In orthopädische AM-Implantate integrierte Titanoxid-Nanoröhren zur lokalisierten Arzneimittelabgabe

22. November 2021

Teilen Sie es mit Ihrem Netzwerk:

Kürzlich in der Zeitschrift Materials des Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI) veröffentlichte Forschung „Titania Nanotube Architectures Synthesized on 3D-Printed Ti-6Al-4V Implant and Assessing Vancomycin Release Protocols“ erörtert das angestrebte Potenzial additiv gefertigter Titandioxid-Nanoröhrchen (TNTs). Arzneimittelabgabesysteme in orthopädischen Implantaten.

Der Übergang von einfachen Gipsverbänden und Schienen zu internen Implantaten wie Platten, Schrauben und Stäben – typischerweise aus Stahl, Titan, Chrom oder Kobalt – veranschaulicht Fortschritte bei der Unterstützung gebrochener oder gebrochener Knochen, aber diese Implantate bergen Risiken: Infektion oder Abstoßung. Im schlimmsten Fall können diese negativen Folgen zum Verlust von Gliedmaßen oder zum Tod des Patienten führen. Trotz dieser möglichen Ergebnisse ist die interne Fixierung für viele Patienten jedoch vorzuziehen, da sie trotz möglicher Nebenwirkungen in der Regel zu einer schnelleren Heilung und einer höheren Garantie dafür führt, dass die Knochen in der richtigen Position heilen.

Um Infektionsrisiken zu mindern, werden Antibiotika eingesetzt. In der Vergangenheit war es jedoch schwierig sicherzustellen, dass diese auf das Implantat selbst abzielen, wenn die Antibiotika oral oder intravenös verabreicht werden. Lokalere Verabreichungsmethoden, wie z. B. Knochenzement zur Antibiotikabeladung, bieten eine gezielte Option, es wurden jedoch Fragen hinsichtlich seiner Fähigkeit aufgeworfen, die Antibiotika in ausreichend anhaltenden Mengen freizusetzen. Das aktuelle Papier schlägt eine Alternative zu dieser Methode vor: Titandioxid-Nanoröhren, die in die Oberfläche maßgeschneiderter, additiv gefertigter Implantate eingearbeitet werden.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Verwendung von TiO2-Nanoröhren zur Beschichtung biomedizinischer Implantatoberflächen biokompatibel ist, sich gut für das Einwachsen von Gewebe eignet und eine starke Zelladhäsion und -proliferation ermöglicht. In dieser Studie wurde postuliert, dass TNTs auch eine vielversprechende Methode für die direkte Freisetzung spezifischer Medikamente an den Infektionsort zu sein scheinen.

Die Forscher von „Titania Nanotube Architectures Synthesized on 3D-Printed Ti-6Al-4V Implant and Assessing Vancomycin Release Protocols“ nutzten eine Anodisierungstechnik, um TNT-Arrays auf additiv gefertigten Ti6AL4V-Oberflächen zu synthetisieren, um die Freisetzung des antibakteriellen Vancomycins über einen Zeitraum zu beobachten und zu analysieren Zeitraum von vierundzwanzig Stunden.

Mit SolidWorks 2020, der CAD- und CAE-Software von Dassault Systèmes, wurde das Ti6Al4V-Plattenimplantat mit den Maßen 25 x 25 x 2 mm entworfen und modelliert, bevor es mit einer Mlab Cusing 100R, einer Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB)-Maschine, additiv gefertigt wurde von GE Additive Concept Laser. Die Teile wurden unter Verwendung von D50-Mikro-Ti6Al4V-Pulver von Meticuly Co Ltd, Bangkok, Thailand, hergestellt. Während des Anodisierungsprozesses fungierte dieses Plattenimplantat als Anode, während eine handelsübliche Platinplatte (12 x 30 mm) von Umicore als Kathode fungierte. Unter kontrollierter Atmosphäre wurden die Ti6Al4V-Platten 2 Stunden lang in einem Elektroofen auf 950 °C erhitzt.

Vor der Anodisierung wurde die Oberflächenunebenheit der Ti6Al4V-Platten durch herkömmliches Schleifen mit Papier der Körnung 80 bis 2000 und Ultraschallbehandlung in der Säurelösung, entionisiertem Wasser und Ethanol reduziert.

Um eine nanostrukturierte Oberfläche mit geordneten TNT-Anordnungen mit einem sehr hohen Aspektverhältnis zu erreichen, wurden fluoridhaltige mehrwertige Alkohole – insbesondere Ethylenglykol, das für die Herstellung biokompatibler und bioaktiver Oberflächen bekannt ist – als Elektrolyt eingesetzt. Die gemahlenen Proben wurden 1, 2, 3 und 4 Stunden lang in den vorbereiteten Elektrolyten auf Ethylenglykolbasis getaucht, der eine Mischlösung aus 98 Gew.-% Ethylenglykol, 0,5 Gew.-% Ammoniumfluorid und 1,5 Gew.-% entionisiertem Wasser enthielt. Die Elektrolytlösung wurde kontinuierlich mit einem Magnetstab bei 100 U/min gerührt.

Nach der Herstellung untersuchten die Forscher die eloxierten TNTs mithilfe von Charakterisierungstechniken wie Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM), Kontaktwinkelmesser, Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR), einem Rasterkraftmikroskop (AFM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie, um dies zu überprüfen Beachten Sie die Morphologie, das Benetzbarkeitsverhalten, die Wechselwirkung zwischen Titandioxidionen, die Porengröße, die Länge und die Oberflächenrauheit.

Die Ergebnisse ergaben, dass TNTs durch die Steuerung bestimmter Parameter (z. B. Elektrolytzusammensetzung, Spannung, Atmosphärendruck und Anodisierungszeit) ausreichend verbessert werden konnten, um als geeignetes System zur gezielten Arzneimittelfreisetzung zu fungieren, wenn sie in die Oberfläche additiv gefertigter Implantate integriert werden. Dadurch wird das Infektionsrisiko minimiert.

Es wird erwartet, dass die raue, nanostrukturierte und nanoporöse Beschaffenheit des auf der Ti6Al4V-Oberfläche gebildeten TiO2 die Biokompatibilität und Osteointegration des AM-Implantats erleichtert. Die Forscher haben ihre Erwartungen zum Ausdruck gebracht, dass wirkstoffbeladene TNTs als Alternative zum derzeitigen systemischen Medikamentenverabreichungsansatz bei der Behandlung von Infektionen dienen werden.

Der Artikel wurde von H-thaichnok Chunate, Jirapon Khamwannah, Atchara Khamkongkaeo, Chiraporn Tongyam, Krittima Tumkhanon und Torlarp Sitthiwanit vom Department of Metallurgical Engineering der Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand, verfasst; Abdul Azeez Abdu Aliyu, Chedtha Puncreobutr und Boonrat Lohwongwatana von der Abteilung für Metallurgietechnik und dem Biomedizinischen Forschungszentrum in Chulalongkorn; Thanawat Phetrattanarangsi und Dechawut Decha-umphai vom Department of Metallurgical Engineering in Chulalongkorn und dem Biomechanics Research Center bei Meticuly Co. Ltd., Bangkok; Saran Tantavisut von der orthopädischen Abteilung in Chulalongkorn; Pharanroj Pongjirawish vom Biomechanics Research Center bei Meticuly; und Theerapat Chanamuangkon vom Biomaterial Testing Center in Chulalongkorn.

„Titania Nanotube Architectures Synthesized on 3D-Printed Ti-6Al-4V Implant and Assessing Vancomycin Release Protocols“ ist hier vollständig verfügbar.

www.chula.ac.th

www.meticuly.com

7. Juni 2023

5. Juni 2023

25. Mai 2023

5. Juni 2023