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Materiales de Nanostructured para la Permanente y los Implantes Médicos de Bioresorbable

Profesor Yuri Estrin, Departamento de Dirigir de los Materiales, Universidad de Monash, Melbourne, Australia y Profesor Hyoun-EE Kim, Departamento de la Ciencia Material y de la Ingeniería, Universidad de Nacional de Seul, Corea
Autor Correspondiente: yuri.estrin@eng.monash.edu.au

Introducción

El revelado Contemporáneo de los materiales metálicos del implante es impulsado por los requisitos del biocompatibility y también por la necesidad del funcionamiento mecánico mejorado de implantes biomédicos. Diversos paradigmas regulan este revelado para los implantes (bioresorbable) permanentes y temporales. Mientras Que los materiales para los implantes permanentes, e.g para el repuesto del hueso o del diente, obviamente necesidad de estar tan inertes en líquidos corporales como sea posible, ésos para los implantes temporales deben degradar a un tipo conveniente para la aplicación apuntada.

Bioactivo refiere a un material que, sobre la colocación dentro del cuerpo humano, obre recíprocamente con el hueso circundante y, en algunos casos, incluso el tejido suave.

La Biodegradación es referida como la ruptura material de substancias químicas por un ambiente fisiológico.

Bioinert refiere a cualquier material que, puesto una vez dentro del cuerpo humano, tenga una acción recíproca mínima con su tejido circundante.

Bioresorbable refiere a un material que, sobre la colocación dentro del cuerpo humano, comience a disolver o a resorbed y a ser reemplazado despacio por los tejidos de avance (e.g., hueso).

El Fibroblasto es un tipo de célula que sintetice la matriz y el colágeno extracelular, el marco estructural (tejido conectador) para los tejidos animales, y los juegos un papel crítico en la cura de la herida.

La Hidroxilapatita, también llamada hydroxyapatite (HA), es un formulario mineral natural de la apatita del calcio y aproximado por la formulación Ca10 (PO4)6 (OH)2. La HA se ha utilizado como capa en las aleaciones metálicas en cirugía ortopédica.

Osteoblast es una célula mononucleate que es responsable de la formación del hueso.

En un esfuerzo combinado de nuestras personas en la Universidad de Nacional de Seul y la Universidad de Monash en Melbourne con un proyecto De calidad mundial de la Universidad sobre los Materiales Híbridos para la Continuidad en la Universidad de Nacional de Seul, dos sistemas arquetipo de la aleación basados en el titanio y el magnesio se investigan - una opción obvia para las dos clases de aplicaciones mencionadas. De Hecho, el Ti forma una capa superficial protectora de titania y se considera para estar bio-inerte (así siendo conveniente para los implantes permanentes), mientras que el Magnesio es extremadamente reactivo y biodegradable.

¿Modificando las Propiedades Superficiales Con el Refinación de la Estructura A Granel?

La investigación Actual se centra en mejorar el biocompatibility y el funcionamiento mecánico de estos sistemas con variaciones en la composición de la aleación, la microestructura y el tratamiento superficial. En el caso del titanio, los esfuerzos importantes entran el aumento de las características de la fuerza de los grados comerciales de la pureza para evitar la bio-toxicidad potencial de elementos ligantes, especialmente en implantes dentales.

En el caso de las aleaciones del magnesio, un gran reto es excesivamente - la alta tasa de su degradación, que es problemática ambos en términos de durabilidad del implante y alta tasa de evolución del hidrógeno durante la corrosión, e.g en aplicaciones vasculares del stent.

Para aumentar el funcionamiento mecánico de los materiales del implante con mando de la microestructura, aplicamos un proceso conocido como prensar angular del canal igual (ECAP), que es una ruta de tramitación viable al refinamiento de grano y a la mejoría de propiedad. Resulta que el refinamiento de grano extremo del bulto del metal hacia abajo al nanoscale transpira para alisar la morfología (la Fig. 1) que resulta ser conducente para la adherencia y el incremento aumentados de células vivas1. 1¡De Hecho, la proliferación de las células del preosteoblast en la superficie del Ti nanostructured tramitado por ECAP fue mostrada para ser aumentada enorme, por un factor de cerca de 20! El mecanismo de este efecto espectacular debe todavía ser desenredado.

Cuadro 1. Microestructura de la pureza comercial (titanio del Grado 2) en como-recibido (ido) y ECAP tramitó condiciones (correctas). Observe la diferencia rígida en la topografía superficial de los dos materiales según lo revelado por microscopia atómica de la fuerza.

La adherencia Mejorada y el índice acelerado de proliferación que seguían el tramitación de ECAP del titanio fueron señalados recientemente para las células2 del osteoblast y3 del fibroblasto, también. Cuál es determinado importante es que este biocompatibility excelente está combinado con las propiedades mecánicas excepcionales, la fuerza de fatiga del titanio comercial de la pureza que se acerca a los niveles sabidos solamente para las aleaciones del Ti, tales como Ti-6Al-4V.


El Cuadro 2. Aumentó el incremento de las células del preosteoblast en el titanio nanostructured (top) con respecto el de grano grueso (parte inferior). Observe la morfología de las células en el Ti nanostructured que indica su mejor viabilidad.

Dirija la Modificación Superficial

Además de la modificación superficial indirecta vía el refinamiento a granel de la microestructura, nuestras personas también emplean diversas técnicas superficiales directas de la modificación, incluyendo la Oxidación del Micro-Arco (MAO)4 , anodizando y recubriendo con el hydroxyapatite (HA)5. El incremento de la célula de Hueso en el titanio diseñado para el hueso y los implantes dentales es ascendido por tales técnicas en mismo un modo eficaz. La Bioactividad del titanio se puede aumentar más lejos por una combinación de estas técnicas de la capa. Por ejemplo, cuando la HA fue depositada en una superficie tratada MAO, el bioactity era más alto que en el caso cualquier tratamiento superficial fue utilizado en el aislamiento. Además, las capas de recubrimiento se pueden utilizar como tubería para la droga o la salida del factor de incremento.

Hacia los Implantes del Magnesio de Bioresorbable

El potencial para usar el Magnesio alea en stents vasculares bioresorbable o los implantes del hueso han atraído recientemente un interés enorme de investigadores. Reduciendo el peligro de inflamaciones y evitando la necesidad de la cirugía de la repetición usando temporal, los implantes metálicos biodegradables y al mismo tiempo capitalizando en su buena fuerza mecánica son, de hecho, una posibilidad muy atractiva. Es pequeña maravilla que muchos grupos mundiales se han trasladado rápidamente a esta área. A Pesar De algunos problemas con el biotoxicity de ciertos elementos ligantes, las aleaciones estructurales del Magnesio se han utilizado en pruebas del biocompatibility, in vitro y in vivo.

Las pruebas Clínicas6 han demostrado la viabilidad de las aleaciones del Magnesio como materiales del implante del stent. Sin Embargo, creemos que una investigación completa de las aleaciones del Magnesio con respecto a sus propiedades de la bio-corrosión y del biocompatibility necesita conducto antes de que la selección de la aleación sea hecha y mejorar funcionamiento mecánico tentativa. Nos contratan actualmente a tal estudio de la investigación7. Los resultados Recientes utilizados por el trabajo publicado8 sugieren, sin embargo, que in vivo las pruebas sean imprescindibles ya en esta etapa, pues el biocompatibility de las aleaciones del Magnesio in vitro no representa completo qué suceso in vivo.



El Cuadro 3. micrográfos de SEM del titanio superficie-modificado implanta: La Morfología de MAO trató la superficie (parte superior), la vista superficial (central) y seccionada transversalmente anodizada de la capa de la HA en el substrato del Ti (parte inferior).

Nuestro trabajo ha demostrado que las técnicas del refinamiento de grano del bulto, tales como prensar angular del igual-canal, son herramientas potentes para mejorar la fuerza de fatiga y - al mismo tiempo - la resistencia de la bio-corrosión de las aleaciones estructurales comunes del Magnesio9. Estamos explorando las maneras de mejorar más lejos las propiedades de aleaciones basadas Magnesio y de hacer que ajustan para las aplicaciones en implantes bioresorbable.

Sin Embargo, el refinamiento de grano a granel puede ser escaso para derribar el tipo de la bio-corrosión a los niveles requeridos por las necesidades clínicas. Una manera natural de contener la corrosión del Magnesio y de lograr tipos de corrosión controlables está por la modificación superficial, determinado con diseño elegante de la capa. Por ejemplo, la corrosión de las aleaciones del Magnesio se retarda marcado cuando una capa fina2 del MGF se forma en la superficie en un proceso de la fluoración. Además, cuando un material bioactivo, tal como hydroxyapatite, se deposita encima de la capa2 del MGF, la resistencia a la corrosión y el biocompatibility se aumenta importante, tal y como se muestra en de Fig. 3


El Cuadro 4 capas de Recubrimiento del MGF2 y del hydrohyapatite (HA) en las células del Magnesio (parte superior) y del osteoblast asociadas en la superficie del Magnesio recubrió con MGF2 y la HA (parte inferior).

Perspectiva

El campo del material biomédico del implante ofrece las oportunidades emocionantes y desafiadoras para la investigación en un interfaz entre los materiales que dirigen y las ciencias biomédicas. El interés en esta investigación es aprovisionado de combustible por el alto potencial de la comercialización de innovaciones en esta área. Los descubrimientos Importantes en la investigación sobre los materiales metálicos nanostructured para los implantes médicos deben por lo tanto ser preveídos en futuro próximo.


Referencias

1. Y. Estrin, C. Kasper, S. Diederichs y R, Lapovok, “Aceleraron el incremento de células preosteoblastic en el titanio granulado ultrafino”, J. Biomed. Nater. Res. Un 90A, 1239-1242 (2008).
2. R.Z. Valiev, I.P. Semenova, V.V. Latysh, H. Rack, T.C. Lowe, J. Petruzelka, L. Dluhos, D. Hrusak, J. Sochova, “Titanio de Nanostructured para las Aplicaciones Biomédicas”, Adv. Inglés. Mater. 10, B15 - B17 (2009).
3. J. - Parque de W., Y. - J. Kim, C.H. Park, D.-H. Lee, Y.G. Ko, J. - H. Jang y C.S. Lee, “Aumentó la reacción del osteoblast a un substrato titanium puro prensar-tramitado angular del canal igual con topografía de la superficie del microrough”, Acta Biomat. doi: 10.1016/j.actabio.2009.04.038.
4. L.H Li., Y.M. Kong, H.W. Kim, Y.W. Kim, H.E. Kim, S.J. Heo y J.Y. Koak, “Funcionamiento Biológico Mejorado de los Implantes del Ti debido a la Modificación Superficial por la Oxidación del Micro-Arco,” Biomateriales 25 14. 2867-75 (2004).
5. S.H Lee, H. - E Kim y H.W. Kim, “Nano-Clasificó las Capas de Hydroxyapatite en el Substrato del Ti con Capa del Almacenador Intermediaro TiO2 por la Deposición del E-Haz,” J. Am. Ceram. Soc. 90 1. 50-56 (2007).
6. R. andamio Temporal de Erbel y otros “de arterias coronorary con los stents bioabsorbable del magnesio: una juicio anticipada, no-seleccionada al azar del multo-centro, Lanceta 369, 1869-1875 (2007).
7. Op't Hoog, N. Birbilis, M. - X. Zhang, Y. Estrin de la C., “efectos de talla Superficiales de grano sobre la corrosión del magnesio”, Inglés Dominante. Mater 384, 229- 240(2008).
8. Shaoxiang Zhang y otros “Investigación sobre una aleación del Magnesio-Zn como biomaterial degradable”, Acta Biomater. DOI: 10.1016/j.actbio.2009.06.028.
9. H. Wang, Y. Estrin, Z. Zuberova, “Bio-Corrosión de una aleación del magnesio con diversas historias de tramitación”, Mater. Lett. 62, 2476-2479 (2008).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Yuri Estrin (Universidad de Monash, Australia)

Date Added: Nov 22, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:42

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