Published September 14, 2022
| Version v1
Publication
Open
Topography‐Supported Nanoarchitectonics of Hybrid Scaffold for Systematically Modulated Bone Regeneration and Remodeling
Creators
- 1. Chosun University
- 2. Hanyang University
- 3. Korea Institute of Industrial Technology
- 4. Pusan National University
- 5. Purdue University West Lafayette
- 6. University of New Brunswick
- 7. Korea Institute of Machinery and Materials
- 8. University of Toronto
- 9. Case Western Reserve University
- 10. Joint Institute for Computational Sciences
- 11. University of Tennessee at Knoxville
- 12. Oak Ridge National Laboratory
- 13. Peking University
- 14. Brigham and Women's Hospital
- 15. Harvard University
- 16. Nanyang Technological University
- 17. Catholic University of Korea
Description
Abstract Orthopedic implants should have sufficient strength and promote bone tissue regeneration. However, most conventional implants are optimized for use either under high mechanical load or for active osseointegration. To achieve the dual target of mechanical durability and biocompatibility, polyether ether ketone (PEEK) filaments reinforced with internal titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles via dopamine‐induced polymerization are additively manufactured into an orthopedic implant through material extrusion (ME). The exterior of the PEEK/TiO 2 composite is coated with hydroxyapatite (HA) using radiofrequency (RF) magnetron sputtering to increase both the strength and biocompatibility provided by homogeneous ceramic–ceramic interactions and the protuberant nanoscale topography between the internal TiO 2 nanoparticle reinforcement and external HA coating. The hardness, tensile, and compression, and scratch test results demonstrate a considerable enhancement in the mechanical strength of the hierarchical PEEK/TiO2/HA hybrid composite structure compared to that of the conventional 3D‐printed PEEK. Furthermore, PEEK with internal TiO 2 reinforcement improves the proliferation and differentiation of bone cells in vitro, whereas the external HA coating leads to a more prevalent osteoblast absorption. Micro‐computed tomography and histological analyses confirm new bone formation and a high bone‐to‐implant contact ratio on the HA‐coated PEEK structure reinforced with TiO 2 nanoparticles.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يجب أن تتمتع غرسات العظام التجريدية بالقوة الكافية وأن تعزز تجديد الأنسجة العظمية. ومع ذلك، تم تحسين معظم عمليات الزرع التقليدية للاستخدام إما تحت الحمل الميكانيكي العالي أو للتكامل العظمي النشط. لتحقيق الهدف المزدوج المتمثل في المتانة الميكانيكية والتوافق الحيوي، يتم تصنيع خيوط بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) المقواة بجزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم الداخلي (TIO 2 ) عبر البلمرة المستحثة بالدوبامين بشكل إضافي في غرسة عظمية من خلال بثق المواد (ME). يتم طلاء السطح الخارجي لمركب PEEK/TIO 2 باستخدام هيدروكسيباتيت (HA) باستخدام رذاذ مغناطيسي للترددات الراديوية (RF) لزيادة كل من القوة والتوافق الحيوي الذي توفره تفاعلات السيراميك والسيراميك المتجانسة والتضاريس النانوية البارزة بين تقوية الجسيمات النانوية TIO 2 الداخلية وطلاء HA الخارجي. تُظهر نتائج اختبار الصلابة والشد والضغط والخدش تحسنًا كبيرًا في القوة الميكانيكية للهيكل المركب الهجين الهرمي PEEK/TiO2/HA مقارنةً بالهيكل المركب التقليدي المطبوع ثلاثي الأبعاد. علاوة على ذلك، فإن نظرة خاطفة مع تعزيز TIO 2 الداخلي يحسن تكاثر وتمايز الخلايا العظمية في المختبر، في حين أن طلاء HA الخارجي يؤدي إلى امتصاص أرومة العظم أكثر انتشارًا. يؤكد التصوير المقطعي المحوسب الدقيق والتحليلات النسيجية تكوين عظام جديد ونسبة تلامس عالية بين العظام والزرع على بنية النظرة الخاطفة المطلية بـ HA والمدعومة بجسيمات TIO 2 النانوية.Translated Description (French)
Résumé Les implants orthopédiques doivent avoir une résistance suffisante et favoriser la régénération du tissu osseux. Cependant, la plupart des implants conventionnels sont optimisés pour une utilisation sous une charge mécanique élevée ou pour une ostéointégration active. Pour atteindre le double objectif de durabilité mécanique et de biocompatibilité, des filaments de polyéther éther cétone (PEEK) renforcés de nanoparticules internes de dioxyde de titane (TiO 2 ) par polymérisation induite par dopamine sont fabriqués de manière additive dans un implant orthopédique par extrusion de matériau (ME). L'extérieur du composite PEEK/TiO 2 est revêtu d'hydroxyapatite (HA) par pulvérisation magnétron radiofréquence (RF) pour augmenter à la fois la résistance et la biocompatibilité fournies par les interactions homogènes céramique-céramique et la topographie nanométrique protubérante entre le renforcement interne des nanoparticules de TiO 2 et le revêtement externe HA. Les résultats des tests de dureté, de traction, de compression et de rayure démontrent une amélioration considérable de la résistance mécanique de la structure composite hybride hiérarchique PEEK/TiO2/HA par rapport à celle du PEEK imprimé en 3D conventionnel. De plus, la PEEK avec renforcement interne en TiO 2 améliore la prolifération et la différenciation des cellules osseuses in vitro, tandis que le revêtement externe en HA conduit à une absorption des ostéoblastes plus répandue. La tomodensitométrie et les analyses histologiques confirment une nouvelle formation osseuse et un rapport de contact os-implant élevé sur la structure PEEK revêtue d'HA renforcée par des nanoparticules de TiO 2.Translated Description (Spanish)
Resumen Los implantes ortopédicos deben tener suficiente resistencia y promover la regeneración del tejido óseo. Sin embargo, la mayoría de los implantes convencionales están optimizados para su uso ya sea bajo alta carga mecánica o para la osteointegración activa. Para lograr el doble objetivo de durabilidad mecánica y biocompatibilidad, los filamentos de poliéter éter cetona (PEEK) reforzados con nanopartículas internas de dióxido de titanio (Tío 2 ) a través de la polimerización inducidapor dopamina se fabrican aditivamente en un implante ortopédico a través de extrusión de material (ME). El exterior del compuesto de PEEK/Tío 2 está recubierto con hidroxiapatita (HA) mediante pulverización por magnetrón de radiofrecuencia (RF) para aumentar tanto la resistencia como la biocompatibilidad proporcionadas por las interacciones cerámica-cerámica homogéneas y la topografía a nanoescala protuberante entre el refuerzo interno de nanopartículas de Tío 2 y el recubrimiento externo de HA. Los resultados de las pruebas de dureza, tracción, compresión y rayado demuestran una mejora considerable en la resistencia mecánica de la estructura compuesta híbrida jerárquica de PEEK/Tío2/HA en comparación con la del PEEKimpreso en 3D convencional. Además, PEEK con refuerzo interno de Tío 2 mejora la proliferación y diferenciación de las células óseas in vitro, mientras que el recubrimiento externo de HA conduce a una absorción de osteoblastos más prevalente. La tomografía microcomputarizada y los análisis histológicos confirman la formación de hueso nuevo y una alta relación de contacto entre hueso e implante en la estructura de PEEKrecubierta con HA reforzada con nanopartículas de Tío2.Files
adfm.202206863.pdf
Files
(16.0 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:5f2c2eeb42e7482af29d65cffd5f0b82
|
16.0 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الطوبوغرافيا- الهندسة النانوية المدعومة للسقالة الهجينة لتجديد العظام وإعادة تشكيلها بشكل منهجي
- Translated title (French)
- Nanoarchitectoniquede l'échafaudage hybride prise en charge par la topographie pour la régénération et le remodelage osseux modulés systématiquement
- Translated title (Spanish)
- Nanoarquitectura soportada por topografía de andamios híbridos para la regeneración y remodelación ósea modulada sistemáticamente
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4295700763
- DOI
- 10.1002/adfm.202206863
References
- https://openalex.org/W1972885332
- https://openalex.org/W1975479494
- https://openalex.org/W1981785912
- https://openalex.org/W1987250771
- https://openalex.org/W1987415000
- https://openalex.org/W1997468443
- https://openalex.org/W2008158617
- https://openalex.org/W2036534051
- https://openalex.org/W2047421842
- https://openalex.org/W2071058847
- https://openalex.org/W2071397393
- https://openalex.org/W2078340164
- https://openalex.org/W2080487423
- https://openalex.org/W2085290086
- https://openalex.org/W2160165767
- https://openalex.org/W2162465013
- https://openalex.org/W2210611800
- https://openalex.org/W2212381513
- https://openalex.org/W2322562148
- https://openalex.org/W2331802868
- https://openalex.org/W2510993966
- https://openalex.org/W2527225495
- https://openalex.org/W2563245491
- https://openalex.org/W2564826572
- https://openalex.org/W2741181432
- https://openalex.org/W2749203848
- https://openalex.org/W2765152811
- https://openalex.org/W2794365719
- https://openalex.org/W2805691465
- https://openalex.org/W2884220701
- https://openalex.org/W2889795645
- https://openalex.org/W2891817587
- https://openalex.org/W2920137369
- https://openalex.org/W2940928523
- https://openalex.org/W2942008644
- https://openalex.org/W2961950592
- https://openalex.org/W2966870459
- https://openalex.org/W2969916575
- https://openalex.org/W2971580386
- https://openalex.org/W3002691088
- https://openalex.org/W3033225111
- https://openalex.org/W3049390674
- https://openalex.org/W3081277294
- https://openalex.org/W3086642845
- https://openalex.org/W3092314249
- https://openalex.org/W3096532093
- https://openalex.org/W3155090586
- https://openalex.org/W3177877449
- https://openalex.org/W3194353340
- https://openalex.org/W3200885963
- https://openalex.org/W4280588769