Surface modified metal implants using doped hydroxyapatite

使用掺杂羟基磷灰石进行表面改性的金属植入物

基本信息

  • 批准号:
    8919242
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-09-01 至 2019-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): Musculoskeletal disorders with bone deficiencies, and conditions such as hip and knee problems are common important human health conditions that exist today. In these situations, reconstruction is often accompanied by an artificial metallic implant that must integrate with the surrounding bone. The objective of this grant application is focused on hydroxyapatite (HA) coating with selected dopants and small molecules on Titanium (Ti) substrates to improve bioactivity with enhanced tissue material interactions. The long-term goal of this research is to develop novel HA-coated metal implants by designing compositionally graded, small molecule / ionically doped nanoscale coatings for younger patients and revision surgeries in hip, shoulder or knee implants, with improved in vivo lifetime due to enhanced osseointegration. Our design goals are to: 1) enhanced interfacial mechanical properties via controlled chemistry and microstructure and 2) improve bioactivity and introduce osteoinductivity in HA-coated metal implants. Our preliminary data show that laser and RF induction plasma processed HA and tricalcium phosphate (TCP, another commonly used calcium phosphate phase) coating on Ti can eliminate discrete and weak metal- ceramic interface to improve interfacial strength of coatings. We hypothesize that optimized laser and plasma processing parameters along with dopant chemistry can produce a compositionally graded HA coating with strong interface to improve mechanical stability of coatings in vivo in metal implants. In Aim 1, we will study their gradient microstructure, physical and mechanical properties. We will test and compare our implants with commercially available coated implants from Biomet Inc., please see the attached support letter. Based on our preliminary data, we show that selected dopants can promote early-stage bone tissue integration in rat and control human osteoblast (OB) and osteoclast (OC) activities in vitro. Since Si can induce angiogenesis, Sr and Mg reduce OC activities, Mg and Zn enhance OB activities, we hypothesize that the presence of dopants will regulate in vitro biocompatibility as well as in vivo bone tissue integration. In Aim 2, we will evaluate doped HA coated Ti samples, with interfacial mechanical strength >15 MPa per current ASTM standard, creating an intramedullary defect in the distal femur in rat and rabbit models. Our preliminary data shows that HA and TCP can be used in loading and releasing small molecule drug and protein, e.g. alendronate (AD, a bisphosphonate, BP, drug) / model protein bovine serum albumin (BSA) and presence of AD can increase local bone density. Our hypothesis is that the dopants will improve early stage bone cell attachment and in vivo tissue integration with the coating while the small molecule drug, e.g. Alendronate, will locally increase bone density after implantation, especially in revision surgeries. In Aim 3, we will determine the bioactivity, dopant / drug release kinetics in vitro, followed by in vivo studies to evaluate bone tissue integration of these coatings using intramedullary defects in rat distal femurs. The scientific understanding from this program will lead to improved long-term fixation of cementless joint replacements and other metal implants.
描述(由申请人提供):骨骼缺乏症的肌肉骨骼疾病,髋关节和膝关节问题等疾病是当今存在的重要人类健康状况。在这些情况下,重建通常伴随着必须与周围骨骼整合的人造金属植入物。该赠款应用的目的集中在与钛(Ti)底物上的小分子(Ti)底物上的羟基磷灰石(HA)涂层上,以通过增强的组织材料相互作用来提高生物活性。这项研究的长期目标是通过设计成分分级的小分子 /离子掺杂的纳米级涂料来开发新型的HA涂层金属植入物,并针对年轻患者进行修订手术,并在髋关节,肩膀或膝盖植入物中进行修订手术,并改善了由于骨分解增强而导致的体内寿命。我们的设计目标是:1)通过受控化学和微观结构增强了界面机械性能,以及2)提高生物活性,并在HA涂层金属植入物中引入骨诱导。我们的初步数据表明,TI上的激光和RF诱导等离子体处理的HA和磷酸三钙(TCP,TCP,另一种常用的磷酸钙相)涂层可以消除离散的和弱的金属陶瓷界面,以提高涂料的界面强度。我们假设优化的激光和等离子体加工参数以及掺杂剂化学可以产生具有强界面的成分分级HA涂层,以提高金属植入物中体内涂层的机械稳定性。在AIM 1中,我们将研究它们的梯度微观结构,物理和机械性能。我们将测试和将植入物与Biomet Inc.的市售涂层植入物进行比较,请参阅所附的支持信。根据我们的初步数据,我们表明所选的掺杂剂可以在体外促进大鼠和控制人骨细胞(OB)和破骨细胞(OC)活性的早期骨组织整合。由于SI可以诱导血管生成,SR和MG降低了OC活性,因此MG和Zn增强了OB活性,我们假设掺杂剂的存在将调节体外生物相容性以及体内骨组织整合。在AIM 2中,我们将评估掺杂的HA涂层Ti样品,每个当前ASTM标准的界面机械强度> 15 MPa,在大鼠和兔模型中造成远端股骨的内内缺陷。我们的初步数据表明,HA和TCP可用于加载和释放小分子药物和蛋白质,例如Alendronate(AD,双膦酸盐,BP,药物) /模型蛋白牛血清白蛋白(BSA)和AD的存在可以增加局部骨密度。我们的假设是,掺杂剂将改善早期骨细胞的附着和体内组织与涂层的整合,而小分子药物,例如Alendronate,将在本地增加 植入后的骨密度,尤其是在修订手术中。在AIM 3中,我们将在体外确定生物活性,掺杂剂 /药物释放动力学,然后进行体内研究,以评估大鼠远端股骨中使用内部尿液缺陷来评估这些涂层的骨组织整合。该计划的科学理解将导致改善水泥无关替代物和其他金属植入物的长期固定。

项目成果

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