バイオミメティックコーティングの三次元気孔率勾配が接着強度と細胞挙動に及ぼす影響

Effect of three-dimensional porosity gradients of biomimetic coatings on their bonding strength and cell behavior.

• Le Yu
• Tomas Silva Santisteban
• Qinqing Liu
• Changmin Hu
• Jinbo Bi
• Mei Wei

抄録

表面改質技術は、ハードティッシュの代替としてのTiベースの材料の特性を高めるためにしばしば使用される。表面改質の信頼性と適用性を評価するためには、コーティングの微細構造と基材とコーティングの界面の質が重要であるが、表面改質の信頼性と適用性を評価するためには、コーティングの微細構造と基材とコーティングの界面の質が重要である。本研究では、バイオミメティックコーティングプロセスを用いて、ハイドロキシアパタイト（HA）コーティングとコラーゲン-ハイドロキシアパタイト（Col-HA）複合コーティングの両方をTi-6Al-4V基板上に堆積させた。重要なことは、二重ビーム集束イオンビーム走査電子顕微鏡(FIB-SEM)を用いて、HAとCol-HAの両方のコーティングから、表面に向かって多孔質なコーティングを持つ勾配のある断面構造と、コーティングと基板の界面に隣接した緻密な層が三次元(3D)で観察されたことである。さらに、コーティング全体の気孔分布をAvizoを用いて3次元的に再構成し、RStudioを用いてコーティング深さに沿った気孔サイズ分布を計算した。これらの材料の機械的特性と生体適合性を評価し、FIB-SEMを用いて細胞-コーティング-基材界面の断面を詳細に観察した結果、両コーティングによって形成された多孔質表面が骨芽細胞の接着を良好にサポートする一方で、内層の緻密な層がコーティングと基材の間の良好な結合を促進することが明らかになった。コラーゲンの添加により機械的特性は低下したが，インプラントの取り扱いには十分な強度を有しており，生体適合性が促進されていることがわかった．

Surface modification techniques are often used to enhance the properties of Ti-based materials as hard-tissue replacements. While the microstructure of coating and the quality of interface between the substrate and coating are essential to evaluate the reliability and applicability of the surface modification. In this study, both a hydroxyapatite (HA) coating and a collagen-hydroxyapatite (Col-HA) composite coating were deposited onto a Ti-6Al-4V substrate using a biomimetic coating process. Importantly, a gradient cross-sectional structure with a porous coating towards the surface while a dense layer adjacent to the interface between the coating and substrate were observed in three-dimensional (3D) from both the HA and Col-HA coatings via a dual-beam focused ion beam-scanning electron microscope (FIB-SEM). Moreover, the pore distributions within the entire coatings were reconstructed in 3D using Avizo and the pores size distributions along the coating depth were calculated using RStudio. By evaluating the mechanical property and biocompatibility of these materials and closely observing the cross-sectional cell-coating-substrate interfaces using FIB-SEM, it was revealed that the porous surface created by both coatings well supports osteoblast cell adhesion while the dense inner layer facilitates a good bonding between the coating and the substrate. Although the mechanical property of the coating decreased with the addition of collagen, it is still strong enough for implant handling and the biocompatibility was promoted.

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