Rivestimenti in vetro bioattivo su titanio poroso per ingegneria tissutale ossea

Spesso vediamo il titanio utilizzato in impianti stampati 3D per l’uomo e persino per gli animali . Se confrontati con impianti più densi e in titanio poroso (PT), con porosità e struttura personalizzate, hanno proprietà meccaniche molto più simili all’osso naturale, che aiuta a ridurre gli effetti di schermatura e facilita il trasporto di nutrienti e la crescita del tessuto osseo durante la rigenerazione.

Ma i metalli a base di titanio (Ti) sono naturalmente bioinert, nel senso che non iniziano una risposta quando vengono introdotti nel tessuto biologico; questo può portare ad un abbassamento del contatto osso-impianto e possibile rifiuto. Quindi, per l’ingegneria del tessuto osseo, è importante modificare la superficie degli impianti metallici con i rivestimenti, sia che si tratti di un  diamante o di un vetro bioattivo (BG).

Un gruppo collaborativo di ricercatori dell’Università di Zhengzhou e della  Northwestern Polytechnical University in Cina, ha recentemente pubblicato un articolo, intitolato ” Produzione di colata a flusso flessibile di rivestimenti in vetro bioattivo su titanio poroso per ingegneria tissutale ossea “, sul loro lavoro nello sviluppo di un getto di colata metodo per rivestire rapidamente PT con rivestimenti BG.

Produzione di colata in flusso di rivestimenti omogenei di BG su scaffold PT.
L’abstract dice: “La produzione additiva ha permesso la fabbricazione di titanio poroso (PT) con porosità personalizzate e proprietà meccaniche. Tuttavia, la funzionalizzazione delle superfici PT con rivestimenti bioattivi è stata messa in discussione a causa della geometria sofisticata e della struttura altamente porosa. In questo studio, è stata sviluppata una tecnica di fusione del flusso facile per la produzione di rivestimenti di vetro bioattivo (BG) omogenei 45S5 su tutta la superficie del PT. Il peso del rivestimento in funzione della concentrazione di BG in una sospensione BG-PVA è stato studiato per ottenere una resa di rivestimento controllabile senza bloccare la struttura dei macropori. Il rivestimento BG sottoposto a trattamento di ricottura non solo ha dimostrato un’adesione compatta confermata da un trattamento di sonicazione qualitativo, ma ha anche migliorato le proprietà meccaniche degli scaffold PT. Inoltre, Le valutazioni in vitro di PT rivestite con BG coltivate con cellule MC3T3-E1 sono state effettuate tenendo presente il loro potenziale come impianti ossei bioattivi. I risultati sperimentali di questo studio offrono un approccio semplice e versatile per la bio-funzionalizzazione di PT e di altri dispositivi biomedicali porosi. ”
Immagini fluorescenti di cellule coltivate su scaffold di Ti (a, c, e) rivestiti di BG200 (b, d, f) dopo 2 e 4 giorni.
La bioceramica, come TiO2 e BG, è stata usata prima come rivestimento per, come dice la carta, “funzionale al carattere bioattivo agli scaffold ossei inerti.” In passato sono stati utilizzati diversi metodi per produrre rivestimenti bioceramici su impianti ossei dense ma poiché quelli porosi hanno strutture più complesse, è difficile rivestire l’intera superficie senza bloccare la struttura porosa e interconnessa.

Il team ha utilizzato la tecnologia SLM per la stampa 3D dei campioni PT su un Renishaw AM 250, quindi li ha risciacquati con acqua demineralizzata ed etanolo per rimuovere l’HF residuo prima di lasciarli asciugare all’aria. Quindi, un campione è stato immerso in una sospensione di BG-PVA, prima di essere spostato su una piattaforma di rotazione. Usando la forza di azoto compressa durante la rotazione, il contenuto solido del liquame è stato gradualmente completato a flusso fuso sulla superficie dei montanti, che come hanno spiegato i ricercatori nel documento ha provocato “la formazione di un rivestimento omogeneo BG su tutte le superfici PT senza bloccare la struttura macroporosa. ”

“I parametri chiave del processo di fusione del flusso sono stati variati per ottenere rivestimenti BG omogenei”, hanno scritto i ricercatori. “Inoltre, le proprietà microstrutturali, meccaniche e biologiche del PT rivestito di BG sono state caratterizzate avendo in mente il potenziale promettente del PT funzionalizzato con BG nell’ingegneria del tessuto osseo”.
(a) Il peso del rivestimento BG-PVA in funzione della concentrazione di BG nella sospensione; l’inserto mostra l’aumentato contenuto di bianco sul PT rivestito con l’aumento della concentrazione di BG (* p <0,05, ** p <0,01, *** p <0,001), (b) osservazione assiale e radiale del PT rivestito di BG200 dopo la ricottura, (c) Schemi XRD di BG grezza e polvere di BG ricotta usando lo stesso protocollo di ricottura.
Durante lo sviluppo del metodo easy-casting, il team ha determinato che variando la concentrazione di BG, potevano specificamente adattare la resa del rivestimento per produrre rivestimenti omogenei sui substrati PT che non bloccassero i macropori interconnessi. Inoltre, dopo un trattamento di ricottura, il PT rivestito con BG200 mostrava un modulo elastico rinforzato, e inoltre “mostrava un’eccellente adesione del rivestimento”, che sono buoni segni per gli impianti ossei.

Immagini SEM delle morfologie superficiali interne di impalcatura Ti (nudo) a ti e (df) impalcatura Ti rivestita di BG200, (g) immagini trasversali di rivestimenti BG200 a diversi ingrandimenti.
“Sebbene il rivestimento BG ricotto avesse uno spessore non uniforme variabile da 2 μm a 6 μm, la valutazione biologica in vitro ha confermato un’attività osteoblastica migliorata, probabilmente a causa della bioattività della fase BG”, hanno concluso i ricercatori. “Riassumendo, la fusione a flusso di rivestimenti BG, eventualmente combinato con altri componenti bioattivi o molecole funzionali, ha suggerito un approccio semplice ed efficace per la biofunzionalizzazione di PT o di altri dispositivi porosi, che sarà vantaggioso per la progettazione di scaffold ottimali per applicazioni biomediche”.
Co-autori del giornale sono Haiou Yang, Qijie Zhu, Hongfei Qi, Xianhu Liu, Meixia Ma e Qiang Chen.

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