Lightweight Open-Cell Scaffolds from Sea Urchin Spines with Superior Material Properties for Bone Defect Repair

材料科学 脚手架 海胆 抗压强度 生物医学工程 复合材料 生物 医学 古生物学
作者
Lei Cao,Xiaokang Li,Xiaoshu Zhou,Yong Li,Kenneth S. Vecchio,Lina Yang,Wei Cui,Rui Yang,Yue Zhu,Zheng Guo,Xing Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (11): 9862-9870 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acsami.7b01645
摘要

Sea urchin spines (Heterocentrotus mammillatus), with a hierarchical open-cell structure similar to that of human trabecular bone and superior mechanical property (compressive strength ∼43.4 MPa) suitable for machining to shape, were explored for potential applications of bone defect repair. Finite element analyses reveal that the compressive stress concentrates along the dense growth rings and dissipates through strut structures of the stereoms, indicating that the exquisite mesostructures play an important role in high strength-to-weight ratios. The fracture strength of magnesium-substituted tricalcium phosphate (β-TCMP) scaffolds produced by hydrothermal conversion of urchin spines is about 9.3 MPa, comparable to that of human trabecular bone. New bone forms along outer surfaces of β-TCMP scaffolds after implantation in rabbit femoral defects for one month and grows into the majority of the inner open-cell spaces postoperation in three months, showing tight interface between the scaffold and regenerative bone tissue. Fusion of beagle lumbar facet joints using a Ti-6Al-4V cage and β-TCMP scaffold can be completed within seven months with obvious biodegradation of the β-TCMP scaffold, which is nearly completely degraded and replaced by newly formed bone ten months after implantation. Thus, sea urchin spines suitable for machining to shape have advantages for production of biodegradable artificial grafts for bone defect repair.
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