Additively Manufactured SiO2 and Cu-Added Ti Implants for Synergistic Enhancement of Bone Formation and Antibacterial Efficacy

骨整合 材料科学 体内 核化学 植入 生物医学工程 冶金 化学 外科 医学 生物技术 生物
作者
Sushant Ciliveri,Amit Bandyopadhyay
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 3106-3115 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.3c14994
摘要

Commercially pure titanium (CpTi), a bioinert metal, is used as an implant material at low load-bearing sites and as a porous coating on Ti6Al4V at high load-bearing sites. There is an unmet need for metallic biomaterials to improve osseointegration and inherent antimicrobial resistance. In this study, we have added 1 wt % SiO2 and 3 wt % Cu to the CpTi matrix and processed via metal additive manufacturing (AM). Si4+ ions promote angiogenesis and osteogenesis. CpTi-SiO2 composition exhibited 4.5 times higher bone formation at the bone–implant interface over CpTi in an in vivo study with a rat distal femur model. In vitro bacterial studies with Gram-positive Staphylococcus aureus bacterium revealed 85% antibacterial efficacy by CpTi-SiO2-3Cu than CpTi. CpTi-SiO2-3Cu did not show any inflammatory markers in vivo, indicating the absence of cytotoxicity, but displayed delayed osseointegration compared to CpTi-SiO2. CpTi-SiO2-3Cu displayed 3-fold higher mineralized bone formation than CpTi. Our results emphasize the synergistic effect of SiO2 and Cu addition in CpTi, promoting enhanced early stage osseointegration and inherent antibacterial efficacy, contributing toward implant longevity and stability in vivo.
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