Cải thiện khả năng phân hủy sinh học, tính sinh học, độ bền cơ học và khả năng tương thích tế bào của các implant chỉnh hình kim loại dựa trên Magiê có khả năng phân hủy sinh học bằng cách sử dụng lớp phủ bioceramic bredigite (Ca7MgSi4O16) có cấu trúc nano qua kỹ thuật ASD/EPD

Springer Science and Business Media LLC - Tập 42 - Trang 2537-2550 - 2014
Mehdi Razavi1,2,3,4, Mohammadhossein Fathi1,5, Omid Savabi2, Daryoosh Vashaee4, Lobat Tayebi3,6
1Biomaterials Research Group, Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2Torabinejad Dental Research Center, School of Dentistry, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
3School of Materials Science and Engineering, Helmerich Advanced Technology Research Center, Oklahoma State University, Tulsa, USA
4School of Electrical and Computer Engineering, Helmerich Advanced Technology Research Center, Oklahoma State University, Tulsa, USA
5Dental Materials Research Center, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
6School of Chemical Engineering, Oklahoma State University, Stillwater, USA

Tóm tắt

Nghiên cứu này đã khám phá ảnh hưởng của việc chỉnh sửa bề mặt hợp kim Magiê AZ91 đến sự phân hủy sinh học, tính sinh học, độ bền cơ học và khả năng tương thích tế bào của hợp kim. Để đạt được mục tiêu này, một lớp phủ ceramic bredigite (Ca7MgSi4O16) có cấu trúc nano đã được chuẩn bị trên hợp kim Magiê AZ91 có khả năng phân hủy sinh học thông qua phương pháp lắng đọng tia hồ quang anod và lắng đọng điện điện di. Thành phần pha và hình thái bề mặt của hợp kim được phủ đã được đặc trưng hóa bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi điện tử truyền. Các tính chất của mẫu được khảo sát thông qua các phép đo điện hóa, thử nghiệm ngâm, kiểm tra nén và nuôi cấy tế bào. Kết quả cho thấy khả năng chống phân hủy, tính sinh học, độ bền cơ học và khả năng tương thích tế bào của hợp kim Magiê phân hủy sinh học đã được cải thiện nhờ vào lớp phủ bredigite có cấu trúc nano được lắng đọng bằng tia hồ quang anod và lắng đọng điện điện di. Do đó, lớp phủ ceramic bredigite có cấu trúc nano được xác định là một lớp phủ tốt cho hợp kim AZ91 Magiê nhằm mục đích chế tạo các implant chỉnh hình kim loại có khả năng phân hủy sinh học.

Từ khóa

#hợp kim Magiê AZ91 #phân hủy sinh học #tính sinh học #độ bền cơ học #khả năng tương thích tế bào #lớp phủ ceramic bredigite #kỹ thuật ASD/EPD

Tài liệu tham khảo

Anthony, J. W., R. Bideaux, K. Bladh, and M. C. Nichols. Handbook of Mineralogy. Tucson: Mineral Data Publishing, 1990. Blawert, C., W. Dietzel, E. Ghali, and G. Song. Anodizing treatments for magnesium alloys and their effect on corrosion resistance in various environments. Adv. Eng. Mater. 8:511–533, 2006. Cai, K., A. Rechtenbach, J. Hao, J. Bossert, and K. D. Jandt. Polysaccharide-protein surface modification of titanium via a layer-by-layer technique: characterization and cell behaviour aspects. Biomaterials 26:5960–5971, 2005. Castellani, C., R. A. Lindtner, P. Hausbrandt, E. Tschegg, S. E. Stanzl-Tschegg, G. Zanoni, et al. Bone–implant interface strength and osseointegration: biodegradable magnesium alloy vs. standard titanium control. Acta Biomater. 7:432–440, 2011. Cui, X., Y. Li, Q. Li, G. Jin, M. Ding, and F. Wang. Influence of phytic acid concentration on performance of phytic acid conversion coatings on the AZ91D magnesium alloy. Mater. Chem. Phys. 111:503–507, 2008. Fathi, M., M. Meratian, and M. Razavi. Novel magnesium-nanofluorapatite metal matrix nanocomposite with improved biodegradation behavior. J. Biomed. Nanotechnol. 7:441–445, 2011. Geng, F., L. Tan, B. Zhang, C. Wu, Y. He, J. Yang, et al. Study on beta-TCP coated porous Mg as a bone tissue engineering scaffold material. J. Mater. Sci. Technol. 25:123–129, 2009. Glasser, H., and G. Fuhr. Cultivation of cells under strong ac-electric field—differentiation between heating and trans-membrane potential effects. Bioelectrochem. Bioenerg. 47:301–310, 1998. Grace, L. H. Y., and T. Y. Wah. Effect of collagen gel structure on fibroblast phenotype. J. Emerg. Invest. 2012. http://www.emerginginvestigators.org/2012/11/effect-of-collagen-gel-structure-on-fibroblast-phenotype/. Gu, X., W. Zheng, Y. Cheng, and Y. Zheng. A study on alkaline heat treated Mg–Ca alloy for the control of the biocorrosion rate. Acta Biomater. 5:2790–2799, 2009. Hornberger, H., S. Virtanen, and A. Boccaccini. Biomedical coatings on magnesium alloys—a review. Acta Biomater. 8:2442–2455, 2012. Kharaziha, M., and M. Fathi. Synthesis and characterization of bioactive forsterite nanopowder. Ceram. Int. 35:2449–2454, 2009. Kokubo, T., and H. Takadama. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 27:2907–2915, 2006. Kumari, T., U. Vasudev, A. Kumar, and B. Menon. Cell surface interactions in the study of biocompatibility. Trends Biomater. Artif. Organs 15:37–41, 2002. Lee, K., M. Park, H. Kim, Y. Lim, H. Chun, H. Kim, et al. Ceramic bioactivity: progresses, challenges and perspectives. Biomed. Mater. 1:R31, 2006. Li, Z., X. Gu, S. Lou, and Y. Zheng. The development of binary Mg–Ca alloys for use as biodegradable materials within bone. Biomaterials 29:1329–1344, 2008. Lu, L., C. Lim, and W. Yeong. Effect of reinforcements on strength of Mg9% Al composites. Compos. Struct. 66:41–45, 2004. Mozafari, M., M. Mehrayin, D. Vashaee, and L. Tayebi. Electroconductive nanocomposite scaffolds: a new strategy into tissue engineering and regenerative medicine, Nanocomposites—New Trends and Developments. InTech, 2012 (ISBN 978-953-51-0762-0). Nagels, J., M. Stokdijk, and P. M. Rozing. Stress shielding and bone resorption in shoulder arthroplasty. J. Shoulder Elbow Surg. 12:35–39, 2003. Niinomi, M. Recent metallic materials for biomedical applications. Metall. Mater. Trans. A 33:477–486, 2002. Razavi, M., M. Fathi, and M. Meratian. Microstructure, mechanical properties and bio-corrosion evaluation of biodegradable AZ91-FA nanocomposites for biomedical applications. Mater. Sci. Eng. A 527:6938–6944, 2010. Razavi, M., M. Fathi, and M. Meratian. Fabrication and characterization of magnesium–fluorapatite nanocomposite for biomedical applications. Mater. Charact. 61:1363–1370, 2010. Razavi, M., M. Fathi, and M. Meratian. Bio-corrosion behavior of magnesium-fluorapatite nanocomposite for biomedical applications. Mater. Lett. 64:2487–2490, 2010. Razavi, M., M. Fathi, O. Savabi, and M. Boroni. A review of degradation properties of Mg based biodegradable implants. Res. Rev. Mater. Sci. Chem. 1:15–58, 2012. Razavi, M., M. Fathi, O. Savabi, B. H. Beni, D. Vashaee, and L. Tayebi. Surface microstructure and in vitro analysis of nanostructured akermanite (Ca2MgSi2O7) Coating on biodegradable magnesium alloy for biomedical applications. Colloids Surf. B 117:432–440, 2014. Razavi, M., M. Fathi, O. Savab, S. MohammadRazavi, B. HashemiBeni, D. Vashaee, et al. Controlling the degradation rate of bioactive magnesium implants by electrophoretic deposition of akermanite coating. Ceram. Int. 40:3865–3872, 2014. Razavi, M., M. H. Fathi, O. Savabi, D. Vashaee, and L. Tayebi. Biodegradation, bioactivity and in vivo biocompatibility analysis of plasma electrolytic oxidized (PEO) biodegradable Mg implants. Phys. Sci. Int. J. 4:708–722, 2014. Razavi, M., M. Fathi, O. Savabi, D. Vashaee, and L. Tayebi. In vitro evaluations of anodic spark deposited AZ91 alloy as biodegradable metallic orthopedic implant. Ann. Res. Rev. Biol. 4:3716–3733, 2014. Rouhani, P., E. Salahinejad, R. Kaul, D. Vashaee, and L. Tayebi. Nanostructured zirconium titanate fibers prepared by particulate sol–gel and cellulose templating techniques. J. Alloys Compd. 568:102–105, 2013. Salahinejad, E., M. J. Hadianfard, D. D. Macdonald, S. Sharifi-Asl, M. Mozafari, K. J. Walker, et al. In vitro electrochemical corrosion and cell viability studies on nickel-free stainless steel orthopedic implants. PloS ONE 8:e61633, 2013. Shahini, A., M. Yazdimamaghani, K. J. Walker, M. A. Eastman, H. Hatami-Marbini, B. J. Smith, et al. 3D conductive nanocomposite scaffold for bone tissue engineering. Int. J. Nanomed. 9:167, 2014. Song, G. Control of biodegradation of biocompatable magnesium alloys. Corros. Sci. 49:1696–1701, 2007. Song, G., A. Atrens, X. Wu, and B. Zhang. Corrosion behaviour of AZ21, AZ501 and AZ91 in sodium chloride. Corros. Sci. 40:1769–1791, 1998. Song, G., A. L. Bowles, and D. H. StJohn. Corrosion resistance of aged die cast magnesium alloy AZ91D. Mater. Sci. Eng. A 366:74–86, 2004. Song, Y., D. Shan, and E. Han. Electrodeposition of hydroxyapatite coating on AZ91D magnesium alloy for biomaterial application. Mater. Lett. 62:3276–3279, 2008. Staiger, M. P., A. M. Pietak, J. Huadmai, and G. Dias. Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: a review. Biomaterials 27:1728–1734, 2006. Tavangarian, F., and R. Emadi. Mechanism of nanostructure bredigite formation by mechanical activation with thermal treatment. Mater. Lett. 65:2354–2356, 2011. Udhayan, R., and D. P. Bhatt. On the corrosion behaviour of magnesium and its alloys using electrochemical techniques. J. Power Sour. 63:103–107, 1996. Williamson, G., and W. Hall. X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram. Acta Metall. 1:22–31, 1953. Wong, H. M., K. W. Yeung, K. O. Lam, V. Tam, P. K. Chu, K. D. Luk, et al. A biodegradable polymer-based coating to control the performance of magnesium alloy orthopaedic implants. Biomaterials 31:2084–2096, 2010. Wu, C., J. Chang, J. Wang, S. Ni, and W. Zhai. Preparation and characteristics of a calcium magnesium silicate (bredigite) bioactive ceramic. Biomaterials 26:2925–2931, 2005. Wu, C., J. Chang, W. Zhai, and S. Ni. A novel bioactive porous bredigite (Ca7MgSi4O16) scaffold with biomimetic apatite layer for bone tissue engineering. J. Mater. Sci. 18:857–864, 2007. Xu, S., K. Lin, Z. Wang, J. Chang, L. Wang, J. Lu, et al. Reconstruction of calvarial defect of rabbits using porous calcium silicate bioactive ceramics. Biomaterials 29:2588–2596, 2008. Xu, J., F. Liu, F. Wang, D. Yu, and L. Zhao. The corrosion resistance behavior of Al2O3 coating prepared on NiTi alloy by micro-arc oxidation. J. Alloy. Compd. 472:276–280, 2009. Yang, L., and E. Zhang. Biocorrosion behavior of magnesium alloy in different simulated fluids for biomedical application. Mater. Sci. Eng. C 29:1691–1696, 2009. Yazdimamaghani, M., D. Vashaee, S. Assefa, K. Walker, S. Madihally, G. Köhler, et al. Hybrid macroporous gelatin/bioactive-glass/nanosilver scaffolds with controlled degradation behavior and antimicrobial activity for bone tissue engineering. J. Biomed. Nanotechnol. 10:911–931, 2014. Yazdimamaghani, M., M. Razavi, D. Vashaee, and L. Tayebi. Development and degradation behavior of magnesium scaffolds coated with polycaprolactone for bone tissue engineering. Mater. Lett. 132:106–110, 2014. Yazdimamaghani, M., M. Razavi, D. Vashaee, and L. Tayebi. Microstructural and mechanical study of PCL coated Mg scaffolds. Surf. Eng. 2014. doi:10.1179/1743294414Y.0000000307. Zhang, Y., C. Yan, F. Wang, and W. Li. Electrochemical behavior of anodized Mg alloy AZ91D in chloride containing aqueous solution. Corros. Sci. 47:2816–2831, 2005. Zhitomirsky, I. Cathodic electrodeposition of ceramic and organoceramic materials. Fundamental aspects. Adv. Colloid Interface Sci. 97:279–317, 2002.