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Renforcement des matériels médicaux basés sur titane miniaturisés : une entrevue avec M. Masaru Rao, Université de Californie, rive

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Pour quoi est-ce que des matériels médicaux miniaturisés sont effectués à partir du titane type utilisé ?

Pas beaucoup… au moins pas encore. Tandis que le titane est appliqué largement pour des matériels médicaux plus conventionnels de macro-échelle (par exemple implants de hanche, implants dentaires, et stimulateurs cardiaques), son utilisation pour micro et des dispositifs de nano-écaille a été limités jusqu'ici.

Cette limitation est due, dans la grande partie, du manque de technologies de fabrication qui peuvent permettre d'accéder à ces écailles réduites de longueur. Notre technologie réactive profonde titanique développée récemment gravure d'ion (Ti DRIE) adresse maintenant cette limitation.

En soi, nous croyons qu'elle présentera le moyen neuf de la réalisation des matériels médicaux radicalement miniaturisés, et faisons ainsi utilisant un matériau avec le biocompatibility bien-prouvé dans des applications continuelles d'implantation.

Les exemples des dispositifs actuel en cours de développement dans notre laboratoire comprennent des microneedles pour la distribution minimal-invasive de médicament, des armatures intra-artérielles vasculaires pro-curatives, et des surfaces adjacentes prothétiques neurales robustes.

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Vous avez récent reçu un de cinq ans, première récompense de développement de la vie professionnelle de $400.000 corps enseignant (CARRIÈRE) du National Science Foundation pour essayer de renforcer les matériels médicaux basés sur titane miniaturisés. Pourquoi les dispositifs actuels ne sont-ils pas assez intenses ?

Tandis que les matériels médicaux basés sur titane micro et de nano-écaille ne sont pas encore procurables, presque tout l'aujourd'hui en service de pièces métalliques de macro-échelle se fondent sur une certaine forme du renforcement (par exemple alliage) pour améliorer leurs performances et fiabilité.

Intéressant, cependant, il y a eu considération minimale du renforcement pour les dispositifs micro et de nano-écaille jusqu'ici. C'est dû, dans la grande partie, des limitations imposées par des techniques micromachining de courant.

Par exemple, notre technique du Ti DRIE fonctionne seulement avec du Ti pur, dû à la nature hautement chimique du mécanisme matériel de démontage sur lequel elle est basée. Ceci exclut, pour cette raison, l'opportunité pour l'usage d'autres alliages biomédicaux de haute résistance (par exemple acier inoxydable), ou même les alliages de haute résistance de Ti (par exemple Ti 6-4), puisque tous contiennent les éléments métalliques complémentaires qui compromettent le procédé micromachining.

Quels avantages seraient là des matériels médicaux miniaturisés renforcés ont effectué à partir du titane ?

Comme à la macro-échelle, les performances et fiabilité des dispositifs micro et de nano-écaille pourraient être améliorées de manière significative si nous pouvons augmenter leur force.

Les dispositifs basés sur titane de microneedle que nous développons actuel représentent un de beaucoup d'exemples à cet égard. Microneedles sont des structures pénétrantes de micro-échelle qui sont, dans le sens le plus simple, des versions fortement miniaturisées des pointeaux hypodermiques conventionnels.

La taille diminutive des microneedles présente le moyen de réduire de manière significative les dégâts pendant la pénétration de tissu, qui peut éventuel mener au temps curatif réduit et au rendement accru de dispositif.

En collaboration avec Malik Kahook, un professeur au Service d'Ophtalmologie à l'université du Colorado, nous avions exploré le potentiel pour les microneedles se développants pour livrer des médicaments à l'oeil.

Puisque ces dispositifs se destinent pour la pénétration relativement de robuste mais également des tissus extrêmement sensibles, tels que la cornée et la sclère, la force est essentielle.

D'ailleurs, une résistance accrue nous permettra d'effectuer de plus petits dispositifs, qui réduiront la force de traumatisme et de mise en place de tissu, qui sont métrique importante de rendement.

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Comment vous planification pour développer des techniques pour renforcer les matériels médicaux basés sur titane miniaturisés ?

Tandis que les nombreuses méthodes existent pour renforcer à la macro-échelle, peu sont traduisibles au micro et à la nano-écaille. Cependant, une méthode qui se montre prometteur à cet égard est la nitruration de gaz, qui est appliquée largement pour augmenter la résistance à l'usure des pièces conventionnelles en métal de macro-échelle (par exemple arbres à cames d'engine durcis par cas).

Nous croyons ce potentiel significatif de prises de technique pour nos matériels médicaux miniaturisés, puisqu'il peut être appliqué après qu'ils aient été fabriqués, de ce fait évitant les limitations de processus mentionnées ci-dessus de compatibilité.

Cependant, il est important de mettre l'accent sur que la traduction de cette technique à nos dispositifs ne sera pas comme simple les relâchant dans un four conventionnel de nitruration. Il y a un certain nombre de compromis potentiels seuls aux micro et à la nano-écaille qui doivent être compris mieux pour évaluer la faisabilité.

Comment votre travail a-t-il été influencé par la fabrication automobile ?

Notre travail n'est pas influencé par la fabrication automobile en soi, mais plutôt à la fabrication avancée en général. Cette influence résulte de l'opportunité unique qui existe maintenant pendant des décennies de filetage des avances en métal conventionnel traitant pour améliorer les performances et fiabilité de nos dispositifs.

La traduction de la nitruration de gaz au micro et à la nano-écaille représente un exemple de ceci. Cependant, nous prévoyons également l'opportunité pour la traduction dans le sens inverse aussi bien.

Particulièrement, nous envisageons le potentiel pour l'usage du Ti DRIE d'améliorer le rendement et/ou la fonctionnalité des dispositifs conventionnels de macro-échelle par la fabrication des structures micro ou de nano-écaille directement dans de plus grandes pièces de titane de macro-échelle.

Par exemple, il est concevable que notre procédé du Ti DRIE pourrait permettre l'intégration des détecteurs de pression de micro-échelle directement dans des implants de hanche. Ceci pourrait alors présenter le moyen de la surveillance à long terme du transfert de charge à partir de l'os environnant, de ce fait permettant le dépistage de l'implant se desserrant bien avant que les dégâts irréversibles se soient produits.

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Pensez-vous la fabrication de matériel médical devriez-vous prendre l'inspiration de autres applications ?

Certainement, il reste beaucoup qui peut être instruit d'autres applications. Par exemple, pendant les dernières décennies, là avait augmenté l'intérêt pour l'examen à la nature pour les solutions neuves aux problèmes provocants dans beaucoup de domaines.

Les armatures intra-artérielles vasculaires pro-curatives que nous développons actuel représentent un de beaucoup d'exemples à cet égard. Les armatures intra-artérielles sont des échafaudages de mm-écaille qui sont employés pour étayer les artères ouvertes encrassées par habillage de plaque.

Tandis que les armatures intra-artérielles ont été dans l'utilisation répandue pour plus qu'une décennie, un petit pourcentage des patients recevant de tels dispositifs souffrent toujours des complications sérieuses qui résultent de la guérison inachevée du récipient autour de l'armature intra-artérielle.

En collaboration avec Victor Rodgers, un professeur dans le service de la bio-ingénierie ici à UCR, nous avions exploré le potentiel pour réduire de telles complications par la création de précis-définir, la nano-écaille, structures comme discordante sur la surface des armatures intra-artérielles basées sur titane qui peuvent accélérer le processus de guérison.

Bien que les mécanismes exacts ne soient toujours pas comprise bonne, elle a présumé que de telles structures facilitent des interactions cellulaires plus favorables avec la surface d'armature intra-artérielle, puisqu'elles commencent à imiter la topographie de la matrice extracellulaire indigène que les cellules agissent l'un sur l'autre avec dans le fuselage.

Combien de temps la pensez-vous prendrez-vous pour que développiez-vous des techniques pour renforcer les matériels médicaux basés sur titane miniaturisés ?

Si tout va selon les la prévisions, nous devrions avoir l'épreuve-de-concept dans les prochaines années. L'application à nos efforts de développement actuels de dispositif devrait alors suivre peu ensuite.

Comment est-ce que vous pensez-vous le contrat à terme aux matériels médicaux basés sur titane miniaturisés vous développerez ?

En présentant le moyen non seulement des structures basées sur titane de usinage aux longueur-écailles sans précédent petites, mais également des fonctionnalités multiples intégrantes fortement dans de telles structures (par exemple élém. élect., hydraulique, thermique, etc.), nous croyons que le Ti DRIE servira de technologie principalement de activation de plate-forme aux matériels médicaux miniaturisés.

Nos efforts actuels dans l'intervention vasculaire, la distribution minimal-invasive de médicament, et le neuroprosthetics représentent le sommet de l'iceberg à cet égard. En soi, nous attendons avec intérêt de fonctionner avec des cliniciens, des chercheurs, et des constructeurs de matériel médical à aider à recenser et satisfaire le mal desservi irrésistible ou les besoins imprévisibles dans ces derniers et d'autres endroits.

Où peuvent les lecteurs trouver plus d'informations ?

Les informations supplémentaires peuvent être trouvées sur le site Web de Biomedical Microdevices Laboratory de prof. Rao's : http://www.engr.ucr.edu/~mprao/index.html

Au sujet de M. Masaru Rao

GRANDE IMAGE de Masaru RaoProf. Rao a reçu son B.S. en science des matériaux et bureau d'études de l'université de la Floride avec la spécialisation en métallurgie. Il a reçu son Ph.D. en matériaux concevant de l'Université de Californie, Santa Barbara (UCSB), sous la direction de prof. Fred Lange dans l'endroit de la céramique structurelle.

Après graduation, il a reçu une position de chercheur post-doctoral dans le groupe de prof. Noel MacDonald's dans le service d'industrie mécanique à l'UCSB, où il était un membre intégral de l'équipe qui a développé les techniques micromachining basées sur plasma qui permettent, pour la première fois, gravure d'ion réactive profonde de titane en vrac.

Il a joint l'Université de Purdue en tant que professeur adjoint à l'école de l'industrie mécanique et à l'école des matériaux concevant (par accueil) en janvier 2007.

Il a déménagé au service de l'industrie mécanique à l'Université de Californie, la rive (UCR) en janvier 2009, et est un membre de la faculté de faisceau en science des matériaux et programme de bureau d'études et membre de la faculté participant dans le service de la bio-ingénierie.

Les intérêts de recherches de prof. Rao's se situent dans le développement d'activer principalement les systèmes MicroElectroMechanical (MEMS) ont basé des technologies de la transformation, des dispositifs, et des instruments qui satisfont les besoins critiques dans la santé publique, facilitent l'instruction scientifique, et avancent la compréhension dans les endroits de l'importance médicale.

Les efforts actuels se concentrent principalement sur le développement des microdevices biomédicaux pour des applications comprenant l'intervention cardiovasculaire, la distribution minimal-invasive de médicament, les neuroprostheses, et la manipulation cellulaire de débit ultra-haut.

Il a authored/co-authored plus de 30 articles de tourillon et résolutions de conférence, a 2 attribué et 3 en attendant des brevets, et a présenté des conférences invitées dans les domaines s'échelonnant des composés céramiques à MEMS.

Prof. Rao est un bénéficiaire de la récompense de CARRIÈRE de NSF (2013) et est un membre de la Division d'ASME MEMS, société de génie biomédical, la société de recherches de matériaux, bureau d'études d'IEEE dans la société de médicament et de biologie, et la société de dispositifs d'électron d'IEEE.

La recherche de prof. Rao's est financée par un grand choix d'agences fédérales (NIH, NSF, et DoD), ainsi que parraineurs industriels et internes.

April Cashin-Garbutt

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April Cashin-Garbutt

April graduated with a first-class honours degree in Natural Sciences from Pembroke College, University of Cambridge. During her time as Editor-in-Chief, News-Medical (2012-2017), she kickstarted the content production process and helped to grow the website readership to over 60 million visitors per year. Through interviewing global thought leaders in medicine and life sciences, including Nobel laureates, April developed a passion for neuroscience and now works at the Sainsbury Wellcome Centre for Neural Circuits and Behaviour, located within UCL.

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