Bioactive Coatings and Fibers for Bone Implants and Scaffolds by Atomic Layer Deposition, Electrospinning, Solution Blow Spinning and Electroblowing

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2672-6
Title: Bioactive Coatings and Fibers for Bone Implants and Scaffolds by Atomic Layer Deposition, Electrospinning, Solution Blow Spinning and Electroblowing
Author: Holopainen, Jani
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2017-01-13
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2672-6
http://hdl.handle.net/10138/169566
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Bone is a fibrous nanocomposite material with a complex hierarchical system of different macro-, micro- and nanostructures. The structure elegantly supports the bone cell functions and facilitates bone remodeling by cellular activity. Injuries and diseases, e.g. osteoporosis, can cause bone fractures and loss that need to be treated with orthopedic implants. The global orthopedic market was estimated at $30 500 000 000 in 2012 and predicted to grow rapidly. A substantial amount of this goes to revision surgery due to implant failures. This not only causes unnecessary costs and work but reduces the quality of life for patients. The key for improving the performance of current implants lies in optimizing both the surface chemistry and structure from macro- to nanoscale. At best bone defects can be treated with bone scaffolds that induce formation of new bone via cellular functions and are degraded by the body thus evading the need for implant removal surgery. However, combining the favorable mechanical, structural and chemical properties poses challenges for the design and preparation methods used for bone implants and scaffolds. The aim of this work was to investigate the preparation of thin film and fibrous biomaterials for bone implants and scaffolds. New processes were developed for various biomaterials and their properties were thoroughly characterized. A method to convert CaCO3 nanostructures to nanocrystalline hydroxyapatite (HA) by treatment in phosphate solution was used to prepare HA thin films and fibers from atomic layer deposited (ALD) and electrospun CaCO3, respectively. HA fibers were also fabricated conventionally by annealing electrospun composite fibers that incorporated Ca and P precursors. Biocomposite fibers of HA nanoparticles and polylactic acid (nHA/PLA) were directly electrospun. These different nanofibers are highly interesting for bone scaffolds owing to their high surface area and the structural similarity to the fibrous nanostructure found in bone. However, conventional electrospinning is limited by its modest production rate. A needleless twisted wire electrospinning (NTWE) setup was developed to increase the production rate and was studied for the preparation of HA fibers for the bone scaffolds. Solution blow spinning (SBS) and electroblowing (EB) of HA were studied as other upscaling alternatives. Promising results were obtained in cell culture studies with the different materials. The electrospun materials could find use in fibrous bone scaffolds. The HA fibers were found out to be very interesting from a biological standpoint, but the fragility of the fibers limits their usability as such and therefore methods to incorporate bioceramic fibers into more rigid support structures should be developed. The method to prepare nanocrystalline HA by the conversion of CaCO3 proved to be highly conformal as evidenced by its ability to preserve the original shape of the ALD films and electrospun fibers. NTWE and EB were shown to be capable of producing high quality nanofibers and to provide a viable upscaling route to conventional electrospinning. In contrast, the quality of the SBS fibers needs improvement. Further work would be required to conclude if EB and NTWE are upscalable to industrial scale production levels.Luu on kuitumainen nanokomposiittimateriaali, joka on monimutkainen hierarkkinen järjestelmä makro-, mikro- ja nanorakenteita. Rakenne tukee luun uudistumista luusolujen toiminnan kautta. Loukkaantumiset ja sairaudet, kuten osteoporoosi, voivat aiheuttaa luumurtumia ja -katoa joita hoidetaan luuimplanteilla. Merkittävä osa implanteista kuitenkin pettää hoitojakson aikana, johtuen joka huonosta kiinnittymisestä luuhun tai mekaanisen rasituksen takia. Luuimplanttien suorituskyvyn parantamiseksi sekä implantin pintakemia että rakenne makroskaalasta nanoskaalaan täytyy optimoida. Parhaimmillaan voitaisiin käyttää implantteina luun kasvun tukirakenteita, jotka integroituvat luun luonnolliseen uudistumissykliin, missä rakenne aktivoi luusoluja muodostamaan uutta luuta joka korvaa hitaasti hajoavan tukirakenteen. Täten implantti poistuu elimistöstä luonnollisesti ilman erillistä poistoleikkausta. Tämän työn tarkoitus oli kehittää uusia prosesseja kuitumaisille ja ohutkalvobiomateriaaleille käytettäväksi luun kasvun tukirakenteissa ja muissa luuimplanteissa. Nanokiteisiä hydroksiapatiittikuituja ja -ohutkalvoja valmistettiin fosfaattiliuoskonversiolla sähkökehrätyistä CaCO3-nanokuiduista ja atomikerroskasvatetuista CaCO3-ohutkalvoista. Hydroksiapatiittikuituja valmistettiin myös kalsinoimalla kalsium- ja fosforilähtöaineet sisältäviä sähkökehrättyjä komposiiittikuituja. Hydroksiapatiitin ja polylaktidin biokomposiittikuituja sähkökehrättiin suoraan. Nämä nanokuidut eri biomateriaaleista ovat kiinnostavia luun kasvun tukirakanteisiin johtuen niiden suuresta pinta-alasta ja rakenteellisuudesta samankaltaisuudesta luun kuiturakenteen kanssa. Perinteisen neulasähkökehräyksen käyttöä teollisuudessa rajoittaa sen vaatimaton tuottavuus. Hydroksiapatiittikuitujen tuoton parantamiseksi tutkittiin puhalluskehräystä ja sähköpuhalluskehräystä suuremman tuottavuuden vaihtoehtoina sähkökehräykselle ja kehitettiin uudenlainen neulaton kierrelankasähkökehräyslaitteisto. Solukokeissa saatiin lupaavia tuloksia tutkituille biomateriaaleille. Sähkökehrätyt kuidut soveltuvat käytettäväksi luun kasvun tukirakenteissa. Hydroksiapatiittikuidut osoittautuivat biologisilta ominaisuuksiltaan erittäin mielenkiintoiseksi materiaaliksi tukirakenteisiin, mutta keraamisten kuitujen hauraus rajoittaa niiden käyttöä sellaisenaan. Atomikerroskasvatettuja CaCO3-kalvoja ja sähkökehrättyjä CaCO3-kuituja pystyttiin konvertoimaan nanokiteiseksi hydroksiapatiitiksi säilyttäen kuitujen ja kalvojen alkuperäinen muoto. Puhalluskehrättyjen kuitujen laatu oli heikko verrattuna sähkökehrättyihin kuituihin. Vastaavasti neulaton kierrelankasähkökehräys ja sähköpuhalluskehräys osoittautuivat hyviksi keinoiksi tuottavuuden lisäämiseksi nanokuitujen valmistuksessa, mutta vaativat jatkotutkimuksia tuottavuuden kasvattamiseksi teolliseen mittakaavaan.
Subject: kemia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Bioactiv.pdf 15.09Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record