

This protocol describes the production of polycaprolactone (PCL) filament with embedded polylactic acid (PLA) microspheres which contain decellularized matrices (DM) for 3D printing of structural tissue engineering constructs.

Matrisler roman işlemi 3D baskı için Decellularized

3D bioprinting aims to create custom scaffolds that are biologically active and accommodate the desired size and geometry. A thermoplastic backbone can ...

Biyomedikal Uygulamalar için Mekanik ayarlanabilir ve Biyoaktif Metal iskelelerinin Fabrikasyon

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler