Diese Arbeit wurde von einem EPSRC CASE studentship in Zusammenarbeit mit Ceramisys Ltd. unterstützt und ist auch mit Mede Innovation, der EPSRC Zentrum für Innovative Produktion in Medical Devices [Gewährungsnummer EP / K029592 / 1] verbunden ist. Die Autoren möchten sich auch Robert Burton an der Sheffield Hallam University für XRF-Analyse zu danken.

<img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig1.jpg" /> Abbildung 1. Schematische Darstellung des schnellen Mix Herstellung von nanoskaligen bioinspirierter Hydroxyapatit. Die Phosphorsäurelösung wurde in die Calciumhydroxid-Suspension gegossen. Nachdem die Suspension über Nacht besiedelt wurde die NHA mit deionisiertem Wasser gewaschen, bevor sie bei 60 bis 80 ° C getrocknet wird. Die NHA wurde gemahlen, dann in einem Achatmörser und Stößel und gesintert wird, die thermische Stabilität des NHA Produkt zu untersuchen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 1. Schnelle Mix Herstellung nanoskaliger Hydroxylapatit <ol><li> Herstellung von Calcium- und Phosphorlösungen 5 g nanoskaliger Hydroxylapatit zur Herstellung einer Calcium unter Verwendung Molverhältnis von 1,67 zu Phosphor. <ol><li> Hinzufügen 3,705 g Calciumhydroxid500 ml deionisiertes Wasser hinzu und rühre auf einem Magnetrührer Platte für 1 h bei 400 Upm. </li><li> In einem separaten Becherglas löst man 3,459 g Phosphorsäure (85%) in 250 ml entsalztem Wasser. </li></ol></li><li> Gießen der Phosphorlösung in das Rühren Calciumhydroxid-Suspension mit einer Rate von etwa 100 ml / s. Abdecken Becherglas mit Parafilm (Bemis, USA). </li><li> Lassen die Suspension 1 h bei 400 Upm gerührt. </li><li> Nehmen Sie den Becher von der Rührplatte und lassen über Nacht absetzen. </li><li> Waschen der Suspension durch den Überstand abgegossen und Zugabe von 500 ml deionisiertem Wasser und für 1 min bei 400 rpm gerührt wurde. Wiederholen Sie diesen Schritt insgesamt dreimal mit 2 h zwischen jeder Wäsche. </li><li> Lassen Sie NHA Suspension über Nacht absetzen. </li><li> Gießen Sie den klaren Überstand ab und legen die ständige NHA Suspension in einem Trockenschrank eingestellt auf 60 bis 80 ° C. </li><li> Wenn es trocken ist, legen Sie die getrockneten NHA in einem Achatmörser und Stößel und schleifen, bis fein. </li><li> Place 2.5 g produced NHA Pulver in einem bei 1000 ° C Pulver Aluminiumoxidtiegel und Sinter für 2 h einer Anstiegsrate von 10 ° C / min verwendet wird. Nach der Wärmebehandlung, lassen Sie die NHA im Ofen abkühlen lassen. </li><li> Shop-Pulver in einem Vakuum-Exsikkator. </li></ol> 2. Charakterisierung von nanoskaligen Hydroxyapatit <ol><li> Röntgenbeugung (XRD) unter Verwendung von Übertragungsmodus Diffraktometer <ol><li> Legen Sie eine kleine Menge (dh weniger als 200 &amp; mgr; l) von Poly (Vinylalkohol) (PVA) Kleber auf Acetatfilms und mischen sich mit einer kleinen Menge (dh weniger als 100 mg) von NHA Pulver. </li><li> Behandeln mit einer Heißluftpistole, bis sie trocken. </li><li> Montieren Sie die Probe in einen Probenhalter und Last auf einem Übertragungsmodus Röntgendiffraktometer mit Cu K α - Strahlung. </li><li> Verwenden Sie Diffraktometer Einstellungen von 40 kV und 35 mA, mit einem 2θ Bereich von 10-70 °. </li><li> Analysieren Sie die resultierende Röntgenbeugungsmuster. </li><li> Verwenden Sie die folgenden XRD-Karten für die Phasenanalyse: Hydroxyapatit: 9-432. ß-Tricalciumphosphat: 04-014-2292. </li></ol></li><li> Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) <ol><li> Legen Sie eine kleine Menge an Pulver (dh weniger als 10 mg) in einem Bijou und fügen etwa 3 ml Ethanol. </li><li> Ultra-beschallte Probe für 15 - 30 Minuten, bis eine homogene Suspension beobachtet. </li><li> Pipette eine kleine Menge der Lösung (dh weniger als 1 ml) auf ein 400 mesh Kupfergitter mit Kohlenstofffilm und trocknen lassen. </li><li> Bildproben bei einer Beschleunigungsspannung von 80 kV. </li></ol></li><li> Röntgenfluoreszenz (XRF) Service durch die Werkstoffe und Engineering Research Institute (MERI) an der Sheffield Hallam University <ol><li> Kombinieren 0,8 g NHA Pulver mit 8 g Lithiumtetraborat. </li><li> Schmelzmischung in einer Platin-Gold-Legierung Tiegels unter Verwendung eines Ofens auf 1200 ° C. </li><li> Analyse resultierenden Proben in einer XRF-Spektrometer zur Bestimmung der Elementzusammensetzung vondie Beispiele. </li></ol></li><li> Fourier-Transformations - Infrarot - Spektroskopie in abgeschwächter Totalreflexionsmodus (FTIR-ATR) <ol><li> Führen Sie 64 Hintergrund - Scans von 4000 - 500 cm -1 mit einer Auflösung von 4 cm -1. </li><li> Legen Sie eine kleine Menge (dh weniger als 100 mg) von NHA Pulver auf der Oberseite des Diamanten in der abgeschwächter Totalreflexion Modus Adapter und komprimieren auf die Oberfläche des Diamanten mit der Schraube oben. </li><li> Führen 32 Scans von 4.000 - 500 cm -1 mit einer Auflösung von 4 cm -1 mit den Hintergrundscans von den Probenscans subtrahiert. </li></ol></li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Natürliche Apatit - Teilchen nanoskalige , bestehend aus nicht-stöchiometrischen Karbonat - Hydroxyapatit mit der ungefähren chemischen Formel Ca 10-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. Die Herstellung von Biomaterialien mit engen chemischen Ähnlichkeit zu natürlich vorkommenden Mineral wurde berichtet, dass eine optimale biologische Reaktionen zu fördern. Zum Beispiel Forschung über biomimetische Calcium-defizienten kohlensäure NHA hat gezeigt , es in der Lage die Proliferation und die alkalische Phosphatase - Aktivität von Maus - Präosteoblasten - Zellen in einem größeren Ausmaß als herkömmliche NHA 19 zu stimulieren ist. Die Fällung von HA in dieser Studie, die bei 1000 ° C (Abbildung 2) vorgeschlagen , um die Bildung eines Calcium-defizienten HA teilweise thermische Zersetzung zeigten. Dies wurde durch die niedriger als stöchiometrische Ca unterstützt: P - Verhältnis (1,63) , die mit den XRF - Daten (T1 in der Lage). Es versteht sich, dass eine reduzierte Ca: P - Verhältnis mit einer geringeren thermischen Stabilität 20 verbunden ist, 21, 22, 23. Bei diesem Verfahren verringert die schnelle Zugabe des Phosphorsäurelösung schnell der pH - Wert der Reaktionssuspension HPO 4 Ionen zu erzeugen. Die Anwesenheit von HPO 4 Gruppen erleichtert die Ausfällung von Calcium - defizienten HA, mit der Molekülformel: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, wobei 0 &lt;x &lt;1 ist . Die rasche Zugabe der Phosphorsäure hatte daher eine deutliche Wirkung auf die Präzipitation Kinetik der Reaktion. Wie zuvor beschrieben, Titrationsreaktionen Calciumhydroxid und Phosphorsäure denen bei Raumtemperatur durchgeführt neigten Teilchen mit einem hohen Aspektverhältnis 13 zu ergeben. Für titration Reaktionen dieser Reaktanten beteiligt war es notwendig , eine erhöhte Temperatur zu verwenden Teilchen herzustellen mit einem niedrigeren Aspektverhältnis , die mehr sind ähnlich biologischen Apatits 13. Mit hohem Aspektverhältnis Partikel erzeugt werden , wenn die Kristallkeimbildungsgeschwindigkeit langsamer ist als die Kristallwachstumsrate 24. Für das neue Verfahren in dieser Studie entwickelt, kann die schnelle Zugabe der Phosphorsäure-Lösung haben eine größere Anzahl von Keimbildungsstellen versehen ist, die in der erhöhten Anwesenheit von kleinen runden Teilchen resultierte, wie mit einem größeren Seitenverhältnis weniger Partikel entgegengesetzt. Wie die Autoren nicht vollständig die Auswirkungen von sich langsam die Phosphorsäure in die Calciumhydroxid-Suspension gießt, um konsistente Ergebnisse zu erreichen, untersucht wird empfohlen, die Phosphorsäure mit einer Rate mit der in dem Video gezeigt angemessenen gegossen (ca. 100 mL / s). Bei der Entwicklung dieses Verfahrens, die Autoren inveine Reihe von inkrementellen Änderungen an der NHA Herstellungsverfahren estigated auf Basis von Prakash et al. 13 einschließlich der Vergleich von Produkten mit der langsamen Titration und die schnelle Zugabe des Phosphorsäurelösung 25 hergestellt. Es wurde festgestellt, dass die langsame Titration der Phosphorsäure in die Calciumhydroxid-Suspension mit einer Calciumhydroxid-Rest in einem Produkt geführt. Wir schlagen vor, dass der pH-Änderung durch die schnelle Zugabe von Phosphorsäure verursacht die Auflösung des Calciumhydroxids gefördert und daher für die erfolgreiche Umsetzung der Reaktanden in Hydroxyapatit erlaubt. Ein Vergleich von Produkten bereit, die schnelle Mischverfahren bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen (60 ° C) unter Verwendung gefunden, dass eine erhöhte Temperatur in einer höheren Leitfähigkeit geführt, nachdem die Reaktion abgeschlossen war. Dies deutete darauf hin, daß restliche Calciumhydroxid war vorhanden, die wahrscheinlich aufgrund der geringeren Löslichkeit von Calciumhydroxid zu sein beierhöhten Temperaturen. Das Vorhandensein von Rest Calciumhydroxid war unerwünscht, da die grundlegende Natur dieser Verbindung Biokompatibilität beeinträchtigen könnten. FTIR detektiert die Charakteristik - Phosphat und Aktivitäts Hydroxylgruppe assoziiert mit HA (Abbildung 3). Es wurde festgestellt, daß das Spektrum für das gesinterte Produkt schärfere Phosphat und Hydroxyl Peaks zeigte. Diese Änderungen wurden mit einem größeren Produkt Kristallinität 26, 27 .Die ungesinterten Spektrum bereitgestellt Beweis für B-Typ Carbonat Substitution assoziiert wo Carbo haben für Phosphatgruppen substituiert sind . Dies steht im Gegensatz zu A-Typ - Substitution in dem Carbonationen für Hydroxylgruppen 17 ersetzen kann. Es wurde berichtet , dass B-Typ - Karbonat Substitution 3 in biologischen Apatit auftritt. Jedoch Tampieri et al. berichtet, dass während Substitution B-Typ war predominAmeise in jungen Knochen, A-Typ Karbonat Substitution war immer präsent in den Knochen von älteren Menschen 28. Carbonate Substitution wurde die Kristallinität und thermische Stabilität des NHA gleichzeitiger Erhöhung seiner Löslichkeit zu verringern gefunden. Diese Änderungen wurden der erhöhten Bioaktivität von Carbonat-substituierten HA 29 beizutragen vorgeschlagen. Biological HA ist auch in der XRF - Analyse (Tabelle 1), wie Magnesium, Natrium und Strontium 30 aufgezeichnet bekannt , dass einige der anderen Elemente zu enthalten. Das Vorhandensein dieser Elemente können auch dazu beitragen, die biologische Wirksamkeit erhöht. Zukünftige Arbeiten sollten bei der Herstellung dieser nanoskaligen substituierten Apatit, und auch Produkte mit einer erhöhten Biofunktionalität wie silberdotierte NHA 31 gerichtet werden. Um substituierte NHA, das Element zur Vorbereitung kann mit einer entsprechenden Reduktion des beabsichtigten Element eingeführt werden, um Substitute für, beispielsweise eine Verringerung der Menge der Calciumverbindung , wenn Strontium, Magnesium oder Zinksubstitutions 32 versucht wird. Alternativ kann ein anderer Ansatz Elemente mit der Absicht hinzuzufügen von &#39;dotierter&#39; Ionen bereitzustellen , die auf der Oberfläche des NHA vorhanden sind , ohne notwendigerweise die Absicht des Elements in die HA - Kristallgitter 31 zu ersetzen. Für diese Modifikationen dem Verfahren ist es möglich, gemischte Lösungen, wie Calciumhydroxid und Silbernitrat herzustellen, und die Reaktion in der gleichen Weise auszuführen, wie hier beschrieben. Abschließend berichtet dieses Papier einen neuartigen, schnell und wesentlich verbessertes Verfahren zur Herstellung von bioinspirierter NHA. Bei dieser Methode erfolgt die schnelle Vermischung der Chemikalien weniger als 5 Sekunden, was eine deutliche Verringerung der Zeit, ist im Vergleich zu Titrationen Reaktionen typischerweise Stunden sorgfältige Überwachung erfordern. Es hat ein großes Potenzial für den Einsatz in biomaterial Entwicklung aufgrund seiner relativen Einfachheit und der geringen Kosten im Vergleich zu derzeit industriell NHA Fertigungsverfahren eingesetzt, bei denen die inhärente Komplexität der gegenwärtigen kommerziellen Systemen führt zu langen Forschungs- und Entwicklungszeiten und die Herstellungskosten wesentlich erhöht. Insbesondere ist diese neue Methode überlegen kontinuierliche Strömungsvorgänge oder hydrothermalen Techniken aufgrund deutlich geringeren Anlauf Ausrüstung Investitionsbedarf.

Es gibt eine große klinische Notwendigkeit für fortschrittliche Biomaterialien mit verbesserter Funktionalität, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern und die Gesundheitsbelastung einer globalen Alterung der Bevölkerung zu reduzieren. Hydroxyapatit wurde in medizinischen Anwendungen seit vielen Jahren aufgrund seiner guten Biokompatibilität verwendet. ein erhöhtes Interesse an der Verwendung von nanoskaligem Hydroxylapatit (NHA), insbesondere für mineralisierten Geweberegeneration in Medizin und Zahnmedizin vor kurzem hat es. Das Mineral in Knochen und Zahnschmelz gefunden ist Calcium-Mangel, multi-substituierte, nanoskaligen Hydroxyapatit. Die Schätzungen für die Größe der biologischen NHA Plättchen berichten Abmessungen von 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, mit noch kleineren Strukturen in unreifen Knochen 2 beschrieben. Im Gegensatz dazu ist das Mineral in Zahnschmelz 10 bis 100 mal größer als die in Knochengewebe in Länge und Breite 3 gefunden, 4. Synthetische NHA<html> in Bezug auf die Eigenschaften von natürlichen Materialien in medizinischen Technologien mit verbesserter Leistung könnte besser sein genannt bioinspirierter statt biomimetische, wie wir Beobachtungen zu übersetzen suchen. Es wurde vorgeschlagen , dass bioinspirierter NHA in Knochen- und Zahngeweberegeneration günstiger Anwendungen aufgrund seiner Ähnlichkeit natürlich vorkommendes Mineral 5 sein kann. Es gibt verschiedene Methoden , die berichtet wurden NHA einschließlich hydrothermalen 6, Sprühtrocknungs 7 und Sol-Gel - 8 - Techniken herzustellen. Von diesen wird die nasse Fällungsverfahren eine relativ bequeme Verfahren zur Herstellung von NHA betrachtet. Die veröffentlichten NHA feuchten Fällungsverfahren umfassen im Allgemeinen eine Titrationsschritt wenn 9 Kalzium und Phosphor chemischen Vorstufen Mischen, 10, 11,in einigen Fällen teure Ausrüstung mit der Notwendigkeit kombiniert einschließlich langwierige und komplexe Prozesse ref &quot;&gt; 12, 13, 14. Jedoch sind diese Ansätze mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Die kommerzielle Produktion sein kann noch komplexer, mit Patente beschreiben hoch entwickelte Reaktoren Herstellung von hochwertigen medizinischer Qualität NHA 15. Trotzdem ist die Neutralisationsreaktion zwischen Kalziumhydroxid und Phosphorsäure vorteilhaft aufgrund des Fehlens von schädlichen chemischen Nebenprodukten. Die Beziehung zwischen den Verarbeitungsbedingungen und der Morphologie des NHA Produkt wurde für langsame Titrationsreaktionen berichtet. Insbesondere für Verfahren Titration Calciumhydroxid und Phosphorsäure und mit der eine erhöhte Temperatur erschien die Herstellung von Teilchen mit einem niedrigen Seitenverhältnis 13 zu begünstigen. Diese Arbeit wurde wesentlich von Gen verlängertFliese et al. 16 , die die Beziehung zwischen der Temperatur und anderen Verarbeitungsbedingungen auf die Qualität der NHA Produkte aus einer breiten Palette von Methoden nachgewiesen. Er folgerte , dass die nasschemische Fällungsverfahren von Prakash 13 Produkte von höchster Qualität hergestellt, aber es sollte beachtet werden , dass die Ergebnisse auf technisch anspruchsvoll und langsam / Mischprozesse abhängig waren. Die ursprüngliche Prakash Titrationsschritt dauert über eine Stunde. Jedoch kann mehr Titrationszeiten für größere Chargen hergestellt werden erforderlich sein. Zusammenfassend, während der Einfluss von mehreren Faktoren ab, einschließlich Temperatur haben nun ausführlich, fast keine Aufmerksamkeit sucht wurde zur Verringerung der Komplexität und der damit verbundenen Zeit gerichtet benötigt Titration basierenden Verfahren durchzuführen. Das Ziel dieser Studie war es daher, die Auswirkungen des Anlegens einer schnellen Mischung Ansatz zur Herstellung eines bioinspirierter NHA zu untersuchen und vollständig CHARAKTERIze Die erhaltenen Materialien. Wenn dies gelingt, wäre eine vereinfachte Schnellmisch Ansatz haben große Vorteile für Labor Forscher und Industrie gleichermaßen, wo die Kosten der Herstellung ohne umfassend Qualität erheblich reduziert werden konnte.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1375">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:399px;">Calcium hydroxide (purity of &#8805; 96%)</td>
			<td style="width:168px;">Sigma Aldrich UK</td>
			<td align="right" style="width:115px;">31219</td>
			<td style="width:695px;">Good laboratory practise should be used at all times including the use of appropriate personal protective equipment.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Phosphoric acid (85 %)</td>
			<td>Sigma Aldrich UK</td>
			<td align="right">345245</td>
			<td>Safety goggles and a faceshield should be used when handling this product (see safety data sheet from Sigma Aldrich for further information).</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">STOE IP x-ray diffractometer</td>
			<td>Phillips</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">International centre for diffraction data (ICDD) PDF4+ database</td>
			<td colspan="2">International Centre for Diffraction Data</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Holey carbon films on 300 mesh grids</td>
			<td>Agar Scientific</td>
			<td>S147-3H&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Tecnai G2 Spirit transmission electron microscope</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Lithium tetraborate</td>
			<td>ICPH, Malz&#233;ville, France</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">PW2440 XRF spectrometer&#160;</td>
			<td>Philips</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ThermoScientific Nikolett Spectrometer</td>
			<td>Unicam Ltd</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rapid mix preparation of bioinspired nanoscale hydroxyapatite for biomedical applications

Hydroxyapatit (HA) wurde als medizinisches Keramik wegen seiner guten Bioverträglichkeit und Osteokonduktivität weit verbreitet. In letzter Zeit hat das Interesse gewesen in Bezug auf die Verwendung von biologisch inspirierte nanoskaligen Hydroxyapatit (NHA). Jedoch ist die biologische Apatit bekannt mit einem nanoskaligen plättchenförmige Morphologie Calcium-defizienten und Carbonat-substituierte sein. Bioinspirierte NHA hat das Potenzial, die Regeneration optimale Knochengewebe aufgrund seiner Ähnlichkeit mit Knochen und Zahnschmelz Mineral zu stimulieren. Viele der derzeit verwendeten Methoden NHA zur Herstellung sowohl im Labor als auch im Handel, beinhalten langwierige Prozesse und komplexe Anlagen. Daher war das Ziel dieser Studie eine schnelle und zuverlässige Methode zu entwickeln qualitativ hochwertige bioinspirierter NHA vorzubereiten. Die rasche Mischverfahren entwickelt wurde, beruht auf einer Säure-Base-Reaktion mit Calciumhydroxid und Phosphorsäure. Kurz gesagt, wurde eine Phosphorsäurelösung in eine Calciumhydroxid-Lösung durch Rühren, anschließendes Waschen gegossen undTrocknungsstufen. Ein Teil des Ansatzes wurde bei 1000 ° C gesintert 2 h, um die Produkte der hohen Temperaturstabilität zu untersuchen. Röntgenbeugungsanalyse zeigte die erfolgreiche Bildung von HA, die thermische Zersetzung zeigte ß-Tricalciumphosphat nach der Hochtemperaturverarbeitung, die für die Calcium-defizienten HA typisch ist. Fourier-Infrarotspektroskopie zeigte die Anwesenheit von Carbonat-Gruppen in dem ausgefällten Produkt umwandeln. Die NHA Teilchen hatten einen niedrigen Aspektverhältnis mit ungefähren Abmessungen von 50 x 30 nm, in der Nähe zu den Dimensionen der biologischen Apatit. Das Material wurde auch Calciummangel mit einem Ca: P-Molverhältnis von 1,63, das wie biologischen Apatit ist niedriger als das stöchiometrische HA-Verhältnis von 1,67. Dieses neue Verfahren ist daher ein zuverlässiger und viel bequemer Verfahren zur Herstellung von bioinspirierter NHA, wodurch die Notwendigkeit für langwierige Titrationen und komplexen Ausrüstung zu überwinden. Die sich ergebende bioinspirierter HA Produkt ist geeignet für die Verwendung in einer breiten Vielfalt vonMedizin und Gesundheit der Verbraucher-Anwendungen.

<html> XRD - Muster (Figur 2) zeigte die Ausfällung eines reinen HA Phase mit breiten Peaks, was auf eine relativ kleine Kristallitgrße und / oder amorpher Natur. Nach dem Hochtemperatur-Sintern wurde β-Tricalciumphosphat (β-TCP) erfasst wird, neben einer Hauptphase von HA. Das Schärfen der Beugungspeaks, dh eine Reduzierung der Halbwertsbreite, zeigte eine Erhöhung der Kristallitgröße nach dem Sintern. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig2.jpg" /> Abbildung 2. Kristallphasenanalyse von Produkten. Röntgenbeugung (XRD) -Muster von ungesintertem nanoskaligen Hydroxyapatit (NHA) -Pulver und NHA Pulver gesintert bei 1.000ºC für 2 h. Peak-Etiketten: ▼ Hydroxyapatit Spitzen, β-Tricalciumphosphat Spitzen ■.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. FTIR-ATR - Spektren (Abbildung 3) bestätigt die Bildung eines HA - Phase durch die Kenn Phosphat und Hydroxyl Bänder 17, 18. Im Einzelnen wurden die Bands wie folgt belegt: 3750 cm -1 (OH - strecken ν OH); 1.086 und 1.022 cm -1 (PO 4 3- ν 3); 962 cm -1 (PO 4 3- ν 1); 630 cm -1 (OH - Libration δ OH); 600 und 570 cm -1 (PO 4 3- ν 4). In der nicht gesinterten Probe wurden die zusätzlichen Peaks wie folgt zugeordnet: breite Spitze zentriert um 3400 cm -1 (absorbierte Wassermoleküle); 1.455 und 1.410 cm -1 (CO 3 2- ν 3); 880 cm <sup&gt; -1 (CO 3 2- ν 2). Das absorbierte Wasser und Carbonatgruppen im ungesinterten Pulvers wurden beobachtet während der Hochtemperatur-Sinterstufe entfernt werden. Der Sinterprozess geschärft auch die Hydroxyl-und Phosphat-Banden, die durch einen höheren Spitzen manifestierte Abstand zu Trog. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig3.jpg" /> Abbildung 3. Die Infrarotspektren von Produkten. Fourier-Transformations-Infrarot in abgeschwächter Totalreflexionsmodus (FTIR-ATR) Spektren von ungesintertem nanoskaligen Hydroxyapatit (NHA) -Pulver und NHA Pulver für 2 h bei 1000 ° C gesintert. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> TEM - Aufnahmen (Abbildung 4) zeigte die Bildung von nanoskaligen Teilchen with Abmessungen von etwa 50 nm bis 30 nm. Die Teilchen hatten einen niedrigen Seitenverhältnis (Teilchenlänge / Teilchenbreite) von etwa 1,7. Die Größe und Form der nanoskaligen Produkte wurden mit ähnlichen Abmessungen wie biologischen Apatits 1. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig4.jpg" /> Abbildung 4. nanoskalige Morphologie des Produktes. TEM-Aufnahmen (TEM) von nanoskaligem Hydroxylapatit (NHA) bereit, die schnelle Mischverfahren bei zwei Vergrößerungen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Quantitative chemische Analyse des NHA Pulver durch XRF (Tabelle 1) erlaubt das Calcium-Phosphor - Verhältnis als 1,63 berechnet werden, was etwas niedriger ist als das stöchiometrische HA ist which hat ein Kalzium-Phosphor-Verhältnis von 1,67. XRF zeigte auch die hohe Reinheit des NHA Produkt mit nur Spuren anderer Elemente aufgezeichnet. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Verbindung </td><td> Gewicht % </td></tr><tr><td> CaO </td><td> 51.52 </td></tr><tr><td> P 2 O 5 </td><td> 39.89 </td></tr><tr><td> MgO </td><td> 0,46 </td></tr><tr><td> Na 2 O </td><td> 0,13 </td></tr><tr><td> Y 2 O 3 </td><td> 0,07 </td></tr><tr><td> Al 2 O 3 </td><td> 0,03 </td></tr><tr><td> SiO 2 </td><td> 0,03 </td></tr><tr><td> Mn 3 O 4 </td><td> 0,03 </td></tr><tr><td> SrO </td><td> 0,02 </td></tr><tr><td> TiO 2 </td><td> 0,01 </td></tr></tbody></table>Tabelle 1 Quantitative chemische Analyse des Produkts. Röntgenfluoreszenz (XRF) Ergebnisse für ungesinterten NHA Pulver zeigte&gt; 99% Reinheit nach Gewicht.

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Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Dieser Beitrag beschreibt ein neues Verfahren zur schnellen Herstellung von hochwertigen Bioinspirierte nanoskaligen Hydroxyapatit. Dieses Biomaterial ist von großer Bedeutung bei der Herstellung einer breiten Palette von innovativen medizinischen Geräten für die klinische Anwendung in der Orthopädie, Chirurgie und Zahnmedizin craniofacial.

Rapid-Mix Herstellung von Bioinspirierte Nanoskalige Hydroxyapatit für biomedizinische Anwendungen

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

19.1K Aufrufe.  University of Sheffield.  Dieser Beitrag beschreibt ein neues Verfahren zur schnellen Herstellung von hochwertigen Bioinspirierte nanoskaligen Hydroxyapatit. Dieses Biomaterial ist von großer Bedeutung bei der Herstellung einer breiten Palette von innovativen medizinischen Geräten für die klinische Anwendung in der Orthopädie, Chirurgie und Zahnmedizin craniofacial. 

Serie: Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Preparation of 3D Fibrin Scaffolds for Stem Cell Culture Applications

Stem cells are found in naturally occurring 3D microenvironments in vivo, which are often referred to as the stem cell niche 1. Culturing stem cells inside of 3D biomaterial scaffolds provides a way to accurately mimic these microenvironments, providing an advantage over traditional 2D culture methods using polystyrene as well as a method for engineering replacement tissues 2. While 2D tissue culture polystrene has been used for the majority of cell culture experiments, 3D biomaterial scaffolds can more closely replicate the microenvironments found in vivo by enabling more accurate establishment of cell polarity in the environment and possessing biochemical and mechanical properties similar to soft tissue.3 A variety of naturally derived and synthetic biomaterial scaffolds have been investigated as 3D environments for supporting stem cell growth. While synthetic scaffolds can be synthesized to have a greater range of mechanical and chemical properties and often have greater reproducibility, natural biomaterials are often composed of proteins and polysaccharides found in the extracelluar matrix and as a result contain binding sites for cell adhesion and readily support cell culture. Fibrin scaffolds, produced by polymerizing the protein fibrinogen obtained from plasma, have been widely investigated for a variety of tissue engineering applications both in vitro and in vivo 4. Such scaffolds can be modified using a variety of methods to incorporate controlled release systems for delivering therapeutic factors 5. Previous work has shown that such scaffolds can be used to successfully culture embryonic stem cells and this scaffold-based culture system can be used to screen the effects of various growth factors on the differentiation of the stem cells seeded inside 6,7.
 This protocol details the process of polymerizing fibrin scaffolds from fibrinogen solutions using the enzymatic activity of thrombin. The process takes 2 days to complete, including an overnight dialysis step for the fibrinogen solution to remove citrates that inhibit polymerization. These detailed methods rely on fibrinogen concentrations determined to be optimal for embryonic and induced pluripotent stem cell culture. Other groups have further investigated fibrin scaffolds for a wide range of cell types and applications - demonstrating the versatility of this approach 8-12.

This work details the preparation of 3D fibrin scaffolds for culturing and differentiating plutipotent stem cells. Such scaffolds can be used to screen the effects of various biological compounds on stem cell behavior as well as modified to contain drug delivery systems.

Erstellung von 3D-Fibrin-Gerüste für Stem Cell Culture Anwendungen

Stem cells are found in naturally occurring 3D microenvironments in vivo, which are often referred to as the stem cell niche 1. Culturing stem cells ...

Forschung

Biotechnik

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene for applications as a stent material. Graphene was grown on copper substrates via chemical vapor deposition and then transferred onto nitinol substrates. In order to understand how the graphene coating could change biological response, cell viability of rat aortic endothelial cells and rat aortic smooth muscle cells was investigated. Moreover, the effect of graphene-coatings on cell adhesion and morphology was examined with fluorescent confocal microscopy. Cells were stained for actin and nuclei, and there were noticeable differences between pristine nitinol samples compared to graphene-coated samples. Total actin expression from rat aortic smooth muscle cells was found using western blot. Protein adsorption characteristics, an indicator for potential thrombogenicity, were determined for serum albumin and fibrinogen with gel electrophoresis. Moreover, the transfer of charge from fibrinogen to substrate was deduced using Raman spectroscopy. It was found that graphene coating on nitinol substrates met the functional requirements for a stent material and improved the biological response compared to uncoated nitinol. Thus, graphene-coated nitinol is a viable candidate for a stent material.

Graphene offers potential as a coating material for biomedical implants. In this study we demonstrate a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene and determine how graphene may influence implant response.

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, nanomedicine, tissue regeneration, and drug delivery. Designing materials based on the molecular-scale interactions between these proteins will help generate new multifunctional protein alloy biomaterials with tunable properties. Such alloy material systems also provide advantages in comparison to traditional synthetic polymers due to the materials biodegradability, biocompatibility, and tenability in the body. This article used the protein blends of wild tussah silk (Antheraea pernyi) and domestic mulberry silk (Bombyx mori) as an example to provide useful protocols regarding these topics, including how to predict protein-protein interactions by computational methods, how to produce protein alloy solutions, how to verify alloy systems by thermal analysis, and how to fabricate variable alloy materials including optical materials with diffraction gratings, electric materials with circuits coatings, and pharmaceutical materials for drug release and delivery. These methods can provide important information for designing the next generation multifunctional biomaterials based on different protein alloys.

Blending is an efficient approach to generate biomaterials with a broad range of properties and combined features. By predicting the molecular interactions between different natural silk proteins, new silk-silk protein alloy platforms with tunable mechanical resiliency, electrical response, optical transparency, chemical processability, biodegradability, or thermal stability can be designed.

Gestaltung Silk-Seidenprotein-Legierungen für biomedizinische Anwendungen

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Nanomanipulation of Single RNA Molecules by Optical Tweezers

A large portion of the human genome is transcribed but not translated. In this post genomic era, regulatory functions of RNA have been shown to be increasingly important. As RNA function often depends on its ability to adopt alternative structures, it is difficult to predict RNA three-dimensional structures directly from sequence. Single-molecule approaches show potentials to solve the problem of RNA structural polymorphism by monitoring molecular structures one molecule at a time. This work presents a method to precisely manipulate the folding and structure of single RNA molecules using optical tweezers. First, methods to synthesize molecules suitable for single-molecule mechanical work are described. Next, various calibration procedures to ensure the proper operations of the optical tweezers are discussed. Next, various experiments are explained. To demonstrate the utility of the technique, results of mechanically unfolding RNA hairpins and a single RNA kissing complex are used as evidence. In these examples, the nanomanipulation technique was used to study folding of each structural domain, including secondary and tertiary, independently. Lastly, the limitations and future applications of the method are discussed.

Optical tweezers have been used to study RNA folding by stretching individual molecules from their 5&#8217; and 3&#8217; ends. Here common procedures are described to synthesize RNA molecules for tweezing, calibration of the instrument, and methods to manipulate single molecules.

Nanomanipulation von RNA-Einzelmoleküle durch Optische Pinzetten

A large portion of the human genome is transcribed but not translated. In this post genomic era, regulatory functions of RNA have been shown to be ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial applications. Here we describe how electrospinning or electrospraying a polymer mixture containing a biodegradable, biocompatible aliphatic polyester (e.g., polycaprolactone and poly(lactide-co-glycolide)), as the major component, doped with a hydrophobic copolymer composed of the polyester and a stearate-modified poly(glycerol carbonate) affords a superhydrophobic biomaterial. The fabrication techniques of electrospinning or electrospraying provide the enhanced surface roughness and porosity on and within the fibers or the particles, respectively. The use of a low surface energy copolymer dopant that blends with the polyester and can be stably electrospun or electrosprayed affords these superhydrophobic materials. Important parameters such as fiber size, copolymer dopant composition and/or concentration, and their effects on wettability are discussed. This combination of polymer chemistry and process engineering affords a versatile approach to develop application-specific materials using scalable techniques, which are likely generalizable to a wider class of polymers for a variety of applications.

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Herstellung Superhydrophobe Polymere Materialien für biomedizinische Anwendungen

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness and low bioactivity of metals. In this study, we have developed a new method towards fabricating a new type of bioactive and mechanically reliable porous metal scaffolds-densified porous Ti scaffolds. The method consists of two fabrication processes, 1) the fabrication of porous Ti scaffolds by dynamic freeze casting, and 2) coating and densification of the porous scaffolds. The dynamic freeze casting method to fabricate porous Ti scaffolds allowed the densification of porous scaffolds by minimizing the chemical contamination and structural defects. The densification process is distinctive for three reasons. First, the densification process is simple, because it requires a control of only one parameter (degree of densification). Second, it is effective, as it achieves mechanical enhancement and sustainable release of biomolecules from porous scaffolds. Third, it has broad applications, as it is also applicable to the fabrication of functionally graded porous scaffolds by spatially varied strain during densification.

Bioactive and mechanically reliable metal scaffolds have been fabricated through a method which consists of two processes, dynamic freeze casting for the fabrication of porous Ti, and coating and densification of the Ti scaffolds. The densification process is simple, effective and applicable to the fabrication of functionally graded scaffolds.

Herstellung von mechanisch Tunable und Bioactive Metallgerüste für biomedizinische Anwendungen

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness ...

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of these porous nanofibers is of great interest due to their unique physiochemical properties. Here we elaborate on the fabrication of keratin containing poly (&#949;-caprolactone) (PCL) nanofibers (i.e., PCL/keratin composite fiber). Water soluble keratin was first extracted from human hair and mixed with PCL in different ratios. The blended solution of PCL/keratin was transformed into nanofibrous membranes using a laboratory designed electrospinning set up. Fiber morphology and mechanical properties of the obtained nanofiber were observed and measured using scanning electron microscopy and tensile tester. Furthermore, degradability and chemical properties of the nanofiber were studied by FTIR. SEM images showed uniform surface morphology for PCL/keratin fibers of different compositions. These PCL/keratin fibers also showed excellent mechanical properties such as Young&#39;s modulus and failure point. Fibroblast cells were able to attach and proliferate thus proving good cell viability. Based on the characteristics discussed above, we can strongly argue that the blended nanofibers of natural and synthetic polymers can represent an excellent development of composite materials that can be used for different biomedical applications.

Electrospun nanofibers have a high surface area to weight ratio, excellent mechanical integrity, and support cell growth and proliferation. These nanofibers have a wide range of biomedical applications. Here we fabricate keratin/ PCL nanofibers, using the electrospinning technique, and characterize the fibers for possible applications in tissue engineering.

Synthese von Keratin-basierten Nanofaser für Biomedizinische Technik

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of ...

Preparation of Silicon Nanowire Field-effect Transistor for Chemical and Biosensing Applications

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we describe the preparation of polycrystalline silicon nanowire field-effect transistors (pSNWFETs) that serve as biosensing devices for biomarker detection. A protocol for chemical and biomolecular sensing by using pSNWFETs is presented. The pSNWFET device was demonstrated to be a promising transducer for real-time, label-free, and ultra-high-sensitivity biosensing applications. The source/drain channel conductivity of a pSNWFET is sensitive to changes in the environment around its silicon nanowire (SNW) surface. Thus, by immobilizing probes on the SNW surface, the pSNWFET can be used to detect various biotargets ranging from small molecules (dopamine) to macromolecules (DNA and proteins). Immobilizing a bioprobe on the SNW surface, which is a multistep procedure, is vital for determining the specificity of the biosensor. It is essential that every step of the immobilization procedure is correctly performed. We verified surface modifications by directly observing the shift in the electric properties of the pSNWFET following each modification step. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy was used to examine the surface composition following each modification. Finally, we demonstrated DNA sensing on the pSNWFET. This protocol provides step-by-step procedures for verifying bioprobe immobilization and subsequent DNA biosensing application.

We describe key steps for biosensing by using polysilicon nanowire field-effect transistors, including the preparation of the device and the immobilization and confirmation of a DNA molecular probe on the nanowire surface, as well as conditions for DNA sensing.

Herstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistor für chemische und Biosensorik Anwendungen

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we ...

Extraction of Plant-based Capsules for Microencapsulation Applications

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin exine capsules (SECs) are obtained when spores or pollen are processed so as to remove the internal sporoplasmic contents. The resulting hollow microcapsules exhibit a high degree of micromeritic uniformity and retain intricate microstructural features related to the particular plant species. Herein, we demonstrate a streamlined process for the production of SECs from Lycopodium clavatum spores and for the loading of hydrophilic compounds into these SECs. The current SEC isolation procedure has been recently optimized to significantly reduce the processing requirements which are conventionally used in SEC isolation, and to ensure the production of intact microcapsules. Natural L. clavatum spores are defatted with acetone, treated with phosphoric acid, and extensively washed to remove sporoplasmic contents. After acetone defatting, a single processing step using 85% phosphoric acid has been shown to remove all sporoplasmic contents. By limiting the acid processing time to 30 hr, it is possible to isolate clean SECs and avoid SEC fracturing, which has been shown to occur with prolonged processing time. Extensive washing with water, dilute acids, dilute bases, and solvents ensures that all sporoplasmic material and chemical residues are adequately removed. The vacuum loading technique is utilized to load a model protein (Bovine Serum Albumin) as a representative hydrophilic compound. Vacuum loading provides a simple technique to load various compounds without the need for harsh solvents or undesirable chemicals which are often required in other microencapsulation protocols. Based on these isolation and loading protocols, SECs provide a promising material for use in a diverse range of microencapsulation applications, such as, therapeutics, foods, cosmetics, and personal care products.

This protocol/manuscript describes a streamlined process for the production of sporopollenin exine capsules (SECs) from Lycopodium clavatum spores and for the loading of hydrophilic compounds into these SECs.

Extraktion von Pflanzenbasis Kapseln für Mikroverkapselung Anwendungen

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin ...

Two Methods for Decellularization of Plant Tissues for Tissue Engineering Applications

The autologous, synthetic, and animal-derived grafts currently used as scaffolds for tissue replacement have limitations due to low availability, poor biocompatibility, and cost. Plant tissues have favorable characteristics that make them uniquely suited for use as scaffolds, such as high surface area, excellent water transport and retention, interconnected porosity, preexisting vascular networks, and a wide range of mechanical properties. Two successful methods of plant decellularization for tissue engineering applications are described here. The first method is based on detergent baths to remove cellular matter, which is similar to previously established methods used to clear mammalian tissues. The second is a detergent-free method adapted from a protocol that isolates leaf vasculature and involves the use of a heated bleach and salt bath to clear the leaves and stems. Both methods yield scaffolds with comparable mechanical properties and low cellular metabolic impact, thus allowing the user to select the protocol which better suits their intended application.

Here we present, and contrast two protocols used to decellularize plant tissues: a detergent-based approach and a detergent-free approach. Both methods leave behind the extracellular matrix of the plant tissues used, which can then be utilized as scaffolds for tissue engineering applications.

Zwei Methoden zur Decellularization von Pflanzengewebe für Tissue-Engineering-Anwendungen

The autologous, synthetic, and animal-derived grafts currently used as scaffolds for tissue replacement have limitations due to low availability, poor ...