この作品は、Ceramisys（株）と共同でEPSRCのCASEの学生の身分によってサポートされていましたし、また医療機器[認可番号EP / K029592 / 1]で革新的なものづくりのためMEDEイノベーション、EPSRCセンターに関連付けられています。著者らはまた、XRF分析のためにシェフィールド・ハラム大学のロバート・バートンに感謝したいと思います。

<img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig1.jpg" /> バイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトの急速な混合製剤の1模式図を図。リン酸溶液は、水酸化カルシウムの懸濁液に注ぎました。懸濁液を一晩沈降後、NHAは60〜80℃で乾燥される前に、脱イオン水で洗浄しました。 NHAは次にNHA物の熱安定性を調べるためにメノウ乳鉢と乳棒と焼結で粉砕しました。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> ナノスケールハイドロキシアパタイトの1.迅速なミックス生産<ol><li>カルシウムとリンの溶液の調製は、1.67のモル比をリンにカルシウムを使用してナノスケールのヒドロキシアパタイトを5gを調製しました。 <ol><li>に水酸化カルシウムの3.705グラムを追加します。500mLの脱イオン水を400rpmで1時間磁気撹拌プレート上で撹拌します。 </li><li>別のビーカーに、250mLの脱イオン水中のリン酸（85％）の3.459グラム溶解します。 </li></ol></li><li>約100ミリリットル/秒の速度で撹拌しながら水酸化カルシウム懸濁液にリン溶液を注ぎます。パラフィルム（ビーミス、USA）を入れたビーカーをカバーしています。 </li><li> 400rpmで1時間攪拌し、懸濁液を残します。 </li><li>スターラープレートからビーカーを取り、一晩を解決するために残します。 </li><li>上清を捨てると500mLの脱イオン水を添加し、400rpmで1分間攪拌することにより、懸濁液を洗います。各洗浄の間の2時間で、合計でこのステップを3回繰り返します。 </li><li>一晩の決済にNHAのサスペンションを残します。 </li><li>透明な上清を捨て、オーブン60〜80℃に設定し、乾燥に定住NHAサスペンションを配置します。 </li><li>乾燥したとき、メノウ乳鉢と乳棒に乾燥NHAを配置し、罰金まで挽きます。 </li><li>プロの2.5グラムを置き10℃/分のランプ速度を用いて、2時間、1000℃のアルミナ坩堝と焼結粉末生さNHA粉末。熱処理後、炉内で冷却するNHAを残します。 </li><li>真空デシケーター内の粉末を保管してください。 </li></ol>ナノスケールハイドロキシアパタイトの2キャラクタリゼーション<ol><li> 伝送モードの回折計を用いてX線回折（XRD） <ol><li>アセテートフィルム上にポリビニルアルコール（PVA）少量の接着剤（ すなわち未満200μL）を配置し、NHAの少量の粉末（ すなわち 100mg未満）と混合。 </li><li>乾燥するまでホットエアガンで扱います。 </li><li>試料ホルダーに試料をマウントし、CuのKα放射線を透過モードX線回折装置上にロードします。 </li><li> 10-70°の2θの範囲で、40キロボルトおよび35ミリアンペアの回折計の設定を使用します。 </li><li>得られたXRDパターンを分析します。 </li><li>相同定のために、次のXRDのカードを使用します。：ハイドロキシアパタイト：9から432。 04-014-2292：リン酸三カルシウムをβ。 </li></ol></li><li> 透過型電子顕微鏡（TEM） <ol><li>ビジューに少量の粉末（ すなわち 10mg未満）を配置し、約3 mLのエタノールを追加します。 </li><li> 15超音波処理サンプル - 均質な懸濁液になるまで30分が観察されます。 </li><li>炭素膜と400メッシュの銅グリッド上に（1 mLを超える、すなわち以下）溶液を少量をピペットし、乾燥させます。 </li><li>加速電圧80kVで画像サンプル。 </li></ol></li><li> 材料とシェフィールド・ハラム大学工学研究所（MERI）による蛍光X線（XRF）サービス <ol><li>四ホウ酸リチウムの8グラムと0.8グラムNHA粉末を兼ね備えています。 </li><li> 1200℃に設定炉を用いて白金 - 金合金るつぼ中混合物を溶かします。 </li><li>の元素組成を決定するために、XRF分光計で得られた試​​料を分析サンプル。 </li></ol></li><li> 減衰全反射モード（FTIR-ATR）赤外分光法、フーリエ変換 <ol><li> 4000から64のバックグラウンドスキャンを実行します- 500センチメートル-1の4cm -1の分解能で。 </li><li>全反射減衰モードアダプタでダイヤモンドの上にNHAの少量の粉末（ すなわち 100mg未満）を配置し、スクリュートップを用いたダイヤモンドの表面に圧縮します。 </li><li> 4000から32のスキャンを実行します- 500センチメートル-1分解能4cmで-1サンプルスキャンから差し引かバックグラウンドスキャンと。 </li></ol></li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

天然アパタイトは、Ca 10-XYのおおよその化学式[（HPO 4）（PO 4）] 6-X（CO 3）、Y（OH）2-xの非化学量論的な炭酸ヒドロキシアパタイトのナノスケールの粒子から構成されています。近い化学類似性を有する生体材料の製造は、天然に存在する鉱物は、最適な生物学的応答を促進することが報告されていることができます。例えば、生体模倣カルシウム欠損炭酸NHAの研究は、従来NHA 19よりも大きな程度に増殖し、マウスの前骨芽細胞のアルカリホスファターゼ活性を刺激することが可能であることを示しています。 本研究では、1000℃（ 図2）で部分的熱分解を示したHAの沈殿は、カルシウム欠損HAの形成を示唆しました。 T（XRFデータを用いて得られたP比（1.63）：これは、化学量論のCaよりも低くすることによってサポートされていましたできる1）。 P比が低い熱安定性20、21、22、23に関連している：CA減少することが理解されます。この方法では、リン酸溶液の急速な添加は、急速HPO 4イオンを生成するために、反応懸濁液のpHを低下させました。 HPO 4基の存在は分子式で、カルシウム欠損HAの沈殿を促進：のCa 10-x（HPO 4）x（PO 4）6-x（OH）2-x、0 &lt;X &lt;1。 リン酸の急速な添加は、したがって、反応の析出速度に顕著な効果を持っていました。前述のように、室温で行っ水酸化カルシウムおよびリン酸を含む滴定反応は、高アスペクト比13を有する粒子を生成する傾向がありました。 titratioのためnはこれらの反応物を含む反応は、生物学的アパタイト13に類似している低いアスペクト比を有する粒子を製造するために高温を使用する必要がありました。結晶核生成速度が結晶成長速度24よりも遅い場合、高アスペクト比の粒子が生成されます。本研究で開発した新しい方法では、リン酸溶液の迅速な添加は、より大きなアスペクト比を有する少数の粒子とは対照的に、小さな丸い粒子の存在の増加をもたらした核形成部位の多くを提供していることができます。著者らは、完全にゆっくりと一貫した結果を得るために、水酸化カルシウムの懸濁液に、リン酸を注入の効果を調査していないとして、我々はリン酸は、ビデオ（約100ミリリットル/に示したものに相応の速度で注入されることをお勧めします秒）。 この方法の開発中に、作者のINVPrakashさんらに基づいてNHA調製法への増分変更の数をestigated。遅い滴定およびリン酸溶液25を迅速に添加して製造された製品の比較を含めて13。これは、水酸化カルシウムの懸濁液に、リン酸のゆっくり滴定は水酸化カルシウム残基と生成物が得られたことが分かりました。私たちは、リン酸の急速な添加によるpH変化が水酸化カルシウムの溶解を奨励し、したがって、ハイドロキシアパタイトへの反応物の変換が成功するために許可されていることを提案します。製品の比較は、室温及び高温（60℃）で急速な混合方法を用いて調製し、反応が完了した後、高温で高い導電性をもたらしたことを見出しました。この残留水酸化カルシウムはで水酸化カルシウムの低い溶解度に起因する可能性があった存在であることを示唆しました温度の上昇。この化合物の基本的な性質は、生体適合性を損なう可能性があるので、残留水酸化カルシウムが存在することは望ましくありませんでした。 FTIRは、HA（ 図3）に関連した特徴的なリン酸と水酸基の活性が検出されました。これは、焼結体のためのスペクトルがシャープリン酸と水酸基のピークを示したことが注目されました。これらの変更は、より大きな製品の結晶化度26、炭酸イオンがリン酸基を置換しているB型炭酸置換のための証拠を提供27【選択未焼成のスペクトルと関連しています。これは炭酸イオンがヒドロキシル基17を置換することができるタイプの置換とは対照的です。 B型カーボネート置換が、生物学的アパタイト3で発生することが報告されています。しかし、Tampieri ら。一方B型の置換がpredominたことを報告しましたアリは若い骨の中に、型炭酸置換が高齢者28の骨でますます存在していました。カーボネート置換は、その溶解度を増加させる一方NHAの結晶性および熱安定性を低下させることが見出されています。これらの変更は、カーボネート置換HA 29の増加生物活性に寄与することが提案されています。生物学的なHAはまた、マグネシウム、ナトリウム、ストロンチウム30などのXRF分析（ 表1）に記録された他の要素のいくつかを含むことが知られています。これらの元素の存在はまた、生物学的効力の増加に寄与し得ます。今後の課題は、銀がドープされたNHA 31として増加した生物機能性にも製品をこれらのナノスケールの置換アパタイトの準備に向けて、する必要があります。置換NHAを調製するために、要素はsubstitutように意図要素の対応する減少に導入することができます電子、 例えばストロンチウム、マグネシウムまたは亜鉛置換が32試みられるカルシウム化合物の量の減少。代替的に、別のアプローチは、必ずしも、HAの結晶格子31への要素を置換することを意図することなく、NHAの表面上に存在する「ドープされた」イオンを提供する目的で構成要素を追加することができます。方法のこれらの変更のためには、水酸化カルシウムと硝酸銀などの混合溶液を調製するために、ここで説明したのと同じ方法で反応を行うことができます。 結論として、本論文では、バイオインスパイアードNHAの調製のための新規の迅速かつ実質的に改良された方法を報告します。この方法では、化学物質の迅速な混合は、反応は通常、注意深い監視の時間を必要とする滴定に比べて時間の著しい減少である5秒未満かかります。これは、biomatで使用するための大きな可能性を秘めていますerial開発、その相対的な単純性と固有の長い研究開発時間の現在の商用システムの結果の複雑さ、および実質的に製造コストが増大し、現在使用される工業NHAの製造方法に比べて低コストです。具体的には、この新しい方法は、連続フロープロセスまたは有意に低い起動設備投資の要件による熱水技術に優れています。

患者の生活の質を改善するために、グローバル高齢化人口の医療負担を軽減するために、強化機能を備えた高度なバイオマテリアルのための大きな臨床的必要性があります。ヒドロキシアパタイトは、広く、その良好な生体適合性のために長年にわたって医学的用途に使用されています。最近、特に医学と歯学における鉱化組織再生のために、ナノスケールのハイドロキシアパタイトの使用（NHA）に対する関心が高まっています。骨や歯のエナメル質で見つかった鉱物は、カルシウム欠損、多置換、ナノスケールハイドロキシアパタイトです。生物学的NHA血小板の大きさの推定値は、未成熟骨2に記載し、さらに小さい構造で、50ナノメートル×30ナノメートル×2 nmの1の大きさを報告しています。対照的に、歯のエナメル質中の鉱物は、長さおよび幅3、4の両方における骨組織中に見られるよりも10から100倍大きいです。合成NHA<html>我々はパフォーマンスの向上と医療技術に天然素材の特性に関する観測を翻訳しようとしているとして、より良いバイオインスパイアードと呼ばれるのではなく、生体模倣かもしれません。自然の鉱物5を発生するバイオインスパイアードNHAは、その類似性のために骨や歯の組織再生用途にも有利であることが示唆されてきました。 水6、スプレードライ7ゾルゲル8技術を含むNHAを調製することが報告されている種々の方法があります。これらのうち、湿式沈殿法は、NHAを製造するための比較的簡便な方法と考えられています。カルシウムとリンの化学的前駆体9、10、11を混合する際公開NHA湿式沈殿法は、一般に、滴定工程を含みますREF &quot;&gt; 12、13、14。しかし、これらのアプローチは、高価な機器を必要といくつかのケースで組み合わせ長くかつ複雑なプロセスを含む多くの欠点に関連している。商業生産は、特許がために洗練された反応器を説明すると、さらに複雑であってもよいですこれにもかかわらず、高品質の医療グレードNHA 15の製造は、水酸化カルシウムとリン酸との中和反応による副生成物の有害な化学物質が不足することが有利です。 処理条件とNHA製品の形態との間の関係は、低速滴定反応のために報告されています。具体的には、水酸化カルシウムとリン酸を含む力価測定方法のため、高温、低アスペクト比13を有する粒子の製造に有利に見えました。この作品は世代によってかなり拡張されましたタイルら。方法の広い範囲からNHA製品の品質に及ぼす温度及び他の処理条件との関係を実証した16。彼はプラカーシュ13の湿式化学沈殿法は、最高品質の製品を作ったと結論付けたが、結果が技術的に困難と低速/混合プロセスに依存していたことに留意すべきです。元プラカシュ滴定ステップは1時間以上かかります。しかし、より長い滴定時間が大きいバッチを調製するためには必要とされ得ます。 温度を含むいくつかの要因の影響は、現在の複雑さの低減をほとんど注意が向けられており、広く研究および滴定に基づく方法を実行するのに必要な時間に関連してきたが、要約します。本研究の目的は、バイオインスパイアードNHAの製造に急速なミックスアプローチを適用する効果を調査することであった、と完全にcharacteri得られる材料をZE。成功した場合、簡素化、迅速なミックスアプローチは、製造コストが大幅に品質を損なうことなく低減することができた同様の実験室の研究者と産業界にとって大きなメリットを持っているでしょう。

<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

ヒドロキシアパタイト（HA）が広く、その良好な生体適合性及び骨伝導による医療用セラミックスとして使用されてきました。最近、バイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイト（NHA）の使用に関する関心が集まっています。しかし、生物学的アパタイト、カルシウム欠乏であることが知られており、ナノスケール血小板様形態を有するカーボネート置換します。バイオインスパイアードNHA起因骨および歯のエナメル質の鉱物との類似性の最適な骨組織の再生を刺激する可能性を有します。現在、実験室で、商業的に両方NHAを製造するために使用される方法の多くは、長いプロセスや複雑な装置を含みます。従って、本研究の目的は、高品質のバイオインスパイアードNHAを調製するための迅速かつ信頼性の高い方法を開発することでした。開発された迅速な混合方法は、水酸化カルシウムとリン酸を含む酸 - 塩基反応に基づいていました。簡潔には、リン酸溶液を攪拌、洗浄、続いて水酸化カルシウム水溶液に注ぎ乾燥段階。バッチの一部は、製品の高い温度安定性を調査するために、2時間1000℃で焼結しました。 X線回折分析は、カルシウム欠乏HAに典型的な高温処理後、リン酸三カルシウムβに熱分解を示したHAの正常な形成を示しました。フーリエ変換赤外分光法は、沈殿した生成物中の炭酸基の存在を示しました。 NHA粒子は、生体アパタイトの寸法に近い50×30nmの概略寸法、低アスペクト比を持っていました。生物学的アパタイトのような1.67の化学量論的HA比よりも低い1.63のPのモル比：材料は、カルシウムとカルシウム欠乏でした。この新しい方法は長い滴定し、複雑な装置の必要性を克服し、したがって、バイオインスパイアードNHAの製造のための信頼できるとはるかに便利な方法です。得られたバイオインスパイアードHA製品は多種多様で使用するのに適しています医療と消費者の健康アプリケーション。

<html> XRDパターン（ 図2）は、比較的小さな結晶サイズおよび/または非晶質の性質を示し、幅広いピークを有する純粋なHA相の析出が認められました。高温焼結した後、βリン酸三カルシウム（β-TCP）は、HAの主相と一緒に、検出されました。回折ピークの鮮鋭化、半値全幅、 すなわち減少は、焼結後の結晶サイズの増加を示しました。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig2.jpg" /> 製品の図2結晶相解析。 X線回折（XRD）2時間1000℃で焼結未焼成ナノヒドロキシアパタイト（NHA）粉末とNHA粉末パターン。ピークラベル：▼ハイドロキシアパタイトのピーク、βリン酸三カルシウムのピークを■。ge.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 FTIR-ATRスペクトル（ 図3）は、特性ホスフェートとヒドロキシルバンド17,18によってHA相の形成を確認しました。次のように詳細にはバンドが割り当てた：3750センチメートル-1（OH - OHνストレッチを）。 1086および1022センチメートル-1（PO 4 3-ν3）。 962センチメートル-1（PO 4 3-ν1）。 630センチメートル-1（OH -秤動δOH）; 600と570センチメートル-1（PO 4 3-ν4）。次のように未焼結のサンプルでは、追加のピークを割り当てた：3400センチメートル-1（吸収された水の分子）を中心としたブロードなピークを。 1455および1410センチメートル-1（CO 3 2-ν3）。 880センチメートル<sup&gt; -1（2-ν2 CO 3）。未焼結粉末で観察された吸収された水とカーボネート基は、高温焼結工程の間に除去しました。焼結プロセスはまた、距離をトラフ大きなピークにより明らかにされたヒドロキシル基とリン酸のバンドを先鋭化。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig3.jpg" /> 図3.製品の赤外線スペクトル。フーリエ変換は、2時間1000℃で焼結未焼成ナノヒドロキシアパタイト（NHA）粉末とNHA粉末の減衰全反射モード（FTIR-ATR）スペクトル、赤外線変換します。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> TEM画像（ 図4）は、ナノスケール粒子のウィットの形成を示しました50nmの時間おおよその寸法を30nmによります。粒子は、約1.7の低アスペクト比（粒子長/粒子幅）を有していました。ナノスケール製品のサイズおよび形状は、生物学的アパタイト1と同様の寸法でした。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig4.jpg" /> 図4.製品のナノスケール形態。ナノヒドロキシアパタイト（NHA）の透過電子顕微鏡写真（TEM）は、2つの倍率での迅速な混合方法を用いて調製しました。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> XRF（ 表1）によってNHA粉末の定量化学分析は、カルシウムを許可：化学量論的HA whicより僅かに低い1.63のように計算されるリン比1.67のリン比：hは、カルシウムを持っています。 XRFも記録、他の要素の微量のみでNHA製品の高純度を示しました。 <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> 化合物 </td><td> 重量％ </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>酸化マグネシウム</td><td> 0.46 </td></tr><tr><td> Na 2 Oを</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>製品の EEP-together.withinページ= &quot;1&quot;&gt; 表1定量化学分析。未焼結NHA粉末のX線蛍光（XRF）の結果は、重量で&gt; 99％の純度を示しました。

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Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

本稿では、高品質のバイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトを迅速に製造するための新規な方法を説明します。この生体材料は整形外科、頭蓋顔面外科および歯科臨床応用のための革新的な医療機器の広い範囲の製造に非常に重要です。

バイオメディカル応用のためのバイオインスパイアードナノハイドロキシアパタイトの急速なミックス準備

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

rapid-mix-preparation-bioinspired-nanoscale-hydroxyapatite-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

19.1K ビュー.  University of Sheffield. 本稿では、高品質のバイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトを迅速に製造するための新規な方法を説明します。この生体材料は整形外科、頭蓋顔面外科および歯科臨床応用のための革新的な医療機器の広い範囲の製造に非常に重要です。 

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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.

幹細胞培養アプリケーションのための3Dフィブリン足場の調製

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 ...

生物工学

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.

メディカルインプラントのグラフェンコーティング

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.

バイオメディカル応用のためのシルクシルクプロテイン合金材料設計

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.

光ピンセットによる単一のRNA分子のナノマニピュレーション

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.

バイオメディカル応用のための超疎水性高分子材料を製造します

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.

バイオメディカル応用のための機械的に調整可能な生物活性金属スキャフォールドの作製

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.

医工学のためのケラチンベースのナノファイバーの合成

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.

化学とバイオセンシングアプリケーション用のシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタの作製

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.

マイクロカプセル化アプリケーション用の抽出プラントベースのカプセル

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.

組織工学用植物組織の Decellularization の 2 つの方法

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