Academic literature on the topic 'Biokeramické scaffoldy'

Ice-templating, známý také jako freeze-casting, je relativně jednoduchou, levnou a velmi univerzální technikou pro výrobu porézních keramických struktur s řízenou mikrostrukturou. Takto připravené keramické struktury jsou použity pro výrobu hybridních keramických kompozitů, nebo jako biokeramické scaffoldy. Hybridní keramické kompozitní materiály jsou založeny na napodobování přírodních/ biologických materiálů. Hlavním cílem je napodobit v přírodě se vyskytující zhouževnaťující mechanismy tím, že porézní keramické struktury jsou po slinutí napuštěny polymerními materiály. Hlavním problémem při výrobě porézních keramických vzorků s velkými rozměry, pomocí metody ice-templating, je dosažení řízeného růstu ledových krystalů v celém objemu vzorku. Aby tedy bylo možné získat velké keramické vzorky s dobře definovanou lamelární strukturou je třeba proces ice-templatingu velmi přesně kontrolovat. Biologická aktivita biokeramických materiálů závisí na kombinaci fyzikálních a chemických charakteristik, které silně souvisejí s jejich mikrostrukturou. Porozita scaffoldů musí být vzájemně propojená a velikostí pórů dostatečně velká pro úspěšný růst kostní tkáně v celém objemu implantátu. Prezentovaná disertační práce je zaměřena na problematiku zvětšování rozměrů keramických vzorků připravených pomocí metody ice-templating, vytvoření víceúrovňové porozity uvnitř vzorků a výrobu hybridních keramických kompozitů pro balistickou ochranu. Keramické suspenze pro ice-templating byly úspěšně připraveny z různých prášků (zejména hydroxyapatitu a oxidu hlinitého s různým plněním keramického prášku od 7,5 obj.% do 45 obj.%. Byl také studován vliv aditiv na utváření lamelární drsnosti a mezilamelárních přemostění. V současnosti je zkoumán dopad těchto strukturních prvků na výsledné mechanické vlastnosti. Hybridní kompozity oxid hlinitý/polymer byly úspěšně navrženy a připraveny z destiček z oxidu hlinitého připravených metodou ice-templating s délkou lamel až 70 mm a různých polymerních pryskyřic. Byla testovány mechanické vlastnosti hybridních kompozitů oxid hlinitý/polymer a výsledky ukázaly, že ice-templating je robustní metodou pro výrobu hybridních kompozitů keramika-polymer s dobrým poměrem pevnost/hustota. Avšak balistické testy hybridních kompozitů oxid hlinitý/polymer odhalily, že většina kompozitů vytvořených v rámci této práce nebyla schopna účinně zastavit střely s průbojným jádrem. Ukázalo se, že kombinace procesu ice-templating a nepřímého 3D tisku umožňuje výrobu biokeramických scaffoldů pro kostní náhrady z hydroxyapatitu s víceúrovňovou porozitou, což by se mohlo ukázat jako prospěšné pro vývoj bioaktivních vysoce porézních scaffoldů se zvýšenou biologickou aktivitou. Ice-templating také významně ovlivnil změnu fázového složení během slinování hydroxyapatitových vzorků.

Diploma thesis is focused on development of method for preparation individualized bioscaffolds prepared by milling of HA foam prepared by gel casting method and consolidated via epoxy curing reaction. Diploma thesis continues in bachelor thesis Modern processing methods of porous bioceramics. Literature search is filled in the newest knowledge from the field of bioactivity enhancement of scaffolds. Experimental part of diploma thesis described development of system for individualized scaffold manufacturing from HA suspension preparation, preparation of ceramic blocks used as material for machining to final blocks machining. Pressure strength of foam were evaluated, too. Chosen samples were coated with calcium polyphosphate coating for biological response enhancement. Coated samples were given for in-vivo test to partner university in Beijing under the terms of project FP7-NMP-2013-EU-China: "Bioscaffolds"

Pre regeneráciu a rast poranených nervových vlákien bolo preskúmaných mnoho postupov, no výsledný rast axónov je často náhodný až dezorganizovaný a odráža sa na zložitejšom zotavovaní pacienta. V tejto práci boli vyrobené nové skafoldy s mikroštruktúrnymi a mechanickými vlastnosťami nervového skafoldu pomocou metódy freeze-casting. Konkrétne boli vyrobené biokeramické skafoldy na báze fosforečnanov vápenatých, oxidu titaničitého alebo oxidu zirkoničitého. Pomocou kontrolovaného rastu ľadu v jednom smere bola pripravená orientovaná mikroštruktúra. Pozorovanie pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie potvrdilo lineárne orientované póry (lamelárny systém), v ktorých priemerná veľkosť pórov klesala so zvyšujúcou sa rýchlosťou mrazenia. Skafoldy pripravené pomocou mrazenia v tekutom dusíku vykazovali vynikajúce mechanické vlastnosti, kde pevnosť v ohybe bola získaná v rozmedzí 10–17 MPa. Tie isté skafoldy mali vzdialenosť medzilamelamelárnych priestorov 10–30 µm, ktorých parametre sú vhodné pre nervové skafoldy. Biokompatibilita bola vyhodnotená pomocou Schwannových buniek in vitro, kde bola pozorovaná adhézia a rast v lamelárnom smere. Cytotoxické testy odhalili negatívny vplyv vyššej koncentrácie vápnika na prežitie Schwannových buniek. Pripravené skafoldy mali schopnosť tvorby apatitu na povrchu v podobe embryonálnych a nukleačných centier a apatitu samotného. Skafoldy na báze fosforečnanov vápenatých a oxidu titaničitého vykazovali sľubné regeneračné vlastnosti, konkrétne adhéziu a rast prostredníctvom pórovitej štruktúry a taktiež vynikajúce mechanické vlastnosti.

Cílem disertační práce bylo připravit trojrozměrné biokeramické podpůrné systémy („skafoldy“), které by v budoucnu mohly pomoci při rekonstrukci a regeneraci poškozených kostních tkání. Porézní keramické pěny byly připraveny dvěma způsoby – replikační technikou a polymerizací in situ. Co se složení týče, byly studovány keramické materiály zejména na bázi oxidu hlinitého, zirkoničitého a kalcium fosfátů. Byl studován jednak vliv procesních parametrů jako je složení suspenzí a jejich viskozit, dále pak vliv tepelného zpracování na strukturu a výsledné vlastnosti připravených materiálů. U slinutých pěn byla pomocí rastrovací elektronové mikroskopie hodnocena zejména morfologie – velikost pórů, jejich propojenost a celková porozita, charakterizace mikrostruktury nebyla opomenuta. Dále bylo stanoveno fázové složení a pevnost v tlaku. Z biologických vlastností byla testována a diskutována bioaktivita a cytotoxicita materiálů. Disertační práce je členěna do několika částí. V literární rešerši je popsána stavba a vlastnosti kosti, požadavky kladené na kostní náhrady, výhody a nevýhody současně používaných materiálů a způsoby přípravy keramických pěn. Následuje experimentální část, kde byly nejprve studovány pěny připravené replikační technikou. Všechny takto vyrobené pěny měly propojené póry o velikostech 300 až 2000 m, celková porozita se pohybovala v rozmezí 50 – 99 %. Pevnost pěn na bázi kalcium fosfátů – 0,3 MPa (při celkové porozitě 80%) byla nedostatečná pro kostní náhrady, kde je požadována pevnost větší než 2 MPa. Kalcium fosfátové keramiky byly tedy zpevněny buďto inertním jádrem na bázi oxidu hlinitého nebo ATZ (oxidem zirkoničitým zhouževnatělým oxidem hlinitým). Dále byl přípraven částicový kompozit, ve kterým byl hydroxyapatit pojený oxidem křemičitým. Pevnost pěn se podařilo zvýšit až na více než 20 MPa. V poslední kapitole experimentální části byly studovány keramické pěny pěněné in situ, kde byly póry vytvářeny oxidem uhličitým unikajícím během reakce mezi diisokyanátem a polyalkoholem. Po vypálení polymerního pojiva měly pěny propojené póry o průměrné velikosti 80 až 550 m. Celková porozita se pohybovala v rozmezí 76 – 99%. Výhodou oproti replikační technice byly plné trámečky bez velké středové dutiny vznikající vypálením polymerní předlohy. Žádný ze studovaných materiálů nebyl pro buňky toxický, navíc všechny studované pěny vykazovaly bioaktivní chování. Z hlediska kostního tkáňového inženýrství se jako nejslibnější jeví kompozitní materiál zpevněný oxidem křemičitým.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.