تحضير مزيج سريع من Bioinspired النانو هيدروكسيباتيت للتطبيقات الطبية الحيوية
Summary
وتصف هذه الورقة طريقة جديدة لتصنيع سريع ذات جودة عالية النانو bioinspired هيدروكسيباتيت. هذا بيولوجية له أهمية كبيرة في تصنيع مجموعة واسعة من الأجهزة الطبية المبتكرة للتطبيقات السريرية في جراحة العظام، جراحة الوجه و الأسنان.
Abstract
هيدروكسيباتيت (HA) وقد استخدم على نطاق واسع السيراميك الطبية نظرا لتوافق مع الحياة جيدة وosteoconductivity. في الآونة الأخيرة كان هناك اهتمام فيما يتعلق باستخدام هيدروكسيباتيت النانوية bioinspired (نها). ولكن من المعروف الأباتيت البيولوجي أن تكون تعاني من نقص الكالسيوم وكربونات استبداله مع مثل الصفائح الدموية التشكل النانو. Bioinspired نها لديه القدرة على تحفيز الأمثل تجديد أنسجة العظام بسبب تشابهه مع العظام وميناء الأسنان المعدنية. العديد من الطرق المستخدمة حاليا لافتعال نها على حد سواء في المختبر وتجاريا، وتنطوي على عمليات طويلة والمعدات المعقدة. لذلك، كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير طريقة سريعة وموثوق بها لإعداد جودة عالية bioinspired نها. واستند طريقة الخلط السريع تطويرها بناء على تفاعل الأحماض مع القلويات التي تنطوي على هيدروكسيد الكالسيوم وحمض الفوسفوريك. لفترة وجيزة، وسكب محلول حمض الفوسفوريك إلى محلول هيدروكسيد الكالسيوم تليها التحريك والغسيل ومراحل التجفيف. ومتكلس جزء من دفعة في 1000 درجة مئوية لمدة 2 ساعة وذلك لتحقيق الاستقرار في درجة الحرارة العالية للمنتجات. وأظهر تحليل حيود الأشعة السينية تشكيل الناجح لHA، والتي أظهرت التحلل الحراري لبيتا-فوسفات ثلاثي الكالسيوم بعد معالجة ارتفاع في درجة الحرارة، وهو الأمر المعهود لHA-تعاني من نقص الكالسيوم. أظهر تحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء وجود جماعات الكربونات في المنتج عجل. وكانت جزيئات نها منخفضة نسبة الارتفاع مع الأبعاد التقريبية 50 × 30 نانومتر، على مقربة من أبعاد الأباتيت البيولوجي. كانت المادة أيضا تعاني من نقص الكالسيوم مع الكالسيوم: نسبة المولي P من 1.63، والذي مثل الأباتيت البيولوجي أقل من نسبة HA متكافئة من 1.67. ولهذه الطريقة الجديدة هو عملية موثوقة وأكثر ملائمة لصناعة bioinspired نها، والتغلب على ضرورة المعايرة طويلة والمعدات المعقدة. المنتج HA bioinspired الناتج هو مناسبة للاستخدام في مجموعة واسعة منالتطبيقات الطبية والصحية المستهلك.
Introduction
هناك حاجة سريرية كبيرة لمواد حيوية متقدمة مع وظائف محسنة من أجل تحسين نوعية حياة المرضى والحد من عبء الرعاية الصحية لشيخوخة السكان العالمي. وقد استخدمت هيدروكسيباتيت على نطاق واسع في التطبيقات الطبية لسنوات عديدة نظرا لتوافق مع الحياة جيدة. في الآونة الأخيرة، كان هناك اهتمام متزايد في استخدام هيدروكسيباتيت النانوية (نها)، ولا سيما لتجديد الأنسجة المعدنية في الطب وطب الأسنان. المعادن الموجودة في العظام والأسنان المينا تعاني من نقص الكالسيوم، متعدد استبداله، هيدروكسيباتيت النانو. تقديرات لحجم الصفائح الدموية نها البيولوجية تقرير أبعاد 50 × 30 نانومتر نانومتر × 2 نانومتر 1، مع هياكل أصغر وصفها في عظم غير ناضج 2. على النقيض من والمعادن في ميناء الأسنان هو 10 إلى 100 مرة أكبر من تلك الموجودة في أنسجة العظام في كل من الطول والعرض 3 و 4. الاصطناعية نها قد يكون من الأفضل bioinspired يطلق عليه بدلا من المحاكاة البيولوجية، ونحن نسعى لترجمة الملاحظات المتعلقة خصائص المواد الطبيعية في التقنيات الطبية مع تحسين الأداء. وقد اقترح أن bioinspired نها قد تكون أكثر ملاءمة في تطبيقات العظام والأسنان وترميم الأنسجة بسبب تشابهه مع طبيعيا المعدنية 5.
وهناك طرق مختلفة التي تم الإبلاغ عنها للتحضير نها بما في ذلك المياه الحارة 6، رذاذ جاف 7 و سول-جل 8 التقنيات. من هذه، يعتبر طريقة هطول الأمطار وسيلة مريحة نسبيا لإنتاج نها. تتضمن نها طرق هطول الأمطار التي تصدر عادة خطوة المعايرة عند خلط الكالسيوم والسلائف الكيميائية الفوسفور 9، 10، 11،المرجع "> 12 و 13 و 14. ومع ذلك، ترتبط هذه النهج مع عدد من العيوب بما في ذلك عمليات طويلة ومعقدة جنبا إلى جنب في بعض الحالات مع الحاجة إلى معدات باهظة الثمن. قد يكون الإنتاج التجاري أكثر تعقيدا، مع براءات الاختراع التي تصف المفاعلات المتطورة ل تصنيع ذات جودة عالية الصف الطبية نها (15). وعلى الرغم من هذا، فإن رد الفعل تحييد بين هيدروكسيد الكالسيوم وحمض الفوسفوريك هو مفيد نظرا لعدم وجود المواد الكيميائية السامة من المنتجات.
تم الإبلاغ عن العلاقة بين ظروف التصنيع والتشكل من المنتجات نها للتفاعلات المعايرة بطيئة. على وجه التحديد، لطرق المعايرة التي تنطوي على هيدروكسيد الكالسيوم وحمض الفوسفوريك، وظهرت على درجة حرارة مرتفعة لصالح إعداد الجسيمات مع انخفاض نسبة الارتفاع 13. تم تمديد هذا العمل إلى حد كبير من قبل الجنرالالبلاط وآخرون. 16 الذين تظاهروا العلاقة بين درجة الحرارة وظروف التصنيع الأخرى على جودة المنتجات نها من مجموعة واسعة من الأساليب. وخلص إلى أن طريقة الترسيب الكيميائي الرطب من براكاش 13 جعل أعلى جودة المنتجات، ولكن تجدر الإشارة إلى أن النتائج كانت تعتمد على العمليات الصعبة من الناحية الفنية وبطيئة / خلط. يأخذ براكاش خطوة المعايرة الأصلية على ساعة واحدة. ومع ذلك، قد تكون هناك حاجة الأوقات المعايرة أطول لدفعات أكبر لتكون مستعدة.
لتلخيص، بينما الآن تمت دراسة تأثير العديد من العوامل بما في ذلك درجة الحرارة على نطاق واسع، وقد وجهت الانتباه تقريبا أي إلى الحد من التعقيد والوقت اللازم لأداء أساليب تعتمد على المعايرة المرتبطة بها. لذا كان الهدف من هذه الدراسة إلى التعرف على الآثار المترتبة على تطبيق نهج مزيج السريع لتصنيع لنها bioinspired، وcharacteri بالكاملزي المواد الناتجة. في حال نجاحها، فإن النهج مزيج سريع مبسط لها فوائد عظيمة للباحثين المختبر والصناعة على حد سواء حيث تكاليف الإنتاج يمكن أن تخفض بشكل كبير دون الحد من الجودة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتكون الأباتيت الطبيعي لجزيئات النانو من هيدروكسيباتيت الغازية غير متكافئة مع الصيغة الكيميائية التقريبية من الكالسيوم 10-س ص [(هبو 4) (ص 4)] 6-س (CO 3) ص (OH) 2-س. إنتاج المواد الحيوية مع تشابه الكيميائية بالقرب تم الإبلاغ عن حدوث المعدنية بشكل طبيعي لتعزيز الاستجابات البيولوجية المثلى. على سبيل المثال، أظهرت الأبحاث على المحاكاة البيولوجية تعاني من نقص الكالسيوم الغازية نها أنها قادرة على تحفيز انتشار ونشاط إنزيم الفوسفاتيز القلوية الخلايا preosteoblast الفئران إلى درجة أكبر من التقليدية نها 19.
في هذه الدراسة، وهطول الأمطار من HA الذي أظهر التحلل الحراري جزئي في 1000 درجة مئوية (الشكل 2) اقترح تشكيل HA-تعاني من نقص الكالسيوم. وأيد هذا من قبل أقل من الكالسيوم متكافئة: نسبة P (1.63) تم الحصول عليها مع البيانات XRF (Tقادرة 1). ومن المعلوم أن انخفاض الكالسيوم: نسبة ف يرتبط مع استقرار أقل حرارة 20، 21، 22، 23. في هذه الطريقة، إضافة السريع لمحلول حمض الفوسفوريك خفضت بسرعة الرقم الهيدروجيني للتعليق رد فعل لتوليد هبو 4 الأيونات. وجود هبو سهلت 4 مجموعات ترسب الكالسيوم نقص HA، مع الصيغة الجزيئية: كا 10-س (هبو 4) س (ص 4) 6-س (OH) 2-x، حيث 0 <س <1.
ولذلك كان إضافة السريع لحامض الفوسفوريك تأثير ملحوظ على حركية الأمطار من رد الفعل. كما هو موضح سابقا، وردود الفعل المعايرة التي تنطوي على هيدروكسيد الكالسيوم وحمض الفوسفوريك التي أجريت في درجة حرارة الغرفة تميل لانتاج جسيمات مع ارتفاع نسبة الارتفاع 13. لtitratioن ردود الفعل التي تنطوي على هذه الكواشف، كان من الضروري استخدام درجة حرارة مرتفعة لإنتاج جزيئات مع الجانب نسبة أقل مما هي أكثر مماثلة لالأباتيت البيولوجي 13. ويتم إنتاج جزيئات ارتفاع نسبة الارتفاع عندما يكون معدل التنوي الكريستال أبطأ من معدل نمو البلورات 24. للأسلوب جديد تم تطويره في هذه الدراسة، إضافة السريع لمحلول حمض الفوسفوريك قد قدمت عددا أكبر من مواقع التنوي مما أدى إلى تزايد وجود جسيمات صغيرة مدورة في مقابل أقل من الجسيمات مع الجانب نسبة أكبر. كما أن مقدمي البلاغ لم التحقيق فيها بالكامل آثار تتدفق ببطء حامض الفوسفوريك في تعليق هيدروكسيد الكالسيوم، من أجل تحقيق نتائج متسقة من المستحسن أن سكب حامض الفوسفوريك بمعدل يتناسب مع أن يظهر في شريط الفيديو (حوالي 100 مل / ق).
أثناء تطوير هذه الطريقة، والكتاب الجردestigated عددا من التغييرات الإضافية لطريقة إعداد نها تقوم على براكاش وآخرون. 13 بما في ذلك المقارنة بين المنتجات التي يتم إنتاجها مع المعايرة بطيئة وإضافة السريع لمحلول حمض الفوسفوريك 25. وقد تبين أن المعايرة بطيئة من حامض الفوسفوريك في تعليق هيدروكسيد الكالسيوم أسفرت عن المنتج مع بقايا هيدروكسيد الكالسيوم. نقترح أن تغير درجة الحموضة الناتجة عن إضافة السريع لحامض الفوسفوريك شجع حل هيدروكسيد الكالسيوم، وبالتالي يسمح لتحويل ناجح من المواد المتفاعلة إلى هيدروكسيباتيت. مقارنة بين منتجات أعدت باستخدام طريقة الخلط السريع في غرفة ودرجات حرارة مرتفعة (60 درجة مئوية) وجدت أن درجة حرارة مرتفعة أدت إلى الموصلية العالي بعد الانتهاء من رد الفعل. وهذا يشير إلى هيدروكسيد الكالسيوم المتبقي كان حاضرا التي كان من المحتمل أن يكون نتيجة لذوبان أقل من هيدروكسيد الكالسيوم فيارتفاع درجات الحرارة. ان وجود هيدروكسيد الكالسيوم المتبقية غير مرغوب فيه الطبيعة الأساسية لهذا المركب يمكن أن يضر توافق مع الحياة.
الكشف عن FTIR النشاط الفوسفات والهيدروكسيل مجموعة مميزة المرتبطة HA (الشكل 3). ولوحظ أن الطيف للمنتج متكلس أظهر أكثر وضوحا الفوسفات والهيدروكسيل القمم. وقد ارتبطت هذه التغييرات مع قدر أكبر من التبلور المنتج 26، 27. والطيف unsintered قدمت الدليل على B-نوع استبدال كربونات حيث استبدال أيونات الكربونات لمجموعات الفوسفات. هذا هو على النقيض من A-نوع الاستبدال التي قد تحل محل أيونات الكربونات لمجموعات الهيدروكسيل 17. وقد أفيد أن الاستبدال B-نوع كربونات يحدث في الأباتيت البيولوجي 3. ومع ذلك، تامبيرى وآخرون. وذكرت أنه في حين B-نوع الاستبدال كان predominفي العظام الشباب، كان النمل هناك نوع استبدال كربونات الحالي على نحو متزايد في عظام الأفراد الأكبر سنا 28. وقد وجد استبدال كربونات لتقليل التبلور والحرارية استقرار نها مع زيادة قابليته للذوبان. وقد اقترحت هذه التغييرات إلى المساهمة في زيادة النشاط الحيوي من كربونات استبداله HA 29. ومن المعروف البيولوجية HA أيضا تحتوي على بعض العناصر الأخرى المسجلة في تحليل XRF (الجدول 1)، مثل المغنيسيوم والصوديوم والسترونتيوم 30. وجود هذه العناصر يمكن أن تسهم أيضا في زيادة فعالية بيولوجية. وينبغي توجيه العمل المستقبلي في إعداد هذه apatites النانو استبداله، وكذلك المنتجات مع زيادة biofunctionality مثل مخدر الفضة نها 31. من أجل إعداد استبداله نها، ويمكن إدخال عنصر مع تخفيض المقابل للعنصر المقصود لsubstitutه ل، على سبيل المثال انخفاض في كمية من مركب الكالسيوم عند محاولة السترونتيوم والمغنيسيوم أو استبدال الزنك 32. بدلا من ذلك، قد تكون طريقة أخرى لإضافة عناصر بقصد توفير أيونات "مخدر" التي تكون موجودة على سطح نها دون قصد بالضرورة إلى استبدال عنصر في الكريستال شعرية HA 31. لهذه التعديلات إلى الطريقة فمن الممكن لإعداد الحلول المختلطة مثل هيدروكسيد الكالسيوم ونترات الفضة، وتنفيذ رد فعل بنفس الطريقة كما هو موضح هنا.
في الختام، تقارير هذه الورقة طريقة جديدة سريعة وتحسين كبير لإعداد bioinspired نها. لهذا الأسلوب، والخلط السريع للمواد الكيميائية تستغرق أقل من 5 ثوان وهو انخفاض ملحوظ في الساعة مقارنة المعايرة ردود الفعل عادة ما تتطلب ساعات من المراقبة الدقيقة. لديها امكانات كبيرة لاستخدامها في biomatتطوير يريال نظرا لبساطته النسبية والتكلفة المنخفضة بالمقارنة مع الطرق نها الصناعية المستخدمة حاليا التصنيع حيث التعقيد الكامن النتائج الأنظمة التجارية الحالية في أوقات الأبحاث والتطوير طويلة، وزادت بشكل كبير من تكاليف التصنيع. على وجه الخصوص، وهذا الأسلوب الجديد هو أفضل من عمليات تدفق مستمر أو التقنيات المائية بسبب ملحوظ أقل متطلبات الاستثمار في المعدات البدء.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل دراسية لحالة EPSRC بالتعاون مع Ceramisys المحدودة ويترافق أيضا مع مادي الابتكار، ومركز EPSRC لصناعة مبتكرة في الأجهزة الطبية [رقم منحة EP / K029592 / 1]. فإن الكتاب أود أيضا أن أشكر روبرت بيرتون في جامعة شيفيلد هالام لتحليل XRF.
Materials
| Calcium hydroxide (purity of ≥ 96%) | Sigma Aldrich UK | 31219 | Good laboratory practise should be used at all times including the use of appropriate personal protective equipment. |
| Phosphoric acid (85 %) | Sigma Aldrich UK | 345245 | Safety goggles and a faceshield should be used when handling this product (see safety data sheet from Sigma Aldrich for further information). |
| STOE IP x-ray diffractometer | Phillips | ||
| International centre for diffraction data (ICDD) PDF4+ database | International Centre for Diffraction Data | ||
| Holey carbon films on 300 mesh grids | Agar Scientific | S147-3H | |
| Tecnai G2 Spirit transmission electron microscope | FEI | ||
| Lithium tetraborate | ICPH, Malzéville, France | ||
| PW2440 XRF spectrometer | Philips | ||
| ThermoScientific Nikolett Spectrometer | Unicam Ltd | ||
References
- Pasteris, J. D., Wopenka, B., Valsami-Jones, E. Bone and tooth mineralization: why apatite?. Elements. 4 (2), 97-104 (2008).
- Carter, D. H., Hatton, P. V., Aaron, J. E. The ultrastructure of slam-frozen bone mineral. Histochem. J. 29 (10), 783-793 (1997).
- Wopenka, B., Pasteris, J. D. A mineralogical perspective on the apatite in bone. Mater. Sci. Eng. 25 (2), 131-143 (2005).
- Boskey, A. L. Mineralization of bones and teeth. Elements. 3 (6), 385-391 (2007).
- Fox, K., Tran, P. A., Nhiem, T. Recent Advances in Research Applications of Nanophase Hydroxyapatite. ChemPhysChem. 13 (10), 2495-2506 (2012).
- Neira, I. S., et al. An Effective Morphology Control of Hydroxyapatite Crystals via Hydrothermal Synthesis. Cryst. Growth. Des. 9 (1), 466-474 (2009).
- Luo, P., Nieh, T. G. Synthesis of ultrafine hydroxyapatite particles by a spray dry method. Mater. Sci. Eng. C. 3 (2), 75-78 (1995).
- Wang, F., Li, M. S., Lu, Y. P., Qi, Y. X. A simple sol-gel technique for preparing hydroxyapatite nanopowders. Mater. Lett. 59 (8-9), 916-919 (2005).
- Cai, Y., et al. Role of hydroxyapatite nanoparticle size in bone cell proliferation. J. Mater. Chem. 17 (36), 3780-3787 (2007).
- Catros, S., et al. Physico-chemical and biological properties of a nano-hydroxyapatite powder synthesized at room temperature. IRBM. 31 (4), 226-233 (2010).
- Kumar, R., Prakash, K. H., Cheang, P., Khor, K. A. Temperature driven morphological changes of chemically precipitated hydroxyapatite nanoparticles. Langmuir. 20 (13), 5196-5200 (2004).
- Liu, H., Yazici, H., Ergun, C., Webster, T. J., Bermek, H. An in vitro evaluation of the Ca/P ratio for the cytocompatibility of nano-to-micron particulate calcium phosphates for bone regeneration. Acta. Biomater. 4 (5), 1472-1479 (2008).
- Prakash, K. H., Kumar, R., Ooi, C. P., Cheang, P., Khor, K. A. Apparent solubility of hydroxyapatite in aqueous medium and its influence on the morphology of nanocrystallites with precipitation temperature. Langmuir. 22 (26), 11002-11008 (2006).
- Bianco, A., Cacciotti, I., Lombardi, M., Montanaro, L., Gusmano, G. Thermal stability and sintering behaviour of hydroxyapatite nanopowders. J. Therm. Anal. Calorim. 88 (1), 237-243 (2007).
- Brito Lopes, J. C., et al. Production method for calcium phosphate nano-particles with high purity and their use. WO2008/007992A2. , (2008).
- Gentile, P., Wilcock, C. J., Miller, C. A., Moorehead, R., Hatton, P. V. Process optimisation to control the physico-chemical characteristics of biomimetic nanoscale hydroxyapatites prepared using wet chemical precipitation. Materials. 8 (5), 2297-2310 (2015).
- Gibson, I. R., Bonfield, W. Novel synthesis and characterization of an AB-type carbonate-substituted hydroxyapatite. J. Biomed. Mater. Res. 59 (4), 697-708 (2002).
- Koutsopoulos, S. Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: a review study on the analytical methods. J. Biomed. Mater. Res. 62 (4), 600-612 (2002).
- Deng, Y., Sun, Y., Chen, X., Zhu, P., Wei, S. Biomimetic synthesis and biocompatibility evaluation of carbonated apatites template-mediated by heparin. Mater. Sci. Eng. C.-Mater. Biol. Appl. 33 (5), 2905-2913 (2013).
- Gibson, I. R., Rehman, I., Best, S. M., Bonfield, W. Characterization of the transformation from calcium-deficient apatite to beta-tricalcium phosphate. J. Mater. Sci.-Mater. M. 11 (9), 533-539 (2000).
- Siddharthan, A., Seshadri, S. K., Kumar, T. S. S. Microwave accelerated synthesis of nanosized calcium deficient hydroxyapatite. J. Mater. Sci.-Mater. M. 15 (12), 1279-1284 (2004).
- Yubao, L., Klein, C., Dewijn, J., Vandemeer, S., Degroot, K. Shape change and phase-transition of needle-like nonstoichiometric apatite crystals. J. Mater. Sci.-Mater. M. 5 (5), 263-268 (1994).
- Prieto Valdes, J. J., Ortiz Lopez, J., Rueda Morales, G., Pacheco Malagon, G., Prieto Gortcheva, V. Fibrous growth of tricalcium phosphate ceramics. J. Mater. Sci.-Mater. M. 8 (5), 297-301 (1997).
- Bouyer, E., Gitzhofer, F., Boulos, M. I. Morphological study of hydroxyapatite nanocrystal suspension. J. Mater. Sci.-Mater. M. 11 (8), 523-531 (2000).
- Wilcock, C. J. . The development of nanostructured calcium phosphate biomaterials for bone tissue regeneration PhD thesis. , (2015).
- Khalid, M., et al. Effect of surfactant and heat treatment on morphology, surface area and crystallinity in hydroxyapatite nanocrystals. Ceram. Int. 39 (1), 39-50 (2013).
- Reyes-Gasga, J., et al. XRD and FTIR crystallinity indices in sound human tooth enamel and synthetic hydroxyapatite. Mater. Sci. Eng. C.-Mater. Biol. Appl. 33 (8), 4568-4574 (2013).
- Tampieri, A., Celotti, G., Landi, E. From biomimetic apatites to biologically inspired composites. Anal. Bioanal. Chem. 381 (3), 568-576 (2005).
- Boanini, E., Gazzano, M., Bigi, A. Ionic substitutions in calcium phosphates synthesized at low temperature. Acta. Biomater. 6 (6), 1882-1894 (2010).
- Elliott, J. C. . Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. , 260 (1994).
- Wilcock, C. J., et al. Preparation and Antibacterial Properties of Silver-doped Nanoscale Hydroxyapatite Pastes for Bone Repair and Augmentation. J. Biomed. Nanotechnol. , (2017).
- Cox, S. C., Jamshidi, P., Grover, L. M., Mallick, K. K. Preparation and characterisation of nanophase Sr, Mg, and Zn substituted hydroxyapatite by aqueous precipitation. Mater. Sci. Eng. C. 35, 106-114 (2014).
