Este trabajo fue apoyado por una beca CASO EPSRC en colaboración con Ceramisys Ltd. y también se asocia con Mède Innovación, el Centro para la fabricación innovadores EPSRC en médico [número de concesión EP / K029592 / 1]. Los autores también desean agradecer a Robert Burton en la Universidad de Sheffield Hallam para el análisis XRF.

<img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig1.jpg" /> Figura 1. Esquema de la preparación de la mezcla rápida de la hidroxiapatita a nanoescala bioinspirado. La solución de ácido fosfórico se vertió en la suspensión de hidróxido de calcio. Después la suspensión se estableció durante la noche, la ASN se lavó con agua desionizada antes de ser secado a 60 a 80 ° C. a continuación, la ASN se molió en un mortero de ágata y una maja y sinterizado para investigar la estabilidad térmica del producto CNS. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 1. Mezcla rápida producción de nanoescala hidroxiapatita <ol><li> Preparación de las soluciones de calcio y fósforo para preparar 5 g de hidroxiapatita a nanoescala usando un calcio a fósforo relación molar de 1,67. <ol><li> Añadir 3,705 g de hidróxido de calcio para500 ml de agua desionizada y se agita en una placa de agitación magnética durante 1 hora a 400 rpm. </li><li> En un vaso de precipitados separado, se disuelven 3,459 g de ácido fosfórico (85%) en 250 ml de agua desionizada. </li></ol></li><li> Verter la solución de fósforo en la suspensión de hidróxido de calcio de agitación a una velocidad de aproximadamente 100 ml / s. Cubrir vaso de precipitados con Parafilm (Bemis, EE.UU.). </li><li> Dejar la suspensión en agitación durante 1 h a 400 rpm. </li><li> Tome el vaso de la placa de agitación y dejar reposar durante la noche. </li><li> Se lava la suspensión por vertido el sobrenadante y añadir 500 ml de agua desionizada y agitando durante 1 min a 400 rpm. Repita este paso tres veces en total, con 2 h entre cada lavado. </li><li> Deja suspensión NHA sedimentar durante la noche. </li><li> Retirar el sobrenadante transparente y coloque la suspensión NHA asentado en una estufa regulada a 60 a 80 ° C. </li><li> Una vez seco, coloque la ASN se seca en un mortero de ágata y una maja y moler hasta bien. </li><li> Colocar 2,5 g de propolvo producido NHA en un crisol y sinterización de polvo de alúmina a 1.000 ° C durante 2 horas usando una tasa de rampa de 10 ° C / min. Después del tratamiento térmico, la ASN dejar enfriar en el horno. </li><li> polvos de la tienda en un desecador de vacío. </li></ol> 2. Caracterización de nanoescala hidroxiapatita <ol><li> Difracción de rayos X (XRD) usando difractómetros modo de transmisión <ol><li> Colocar una pequeña cantidad (es decir, menos de 200 l) de poli (alcohol vinílico) (PVA) de pegamento en película de acetato y mezclar con una pequeña cantidad (es decir, menos de 100 mg) de polvo de CNS. </li><li> Tratar con una pistola de aire caliente hasta que se seque. </li><li> Montar la muestra en un soporte de muestra y la carga en un difractómetro de rayos X modo de transmisión con radiación Cu K α. </li><li> Usar una configuración del difractómetro de 40 kV y 35 mA, con un rango 2θ de 10 a 70 °. </li><li> Analizar los patrones de difracción de rayos X resultantes. </li><li> Utilizar las siguientes tarjetas de difracción de rayos X para la identificación de fase: La hidroxiapatita: 9-432. ß-fosfato tricálcico: 04-014-2292. </li></ol></li><li> Microscopía electrónica de transmisión (TEM) <ol><li> Colocar una pequeña cantidad de polvo (es decir, menos de 10 mg) en un bijou y añadir aproximadamente 3 ml de etanol. </li><li> se observa 30 minutos hasta obtener una suspensión homogénea - muestra de Ultra-sonicado durante 15. </li><li> Pipetear una pequeña cantidad de solución (es decir, menos de 1 ml) en una rejilla de cobre de malla 400 con la película de carbón, y dejar secar. </li><li> muestras de imagen en un voltaje de aceleración de 80 kV. </li></ol></li><li> Fluorescencia de rayos X (XRF) notificación por los Materiales e Ingeniería Instituto de Investigación (MERI) en la Universidad de Sheffield Hallam <ol><li> Combinar 0,8 g NHA polvo con 8 g de tetraborato de litio. </li><li> Derretir mezcla en un crisol de aleación de platino-oro utilizando un horno ajustado a 1200 ° C. </li><li> Analizar las muestras resultantes en un espectrómetro de fluorescencia de rayos X para determinar la composición elemental deLas muestras. </li></ol></li><li> Fourier espectroscopia infrarroja con transformada en modo de reflectancia total atenuada (FTIR-ATR) <ol><li> Realizar búsquedas en segundo plano 64 de 4.000 - 500 cm-1 con una resolución de 4 cm -1. </li><li> Colocar una pequeña cantidad (es decir, menos de 100 mg) de polvo de CNS en la parte superior del diamante en el adaptador de modo de reflectancia total atenuada y comprimir sobre la superficie del diamante con la parte superior del tornillo. </li><li> Realizar 32 barridos de 4000 - 500 cm-1 con una resolución de 4 cm-1 con las búsquedas en segundo plano restados de los barridos de muestra. </li></ol></li></ol>

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Los autores no tienen nada que revelar.

Apatita natural se compone de partículas a nanoescala de hidroxiapatita carbonatada no estequiométrica con la fórmula química aproximada de Ca 10-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. La producción de biomateriales con cerca similitud química con naturalmente mineral que se ha informado para promover respuestas biológicas óptimas. Por ejemplo, la investigación sobre biomimético deficiente en calcio carbonatado NHA ha demostrado que es capaz de estimular la actividad de la fosfatasa alcalina de las células preosteoblastos murinos proliferación y en un grado mayor que las CNS convencional 19. En este estudio, la precipitación de HA que mostró la descomposición térmica parcial a 1000 ° C (Figura 2) sugirió la formación de un HA deficiente en calcio. Esto fue apoyado por el menor que la estequiométrica Ca: P (1.63) se obtiene con los datos XRF (Tcapaces 1). Se entiende que una reducción de Ca: P se asocia con una menor estabilidad térmica 20, 21, 22, 23. En este método, la adición rápida de la solución de ácido fosfórico bajó rápidamente el pH de la suspensión de reacción para generar HPO 4 iones. La presencia de HPO 4 grupos facilitó la precipitación del calcio deficiente HA, con la fórmula molecular: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, donde 0 &lt;x &lt;1. La rápida adición del ácido fosfórico, por tanto, tenía un marcado efecto sobre la cinética de precipitación de la reacción. Como se ha descrito anteriormente, las reacciones de titulación que implican hidróxido de calcio y ácido fosfórico llevado a cabo a temperatura ambiente tendían a producir partículas con una alta relación de aspecto 13. para titration reacciones que implican estos reactivos, era necesario usar una temperatura elevada para producir partículas con una relación de aspecto más baja que son más similares a la apatita biológica 13. Partículas de alta relación de aspecto se producen cuando la velocidad de nucleación de cristal es más lenta que la tasa de crecimiento de los cristales 24. Para el nuevo método desarrollado en este estudio, la adición rápida de la solución de ácido fosfórico puede haber proporcionado un mayor número de sitios de nucleación que resultó en el aumento de la presencia de pequeñas partículas redondeadas en lugar de un menor número de partículas con una relación de aspecto mayor. Como los autores no han investigado a fondo los efectos de verter lentamente el ácido fosfórico en la suspensión de hidróxido de calcio, con el fin de lograr resultados consistentes se recomienda que el ácido fosfórico se vierte a un ritmo acorde con la que se muestra en el video (aproximadamente 100 mL / s). Durante el desarrollo de este método, los autores investigated una serie de cambios incrementales en el método de preparación de CNS basado en Prakash et al. 13 incluyendo la comparación de los productos producidos con la lenta titulación y la rápida adición de la solución de ácido fosfórico 25. Se encontró que la lenta titulación de ácido fosfórico en la suspensión de hidróxido de calcio como resultado un producto con un residuo de hidróxido de calcio. Proponemos que el cambio de pH causado por la rápida adición de ácido fosfórico alentó a la disolución del hidróxido de calcio y, por tanto, permitió la conversión exitosa de los reactivos en hidroxiapatita. Una comparación de los productos preparados usando el método de mezcla rápida en la sala y temperaturas elevadas (60 ° C) se encontró que una temperatura elevada dio como resultado una mayor conductividad después de que se completó la reacción. Esto sugirió que el hidróxido de calcio residual estaba presente, que era probable que sea debido a la menor solubilidad del hidróxido de calcio enaumento de las temperaturas. La presencia de hidróxido de calcio residual era indeseable como la naturaleza básica de este compuesto podría comprometer la biocompatibilidad. FTIR detecta la actividad del grupo fosfato e hidroxilo característica asociada con HA (Figura 3). Se observó que el espectro para el producto sinterizado mostró más nítidas picos fosfato e hidroxilo. Estos cambios se han asociado con una mayor cristalinidad del producto 26, 27 .El espectro no sinterizado proporcionado evidencia de tipo B sustitución carbonato donde los iones de carbonato se han sustituido por grupos fosfato. Esto está en contraste con una de tipo sustitución, si los iones de carbonato pueden sustituir por grupos hidroxilo 17. Se ha informado de que la sustitución de tipo B se produce en carbonato de apatita biológica 3. Sin embargo, Tampieri et al. informó que, si bien la sustitución de tipo B fue predominhormiga en los huesos pequeños, de tipo carbonato de sustitución era cada vez más presente en los huesos de las personas de edad avanzada 28. sustitución de carbonato se ha encontrado para disminuir la cristalinidad y estabilidad térmica de la ASN, mientras que el aumento de su solubilidad. Se han propuesto Estos cambios de contribuir al aumento de la bioactividad de carbonato-sustituido HA 29. HA biológica también se sabe que contienen algunos de los otros elementos grabados en el análisis de XRF (Tabla 1), como el magnesio, el sodio y el estroncio 30. La presencia de estos elementos también puede contribuir al aumento de la eficacia biológica. El trabajo futuro debe estar dirigido a la preparación de estas apatitas nanoescala sustituido, y también productos con un mayor biofuncionalidad como NHA dopado con plata-31. Con el fin de preparar las CNS sustituido, el elemento puede ser introducido con una reducción correspondiente del elemento deseado para Substitute para, por ejemplo, una reducción en la cantidad del compuesto de calcio cuando estroncio, magnesio o zinc sustitución se intenta 32. Alternativamente, otro enfoque puede ser para añadir elementos con la intención de proporcionar iones dopados &#39;&#39; que están presentes en la superficie de la ASN sin necesariamente con la intención de sustituir el elemento en la red cristalina HA 31. Por estas modificaciones en el método, es posible preparar soluciones mixtas tales como hidróxido de calcio y nitrato de plata, y para llevar a cabo la reacción de la misma manera como se describe aquí. En conclusión, este documento informa de un método rápido y sustancialmente mejorado novedoso para la preparación de bioinspirado CNS. Para este método, la mezcla rápida de los productos químicos tarda menos de 5 segundos, que es una marcada reducción en el tiempo en comparación con las titulaciones reacciones típicamente requieren horas de seguimiento cuidadoso. Tiene un gran potencial para su uso en biomaterial desarrollo debido a su relativa simplicidad y bajo costo en comparación con los métodos de fabricación NHA industriales que actualmente se utilizan en la complejidad inherente a los resultados de los sistemas comerciales actuales en los largos tiempos de investigación y desarrollo, y el aumento de costes de fabricación. En particular, este nuevo método es superior a los procesos de flujo continuo o técnicas hidrotermales debido a los menores requerimientos de inversión significativamente equipo de puesta en marcha.

Hay una gran necesidad clínica de biomateriales avanzados con funcionalidad mejorada con el fin de mejorar la calidad de vida de los pacientes y reducir la carga de la salud de una población mundial envejecimiento. La hidroxiapatita se ha utilizado ampliamente en aplicaciones médicas durante muchos años debido a su buena biocompatibilidad. Recientemente, ha habido un creciente interés en el uso de hidroxiapatita a nanoescala (NHA), especialmente para la regeneración de tejido mineralizado en medicina y odontología. El mineral que se encuentra en el esmalte de huesos y dientes es deficiente en calcio, multi-sustituido, hidroxiapatita a nanoescala. Las estimaciones para el tamaño de las plaquetas NHA biológicos reportan dimensiones de 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, con estructuras aún más pequeñas que se describen en el hueso inmaduro 2. En contraste, el mineral en el esmalte del diente es de 10 a 100 veces mayor que la encontrada en el tejido óseo en longitud y anchura 3, 4. sintética NHA<html> podrían ser denominadas de bioinspirado en lugar de biomimético, ya que estamos tratando de traducir las observaciones relativas a las características de los materiales naturales en las tecnologías médicas con un mejor rendimiento. Se ha sugerido que bioinspirado NHA puede ser más favorable en aplicaciones de regeneración de tejidos óseos y dientes debido a su similitud con la del mineral natural 5. Existen varios métodos que han sido reportados para preparar las CNS incluyendo hidrotermal 6, secado por pulverización 7 y 8 de sol-gel técnicas. De estos, el método de precipitación húmeda se considera un método relativamente conveniente para la producción de CNS. Los métodos de precipitación húmeda publicados NHA generalmente incluyen una etapa de valoración cuando se mezcla el calcio y el fósforo precursores químicos 9, 10, 11,ref &quot;&gt; 12, 13, 14. Sin embargo, estos enfoques están asociados con una serie de desventajas incluyendo procesos largos y complejos combinados en algunos casos con la necesidad de equipos costosos. La producción comercial puede ser incluso más compleja, con patentes que describen reactores sofisticados para fabricación de grado médico de alta calidad NHA 15. a pesar de esto, la reacción de neutralización entre el hidróxido de calcio y ácido fosfórico es ventajoso debido a la falta de producto químico nocivo subproductos. La relación entre condiciones de procesamiento y la morfología del producto de CNS se ha informado de reacciones de titulación lenta. En concreto, para los métodos de valoración que implican hidróxido de calcio y ácido fosfórico, una temperatura elevada pareció favorecer la preparación de partículas con una relación de aspecto baja 13. Este trabajo se amplió considerablemente por Genazulejo et al. 16 que demostró la relación entre la temperatura y otras condiciones de procesamiento sobre la calidad de los productos de CNS de una amplia gama de métodos. Llegó a la conclusión de que el método de precipitación química húmeda de Prakash 13 hizo que los productos de mayor calidad, pero hay que señalar que los resultados dependían de procesos técnicamente complejos y lentos / mezcla. El paso inicial de titulación Prakash toma más de una hora. Sin embargo, los tiempos de valoración más largos pueden ser requeridos para lotes más grandes para ser preparados. En resumen, mientras que la influencia de varios factores, incluyendo la temperatura ahora se han estudiado ampliamente, casi ninguna atención se ha dirigido a reducir la complejidad y el tiempo necesario para llevar a cabo los métodos basados ​​en la titulación asociado. El objetivo de este estudio fue, por tanto, para investigar los efectos de la aplicación de un enfoque de mezcla rápida para la fabricación de un NHA Bioinspirada, y totalmente caracterize los materiales resultantes. Si tiene éxito, un enfoque simplificado mezcla rápida tendría grandes beneficios para los investigadores de laboratorio como de la industria donde los costos de fabricación podría reducirse sustancialmente sin comprometer la calidad.

<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

La hidroxiapatita (HA) ha sido ampliamente utilizado como una cerámica médica debido a su buena biocompatibilidad y osteoconductividad. Recientemente ha habido interés en relación con el uso de hidroxiapatita a nanoescala bioinspirado (NHA). Sin embargo, la apatita biológica es conocida por ser deficiente en calcio y carbonato-sustituido con una morfología de plaquetas como nanoescala. Bioinspirada NHA tiene el potencial de estimular la regeneración de tejido óseo óptimo debido a su similitud con los huesos y los dientes mineral del esmalte. Muchos de los métodos actualmente utilizados para fabricar las CNS, tanto en el laboratorio como en el comercio, involucrar a procesos largos y complejos equipos. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue desarrollar un método rápido y fiable para preparar alta calidad bioinspirado CNS. El método de mezcla rápida desarrollado se basa en una reacción ácido-base que implica hidróxido de calcio y ácido fosfórico. Brevemente, una solución de ácido fosfórico se vertió en una solución de hidróxido de calcio, seguido de agitación, lavado yetapas de secado. Parte de la carga se sinteriza a 1000 ° C durante 2 h con el fin de investigar alta estabilidad de temperatura de los productos. El análisis de difracción de rayos X mostró la formación exitosa de HA, que mostró la descomposición térmica a ß-fosfato tricálcico después de procesamiento de alta temperatura, que es típico de HA deficiente en calcio. Transformada de Fourier espectroscopía infrarroja mostró la presencia de grupos carbonato en el producto precipitado. Las partículas de CNS tenían una baja relación de aspecto con dimensiones aproximadas de 50 x 30 nm, cerca de las dimensiones de la apatita biológica. El material fue también deficiente de calcio con una relación Ca: P de 1,63 molar, que al igual que la apatita biológica es inferior a la relación estequiométrica de HA 1,67. Por tanto, este nuevo método es un proceso fiable y mucho más conveniente para la fabricación de Bioinspirada NHA, la superación de la necesidad de largas titulaciones y equipos complejos. El producto de HA Bioinspirada resultante es adecuado para uso en una amplia variedad deaplicaciones médicas y de salud de los consumidores.

<html> Patrones de DRX (Figura 2) mostró la precipitación de una fase de HA pura con picos anchos, lo que indica un tamaño relativamente pequeño de los cristalitos y / o naturaleza amorfa. Después de la sinterización a alta temperatura, se detectó fosfato β-tricálcico (β-TCP), junto con una fase principal de HA. La agudización de los picos de difracción, es decir, una reducción de la mitad del máximo de ancho total, indica un aumento en el tamaño de los cristales después de la sinterización. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig2.jpg" /> Figura 2. Análisis de la fase cristalina de los productos. difracción de rayos X (DRX) patrones de polvo de hidroxiapatita sinterizada nanoescala (NHA) y polvo de Nha sinterizadas a 1000 ° C durante 2 h. etiquetas de pico: ▼ picos de hidroxiapatita, ■ picos de fosfato tricálcico β-.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. FTIR-ATR espectros (figura 3) confirmó la formación de una fase HA por el fosfato de característica y las bandas de hidroxilo 17, 18. En detalle las bandas fueron asignados de la siguiente manera: 3.750 cm -1 (OH - estirar ν OH); 1.086 y 1.022 cm -1 (PO 4 3- nu 3); 962 cm-1 (PO 4 3- nu 1); 630 cm-1 (IL - libración δ OH); 600 y 570 cm-1 (PO 4 3- ν 4). En la muestra no sinterizado los picos adicionales fueron asignados de la siguiente manera: pico ancho centrado en torno a 3.400 cm-1 (moléculas de agua absorbidas); 1.455 y 1.410 cm -1 (CO 3 2- nu 3); 880 cm <sup&gt; -1 (CO 3 2- ν 2). Los grupos de agua y carbonato absorbido observados en el polvo no sinterizado se eliminaron durante la etapa de sinterización a alta temperatura. El proceso de sinterización también afiló las bandas hidroxilo y fosfato, que se manifiestan por un pico a valle mayor distancia. <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig3.jpg" /> Figura 3. Los espectros infrarrojos de los productos. Infrarroja por transformada de Fourier en los espectros de reflectancia atenuada modo totales (FTIR-ATR) de polvo sinterizado nanoescala hidroxiapatita (NHA) y polvo de Nha sinterizado a 1000 ° C durante 2 h. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Imágenes de TEM (Figura 4) mostraron la formación de partículas a nanoescala ingenioh dimensiones aproximadas de 50 nm de 30 nm. Las partículas tenían una baja relación de aspecto (ancho longitud de partícula / partícula) de alrededor de 1,7. El tamaño y la forma de los productos a nanoescala eran de dimensiones similares a la apatita biológica 1. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig4.jpg" /> Figura 4. nanoescala morfología del producto. Micrografías electrónicas de transmisión (TEM) de nanoescala hidroxiapatita (NHA) preparados usando el método de mezcla rápida en dos aumentos. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Análisis químico cuantitativo del polvo NHA por XRF (Tabla 1) permitió la relación calcio: fósforo que se calcula como 1.63, que es ligeramente inferior a la estequiométrica HA which tiene una relación calcio: fósforo de 1,67. XRF también mostró la alta pureza del producto NHA con sólo pequeñas cantidades de otros elementos registrados. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Compuesto </td><td> Peso% </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> Na2O </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>Tabla 1. Análisis químico cuantitativo de producto. (XRF) resultados de fluorescencia de rayos X para polvo no sinterizado NHA mostraron&gt; 99% de pureza en peso.

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Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

En este trabajo se describe un nuevo método para la fabricación rápida de alta calidad hidroxiapatita nanoescala Bioinspirada. Este biomaterial es de gran importancia en la fabricación de una amplia gama de dispositivos médicos innovadores para aplicaciones clínicas en ortopedia, cirugía craneofacial y odontología.

Mezcla rápida Preparación de Bioinspirada nanoescala hidroxiapatita para aplicaciones biomédicas

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 vistas.  University of Sheffield.  En este trabajo se describe un nuevo método para la fabricación rápida de alta calidad hidroxiapatita nanoescala Bioinspirada. Este biomaterial es de gran importancia en la fabricación de una amplia gama de dispositivos médicos innovadores para aplicaciones clínicas en ortopedia, cirugía craneofacial y odontología. 

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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.

Preparación de fibrina Andamios 3D para Aplicaciones madre para cultivo celular

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 ...

Investigación

Bioingeniería

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.

Revestimientos de grafeno para Implantes Biomédicos

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.

El diseño de proteínas de seda-seda aleaciones para aplicaciones biomédicas

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.

Nanomanipulación de Soltero moléculas de ARN por Pinzas Ópticas

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.

Fabricación superhidrófobas materiales poliméricos para aplicaciones biomédicas

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.

Fabricación de Mecánicamente sintonizable y Bioactivos metal andamios para Aplicaciones Biomédicas

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.

Síntesis de nanofibras a base de Queratina de Ingeniería Biomédica

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.

Preparación de silicio de nanocables de transistor de efecto de campo de químicos y biosensores Aplicaciones

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.

Las cápsulas de origen vegetal extracción de microencapsulación para Aplicaciones

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.

Dos métodos de descelularización de tejidos vegetales para aplicaciones de ingeniería de tejidos

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