In-silico design and experimental validation of TiNbTaZrMoSn to assess accuracy of mechanical and biocompatibility predictive models

生物相容性 材料科学 表面粗糙度 Zeta电位 合金 微观结构 氧化物 表面电荷 表面光洁度 生物医学工程 复合材料 纳米技术 冶金 化学 纳米颗粒 物理化学 医学
作者
Carmen Torres-Sánchez,Enrique Alabort,Jing Wang,M. Norrito,Paul Conway
出处
期刊:Journal of The Mechanical Behavior of Biomedical Materials [Elsevier BV]
卷期号:124: 104858-104858 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.jmbbm.2021.104858
摘要

Numerical design of TiNbTaZrMoSn alloy preceded its manufacture and mechanical, physico-chemical and in vitro characterisation. The specifications of the alloy required a multi-objective optimisation including lower modulus of elasticity than c.p.Ti, high strength, stabilised β crystal structure with a low martensitic start temperature, a narrow solidification range and high biocompatibility. The results reveal that there was a good match between the bulk mechanical properties exhibited by the alloy experimentally and those predicted. Regarding surface properties, independent of roughness effects, the oxide thickness and surface zeta-potential, measured in biologically relevant electrolytes and at physiological pH, arose as important factors in osteoblastic activity (i.e., cell proliferation, measured via DNA, protein and metabolite content, and differentiation, via ALP levels), but not in cell adhesion and viability. The thinner oxide layer and lower absolute value of surface zeta-potential on the TiNbTaZrMoSn alloy explain its lesser osteogenic properties (i.e., inhibition of ALP activity) compared to the c.p. Ti. This study demonstrates that the numerical models to predict microstructure and bulk mechanical properties of β-Ti alloys are robust, but that the prediction of cellular bioactivity lags behind and still requires parameterisation to account for features such as oxide layer composition and thickness, electro-chemical properties and surface charge, and topography to optimise cell response in silico before committing to the costly manufacture and deployment of these alloys in regenerative medicine.

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