Name: rapid mix preparation of bioinspired nanoscale hydroxyapatite for biomedical applications
Uploaded: 2017-02-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 41 s
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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><tbody><tr><td>Calcium hydroxide (purity of &amp;ge; 96%)</td><td>Sigma Aldrich UK</td><td>31219</td><td>Good laboratory practise should be used at all times including the use of appropriate personal protective equipment.</td></tr><tr><td>Phosphoric acid (85%)</td><td>Sigma Aldrich UK</td><td>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><td>STOE IP X-ray diffractometer</td><td>Phillips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>International centre for diffraction data (ICDD) PDF4+ database</td><td>International Centre for Diffraction Data</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Holey carbon films on 300 mesh grids</td><td>Agar Scientific</td><td>S147-3H&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Tecnai G2 Spirit transmission electron microscope</td><td>FEI</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lithium tetraborate</td><td>ICPH, Malz&amp;eacute;ville, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PW2440 XRF spectrometer&amp;nbsp;</td><td>Philips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>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

19.2K 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

Development of Amelogenin-chitosan Hydrogel for In Vitro Enamel Regrowth with a Dense Interface

Biomimetic enamel reconstruction is a significant topic in material science and dentistry as a novel approach for the treatment of dental caries or erosion. Amelogenin has been proven to be a critical protein for controlling the organized growth of apatite crystals. In this paper, we present a detailed protocol for superficial enamel reconstruction by using a novel amelogenin-chitosan hydrogel. Compared to other conventional treatments, such as topical fluoride and mouthwash, this method not only has the potential to prevent the development of dental caries but also promotes significant and durable enamel restoration. The organized enamel-like microstructure regulated by amelogenin assemblies can significantly improve the mechanical properties of etched enamel, while the dense enamel-restoration interface formed by an in situ regrowth of apatite crystals can improve the effectiveness and durability of restorations. Furthermore, chitosan hydrogel is easy to use and can suppress bacterial infection, which is the major risk factor for the occurrence of dental caries. Therefore, this biocompatible and biodegradable amelogenin-chitosan hydrogel shows promise as a biomaterial for the prevention, restoration, and treatment of defective enamel.

Development of Amelogenin-chitosan Hydrogel for In Vitro Enamel Regrowth with a Dense Interface

In this article, we describe a protocol for fabricating an amelogenin-chitosan hydrogel for superficial enamel reconstruction. Organized in situ growth of apatite crystals in the hydrogel formed a dense enamel-restoration interface, which will improve the effectiveness and durability of restorations.

Entwicklung von Amelogenin-Chitosan-Hydrogel für<em&gt; In-vitro-</em&gt; Emaille Nachwachsen mit einem dichten Schnittstelle

Biomimetic enamel reconstruction is a significant topic in material science and dentistry as a novel approach for the treatment of dental caries or ...

Forschung

Biotechnik

Preparation of Functional Silica Using a Bioinspired Method

The goal of the protocols described herein is to synthesize bioinspired silica materials, perform enzyme encapsulation therein, and partially or totally purify the same by acid elution. By combining sodium silicate with a polyfunctional bioinspired additive, silica is rapidly formed at ambient conditions upon neutralization. 
The effect of neutralization rate and biomolecule addition point on silica yield are investigated, and biomolecule immobilization efficiency is reported for varying addition point. In contrast to other porous silica synthesis methods, it is shown that the mild conditions required for bioinspired silica synthesis are fully compatible with the encapsulation of delicate biomolecules. Additionally, mild conditions are used across all synthesis and modification steps, making bioinspired silica a promising target for the scale-up and commercialization as both a bare material and active support medium.
The synthesis is shown to be highly sensitive to conditions, i.e., the neutralization rate and final synthesis pH, however tight control over these parameters is demonstrated through the use of auto titration methods, leading to high reproducibility in reaction progression pathway and yield. 
Therefore, bioinspired silica is an excellent active material support choice, showing versatility towards many current applications, not limited to those demonstrated here, and potency in future applications.

Here, we present a protocol to synthesize bioinspired silica materials and immobilize enzymes therein. Silica is synthesized by combining sodium silicate and an amine &#39;additive&#39;, which neutralize at a controlled rate. Material properties and function can be altered either by in situ enzyme immobilization or post-synthetic acid elution of encapsulated additives.

Vorbereitung der funktionalen Kieselsäure mit einer Muskelmodelle Methode

The goal of the protocols described herein is to synthesize bioinspired silica materials, perform enzyme encapsulation therein, and partially or totally ...

Chemie

Distinctive Capillary Action by Micro-channels in Bone-like Templates can Enhance Recruitment of Cells for Restoration of Large Bony Defect

Without an active, thriving cell population that is well-distributed and stably anchored to the inserted template, exceptional bone regeneration does not occur. With conventional templates, the absence of internal micro-channels results in the lack of cell infiltration, distribution, and inhabitance deep inside the templates. Hence, a highly porous and uniformly interconnected trabecular-bone-like template with micro-channels (biogenic microenvironment template; BMT) has been developed to address these obstacles. The novel BMT was created by innovative concepts (capillary action) and fabricated with a sponge-template coating technique. The BMT consists of several structural components: inter-connected primary-pores (300-400 &#181;m) that mimic pores in trabecular bone, micro-channels (25-70 &#181;m) within each trabecula, and nanopores (100-400 nm) on the surface to allow cells to anchor. Moreover, the BMT has been documented by mechanical test study to have similar mechanical strength properties to those of human trabecular bone (~3.8 MPa)12.
The BMT exhibited high absorption, retention, and habitation of cells throughout the bridge-shaped (&#928;) templates (3 cm height and 4 cm length). The cells that were initially seeded into one end of the templates immediately mobilized to the other end (10 cm distance) by capillary action of the BMT on the cell media. After 4 hr, the cells homogenously occupied the entire BMT and exhibited normal cellular behavior. The capillary action accounted for the infiltration of the cells suspended in the media and the distribution (active migration) throughout the BMT. Having observed these capabilities of the BMT, we project that BMTs will absorb bone marrow cells, growth factors, and nutrients from the periphery under physiological conditions.
The BMT may resolve current limitations via rapid infiltration, homogenous distribution and inhabitance of cells in large, volumetric templates to repair massive skeletal defects.

A step-by-step generic process to create a bone-like template with engineered micro-channels is presented. High absorption and retention capabilities of the template are demonstrated by capillary action via micro-channels.

Distinctive Kapillarwirkung durch Mikrokanäle in knochenähnliche Vorlagen können Rekrutierung von Zellen für die Wiederherstellung der Große Knochendefekt Enhance

Without an active, thriving cell population that is well-distributed and stably anchored to the inserted template, exceptional bone regeneration does not ...

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 Thermoresponsive Nanostructured Surfaces for Tissue Engineering

Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the Langmuir-Schaefer method. Amphiphilic block copolymers composed of polystyrene and PIPAAm (St-IPAAms) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) radical polymerization. A chloroform solution of St-IPAAm molecules was gently dropped into a Langmuir-trough apparatus, and both barriers of the apparatus were moved horizontally to compress the film to regulate its density. Then, the St-IPAAm Langmuir film was horizontally transferred onto a hydrophobically modified glass substrate by a surface-fixed device. Atomic force microscopy images clearly revealed nanoscale sea-island structures on the surface. The strength, rate, and quality of cell adhesion and detachment on the prepared surface were modulated by changes in temperature across the lower critical solution temperature range of PIPAAm molecules. In addition, a two-dimensional cell structure (cell sheet) was successfully recovered on the optimized surfaces. These unique PIPAAm surfaces may be useful for controlling the strength of cell adhesion and detachment.

Nanoscaled sea-island surfaces composed of thermoresponsive block copolymers were fabricated by the Langmuir-Schaefer method for controlling spontaneous cell adhesion and detachment. Both the preparation of the surface and the adhesion and detachment of cells on the surface were visualized.

Herstellung von Thermoresponsive nanostrukturierte Oberflächen für Tissue Engineering

Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the ...

3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds

This work demonstrates the use of three-dimensional (3D) printing to produce porous cubic scaffolds using cellulose nanocomposite hydrogel ink, with controlled pore structure and mechanical properties. Cellulose nanocrystals (CNCs, 69.62 wt%) based hydrogel ink with matrix (sodium alginate and gelatin) was developed and 3D printed into scaffolds with uniform and gradient pore structure (110-1,100 &#181;m). The scaffolds showed compression modulus in the range of 0.20-0.45 MPa when tested in simulated in vivo conditions (in distilled water at 37 &#176;C). The pore sizes and the compression modulus of the 3D scaffolds matched with the requirements needed for cartilage regeneration applications. This work demonstrates that the consistency of the ink can be controlled by the concentration of the precursors and porosity can be controlled by the 3D printing process and both of these factors in return defines the mechanical properties of the 3D printed porous hydrogel scaffold. This process method can therefore be used to fabricate structurally and compositionally customized scaffolds according to the specific needs of patients.&#160;

The three critical steps of this protocol are i) developing the right composition and consistency of the cellulose hydrogel ink, ii) 3D printing of scaffolds into various pore structures with good shape fidelity and dimensions and iii) demonstration of the mechanical properties in simulated body conditions for cartilage regeneration.

3D-Druck poröse Zellulose Nanocomposites Hydrogel Gerüste

This work demonstrates the use of three-dimensional (3D) printing to produce porous cubic scaffolds using cellulose nanocomposite hydrogel ink, with ...

Procedure for Fabricating Biofunctional Nanofibers

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups may be utilized to study material-biomarker interactions i.e. act as biosensors with potential as single molecule detectors. We have developed an effective approach for preparing functional polymers where the functionality has the capacity of specifically binding with a model protein. In our model system, the functional group is 2,4-dinitrophenyl (DNP) and the protein is anti-DNP IgE (Immunoglobulin E). The functional polymer, &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenyl caproic][poly(ethylene oxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP), is prepared by anionic living polymerization. The difunctional initiator utilized in the polymerization was prepared by electron transfer reaction of &alpha;-methylstyrene and potassium (mirror) metal. The 2-methoxystyrene monomer was added first to the initiator, followed by the addition of the second monomer, ethylene oxide, and finally the living polymer was terminated by methanol. The &alpha;,&omega;-dihydroxyl polymer [HO-PEO-P2MS-PEO-OH] was reacted with N-2,4-DNP-&isin;-amino caproic acid, by DCC coupling, resulting in the formation of &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenylcaproic][poly(ethyleneoxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP). The polymers were characterized by FT-IR, 1H NMR and Gel Permeation Chromatography (GPC). The molecular weight distributions of the polymers were narrow (1.1-1.2) and polymers with molecular weights greater than 50,000 was used in this study. The polymers were yellow powders and soluble in tetrahydrofuran. A water soluble CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP/ DMEG (dimethoxyethylene glycol) complex binds and achieves steady state binding with solution IgE within a few seconds. Higher molecular weight (water insoluble i.e. around 50,000) CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP polymers, containing 1% single wall carbon nanotubes (SWCNT) were processed into electroactive nanofibers (100 nm to 500 nm in diameter) on silicon substrate. Fluorescence spectroscopy shows that anti-DNP IgE interacts with the nanofibers by binding with the DNP functional groups decorating the fibers. These observations suggest that appropriately functionalized nanofibers hold promise for developing biomarker detection device.

An efficient approach for preparing nanofibers decorated with functional groups capable of specifically interacting with proteins is described. The approach first requires the preparation of a polymer functionalized with the appropriate functional group. The functional polymer is fabricated into nanofibers by electrospinning. The effectiveness of the binding of the nanofibers with a protein is studied by confocal microscopy.

Verfahren zur Herstellung Biofunktionelle Nanofasern

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups ...

Biologie

Ceramic Omnidirectional Bioprinting in Cell-Laden Suspensions for the Generation of Bone Analogs

Structurally, bone tissue is an inorganic-organic composite containing metabolically active cells embedded within a hierarchical, highly mineralized matrix. This organization is challenging to replicate due to the heterogeneous environment of bone. Ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions (COBICS) is a microgel-based bioprinting technique that uniquely replicates the mineral and cellular structure of bone. COBICS prints complex, biologically relevant constructs without the need for sacrificial support materials or harsh postprocessing steps (e.g., radiation and high-temperature sintering), which are two of the biggest challenges in the additive manufacturing of bone mimetic constructs. This technique is enabled via the freeform extrusion of a novel calcium phosphate-based ink within a gelatin-based microgel suspension. The yield-stress properties of the suspension allow deposition and support the printed bone structure. UV crosslinking and nanoprecipitation then "lock" it in place. The ability to print nanostructured bone-mimetic ceramics within cell-laden biomaterials provides spatiotemporal control over macro- and micro-architecture and facilitates the real-time fabrication of complex bone constructs in clinical settings.

This protocol describes a 3D printing technique to fabricate bone-like structures by depositing a calcium phosphate ink in a gelatin-based granular support. Printed bone analogs are deposited in freeform, with flexibility for direct harvesting of the print or crosslinking within a living cell matrix for multiphasic constructs.

Keramisches omnidirektionales Bioprinting in zellbeladenen Suspensionen zur Erzeugung von Knochenanaloga

Structurally, bone tissue is an inorganic-organic composite containing metabolically active cells embedded within a hierarchical, highly mineralized ...

Synthesis of Graphene-Hydroxyapatite Nanocomposites for Potential Use in Bone Tissue Engineering

Developing novel materials for bone tissue engineering is one of the most important thrust areas of nanomedicine. Several nanocomposites have been fabricated with hydroxyapatite to facilitate cell adherence, proliferation, and osteogenesis. In this study, hybrid nanocomposites were successfully developed using graphene nanoribbons (GNRs) and nanoparticles of hydroxyapatite (nHAPs), that when employed in bioactive scaffolds may potentially improve bone tissue regeneration. These nanostructures can be biocompatible. Here, two approaches were used for preparing the novel materials. In one approach, a co-functionalization strategy was used where nHAP was synthesized and conjugated to GNRs simultaneously, resulting in nanohybrids of nHAP on GNR surfaces (denoted as nHAP/GNR). High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) confirmed that the nHAP/GNR composite is comprised of slender, thin structures of GNRs (maximum length of 1.8 &#181;m) with discrete patches (150-250 nm) of needle-like nHAP (40-50 nm in length). In the other approach, commercially available nHAP was conjugated with GNRs forming GNR-coated nHAP (denoted as GNR/nHAP) (i.e., with an opposite orientation relative to the nHAP/GNR nanohybrid). The nanohybrid formed using the latter method exhibited nHAP nanospheres with a diameter ranging from 50 nm to 70 nm covered with a network of GNRs on the surface. Energy dispersive spectra, elemental mapping, and Fourier transform infrared (FTIR) spectra confirmed the successful integration of nHAP and GNRs in both nanohybrids. Thermogravimetric analysis (TGA) indicated that the loss at elevated heating temperatures due to the presence of GNRs was 0.5% and 0.98% for GNR/nHAP and nHAP/GNR, respectively. The nHAP-GNR nanohybrids with opposite orientations represent significant materials for use in bioactive scaffolds to potentially promote cellular functions for improving bone tissue engineering applications.

Novel nanocomposites of graphene nanoribbons and hydroxyapatite nanoparticles were prepared using solution-phase synthesis. These hybrids when employed in bioactive scaffolds can exhibit potential applications in tissue engineering and bone regeneration.

Rapid-Mix Herstellung von Bioinspirierte Nanoskalige Hydroxyapatit für biomedizinische Anwendungen

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Entwicklung von Amelogenin-Chitosan-Hydrogel für