הכנה מהירה מיקס של Bioinspired ננומטריים Hydroxyapatite עבור יישומים ביו-רפואיים
Summary
מאמר זה מתאר שיטה חדשה לייצור המהיר של hydroxyapatite ננו bioinspired באיכות גבוהה. ביולוגי זה הוא בעל חשיבות רבה בייצור של מגוון רחב של מכשירים רפואיים חדשניים ליישומים קליניים באורתופדיה, ניתוח craniofacial ורפואת שיניים.
Abstract
Hydroxyapatite (HA) כבר בשימוש נרחב כמו קרמיקה רפואית בשל biocompatibility ו osteoconductivity הטוב שלה. לאחרונה חלה התעניינות בנוגע לשימוש hydroxyapatite ננו bioinspired (Nha). עם זאת, אפטיט ביולוגי ידוע להיות סידן מחסר קרבונט-להחליף עם מורפולוגיה טסיות דמוית ננומטריים. יש Bioinspired Nha פוטנציאל לעורר התחדשות רקמת העצם אופטימלית בשל הדמיון שלה מינרלים אמייל השן העצם. רבות מהשיטות שבהן משתמשים כיום לפברק נה הן במעבדה והן מבחינה מסחרית, לערב תהליכים ממושכים וציוד מורכב. לכן, מטרת המחקר הנוכחי הייתה לפתח שיטה מהירה ואמינה להכין באיכות גבוהה bioinspired נה. שיטת הערבוב המהירה פתחה התבססה על תגובת חומצה-בסיס המעורב הידרוקסיד סידן וחומצה זרחתית. בקצרה, פתרון חומצה זרחתית נמזג פתרון הידרוקסיד סידן ואחריו ערבוב, כביסהבשלבי ייבוש. חלק האצווה sintered ב 1000 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות על מנת לחקור את יציבות הטמפרטורה הגבוהה של המוצרים. רנטגן ניתוח עקיף הראה ההיווצרות המוצלחת של HA, שהראתה פירוק תרמי כדי בטא מזוני פוספט לאחר עיבוד בטמפרטורה גבוהה, אשר אופייני עבור HA סידן המחסר. ספקטרוסקופיית פורה הראתה הנוכחות של קבוצות קרבונט במוצר זרז. חלקיקי נה היה יחס ממדים נמוך עם ממדים של כ 50 x 30 ננומטר, קרובים ממדי אפטיט ביולוגי. החומר היה גם סידן לקוי עם Ca: יחס טוחנת P של 1.63, אשר כמו אפטיט הביולוגי נמוכה משיעור HA stoichiometric של 1.67. שיטה חדשה זו היא אפוא תהליך אמין והרבה יותר נוח לייצור bioinspired נה, וכך להתגבר על הצורך titrations ממושך וציוד מורכב. מוצר bioinspired HA וכתוצאה מכך הוא מתאים לשימוש במגוון רחב שליישומי רפואה ובריאות צרכן.
Introduction
יש צורך רפואי נהדר עבור biomaterials מתקדמים עם פונקציונליות משופרת על מנת לשפר את איכות החיים של חולים כדי להפחית את נטל הבריאות של האוכלוסייה המזדקנת העולמי. Hydroxyapatite כבר בשימוש נרחב ביישומים רפואיים במשך שנים רבות בשל biocompatibility הטוב שלה. לאחרונה, חלה התעניינות מוגברת השימוש hydroxyapatite ננומטריים (Nha), במיוחד לשחזור רקמות mineralized ברפואה ורפואת שיניים. המינרל נמצא אמייל השן העצם הוא סידן מחסר, רב להחליף, hydroxyapatite ננומטריים. אומדנים עבור הגודל של טסיות Nha הביולוגית לדווח ממדים של 50 ננומטר x 30 ננומטר x 2 ננומטר 1, עם מבנים קטנים יותר אפילו מתוארים עצם 2 בשלה. וחשוף, המינרל ב אמייל השן הוא 10 עד 100 פעמים גדול יותר מזה שנמצא רקמת העצם בשני אורך ורוחב 3, 4. נה הסינטתית כמו שאפשר לקרוא לזה טוב bioinspired ולא biomimetic, כפי שאנו מבקשים לתרגם תצפיות לגבי התכונות של חומרים טבעיים לתוך טכנולוגיות רפואיות עם ביצועים משופרים. הועלה שערה כי bioinspired נה עשויה להיות חיובית יותר ביישומי התחדשות רקמת עצם ושן בשל הדמיון שלה טבעית מינרלים 5.
ישנן שיטות שונות אשר דווחו להכין Nha כולל הידרותרמיות 6, תרסיס יבש 7 ו סול ג '8 טכניקות. מבין אלה, שיטת המשקעים הרטובה נחשבת שיטה נוחה יחסית לייצור נה. השיטות ממטר רטוב שפורסמו נה בדרך כלל כוללות צעד טיטרציה כאשר ערבוב סידן ומבשרים כימיים זרחן 9, 10, 11,נ"צ "> 12, 13, 14. עם זאת, גישות אלה קשורות עם מספר החסרונות כולל תהליכים ארוכים ומורכבים בשילוב ובמקרים מסוימים עם הצורך בציוד יקר. הפקה מסחרית עשויה להיות מורכב אף יותר, עם פטנטים מתארים כורים משוכללים ייצור של כיתה רפואית באיכות גבוהה נה 15. למרות זאת, תגובת הנטרול בין הידרוקסיד סידן וחומצה זרחתית יש יתרון בשל החוסר כימי רעיל תוצרי לוואי.
הקשר בין תנאי עיבוד ואת המורפולוגיה של מוצר Nha דווח לתגובות טיטרציה איטיות. באופן ספציפי, עבור שיטות טיטרציה מעורבות הידרוקסיד סידן וחומצה זרחתית, טמפרטורה גבוהה הופיעה להעדיף להכנת חלקיקים עם יחס רוחב-גובה נמוך 13. עבודה זו הוארכה משמעותית על ידי Genאריח et al. 16 שהפגינו את הקשר בין הטמפרטורה ותנאי עיבוד אחרים על איכות מוצרים נה מתוך מגוון רחב של שיטות. הוא הגיע למסקנה כי שיטת המשקעים כימיים הרטובה של Prakash 13 גרמה מוצרים באיכות הגבוהות ביותר, אך יש לציין כי התוצאות היו תלויות מאתגרים איטיים טכניים / תהליכי ערבוב. צעד טיטרציה Prakash המקורי לוקח יותר משעה. עם זאת, פעמים טיטרציה עוד עשויות להידרש קבוצות גדולות יותר כדי להיות מוכנים.
לסיכום, ואילו השפעתו של מספר גורמים, כוללים טמפרטורה עכשיו נחקרה רבה, כמעט לא שם לב כבר שמיועדת להפחית את המורכבות קשורות הזמן הדרוש כדי לבצע בשיטות מבוססות טיטרציה. מטרת המחקר הנוכחי הייתה אפוא כדי לחקור את ההשפעות של יישום גישת תערובת מהירה בייצור של Nha bioinspired, וכדי מלא characteriZE החומרים וכתוצאה מכך. אם יצליח, גישת שילוב מהירה פשוט תצטרך יתרונות גדולים לחוקרי מעבדה ותעשייה כאחד בם עלויות ייצור יכולות להיות מופחתות באופן משמעותי ללא המהווים איכות.
Protocol
Representative Results
Discussion
אפטיט טבעי מורכב מחלקיקים ננומטריים של hydroxyapatite מוגזים שאינם stoichiometric עם הנוסחה הכימית המשוער של Ca 10 XY [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. הפקת חומרים ביולוגיות עם דמיון כימי קרוב מינרל טבעי דווחה לקדם תגובות ביולוגיות אופטימליות. לדוגמא, מחקר על נה מוגזים סידן המחסר biomimetic הוכיח שהוא מסוגל לעורר התפשטות פעילות phosphatase אלקליין של תאי preosteoblast murine במידה רבה יותר הקונבנציונלית נה 19.
במחקר זה, משקעים של HA שהראה פירוק תרמי חלקית ב 1000 ° C (איור 2) הציע היווצרות של HA סידן מחסר. זו נתמכה על ידי נמוך מ Ca stoichiometric: יחס P (1.63) שהושג עם נתוני XRF (Tמסוגל 1). מובן כי מופחת Ca: יחס P קשור יציבות תרמית נמוכה 20, 21, 22, 23. בשיטה זו, התוספת המהירה של פתרון החומצה זרחתית במהירות הורידה את ה- pH של השעית התגובה לייצר HPO 4 יונים. הנוכחות של HPO 4 קבוצות הקל משקעים של סידן לקוי HA, עם נוסחה מולקולרית: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, כאשר 0 <x <1.
תוספת מהירה של חומצה זרחתית ולכן היתה השפעה ניכרת על קינטיקה ממטרים של התגובה. כפי שתואר קודם לכן, תגובות טיטרציה מעורבות הידרוקסיד סידן וחומצה זרחתית בצע בטמפרטורת חדר נטו להניב חלקיקים עם היבט יחס גבוה 13. לקבלת titration התגובות המעורבות המגיב אלה, היו צורך להשתמש טמפרטורה גבוהה לייצר חלקיקים עם יחס רוחב-גובה נמוך אשר דומים יותר אפטיט ביולוגי 13. חלקיקי יחס ממדים גבוהים מיוצרים כאשר שיעור נוקלאציה קריסטל הוא איטי מקצב הגידול קריסטל 24. לקבלת השיטה החדשה שפותחה במחקר זה, התוספת המהירה של פתרון החומצה זרחתית עשויה ספקה מספר גדול יותר של אתרי התגרענות אשר הביאו הנוכחות המוגברת של חלקיקים מעוגלים קטנים לעומת פחות חלקיקים עם יחס רוחב-גובה גדול יותר. ככל מחברי לא מלא חקרו את ההשפעות של לאט לשפוך חומצה זרחתית לתוך ההשעיה הידרוקסיד סידן, על מנת להשיג תוצאות עקביות אנו ממליצים מהחומצה הזרחתית הוא שפך בקצב בקנה אחד עם זה המוצג בסרטון (כ 100 מ"ל / ים).
במהלך הפיתוח של שיטה זו, המחברים investigated מספר שינויים הדרגתיים שיטת ההכנה Nha מבוסס על Prakash et al. 13 כולל השוואה של המוצרים המיוצרים עם טיטרציה איטית תוספת מהירה של הפתרון חומצה זרחתית 25. נמצא כי טיטרציה האיטית של חומצה זרחתית לתוך השעית הידרוקסיד סידן הביאה מוצר עם שאריות סידן הידרוקסיד. אנו מציעים כי שינוי pH נגרם על ידי התוספת המהירה של חומצה זרחתית עודד את פירוקה של הידרוקסיד סידן ולכן מותר עבור ההמרה המוצלחת של המגיבים לתוך hydroxyapatite. השוואת מוצרים מוכנה בשיטת הערבוב המהירה על חדר בטמפרטורות גבוהות (60 מעלות צלזיוס) נמצאה כי טמפרטורה גבוהה הביאה מוליכות גבוהות יותר לאחר התגובה הושלמה. זה הציע הידרוקסיד סידן שיורית נכח אשר עשוי להיות בשל מסיסות נמוכה של סידן הידרוקסיד בהטמפרטורות עלו. הנוכחות של סידן הידרוקסיד שיורית רצויה כמו הטבע הבסיסי של המתחם הזה עלול לסכן את biocompatibility.
FTIR זיהה את פעילות קבוצת פוספט הידרוקסיל מאפיין הקשורים HA (איור 3). צוין כי הספקטרום עבור המוצר sintered הראה פוספט חדות ופסגות הידרוקסיל. שינויים אלו קושרו עם crystallinity מוצר גדול 26, 27 ספקטרום unsintered .the סיפק ראיות להחלפת קרבונט B- סוג שבו יונים קרבונט הייתה תחליף קבוצות פוספט. זאת בניגוד ל החלפה של סוג א שבו יוני קרבונט יכולים להוות תחליף קבוצות הידרוקסיל 17. זה כבר דווח כי החלפת קרבונט B- הסוג מתרחשת אפטיט ביולוגי 3. עם זאת, Tampieri et al. דיווח כי B- סוג החלפה תוך הייתה predominנמלה בעצמות צעירות, החלפה של סוג א קרבונט נכחה ויותר בעצמות של אנשים מבוגרים 28. החלפת קרבונט נמצאה להקטין את יציבות crystallinity והתרמית של נה תוך הגדלת מסיסותו. שינויים אלו הוצעו כדי לתרום את הפעילות הביולוגית המוגברת קרבונט-להחליף HA 29. גם ביולוגית HA ידוע מכילים כמה אלמנטים אחרים שנרשמו ניתוח XRF (טבלה 1), כגון מגנזיום, נתרן סטרונציום 30. הנוכחות של אלמנטים אלה עשויות גם לתרום גדלו יעילות ביולוגית. עבודה עתידית צריכה להיות מופנה הכנת apatites להחליף אלה ננומטריים, וכן מוצרים עם biofunctionality המוגברת כגון נה כסף מסומם 31. על מנת להכין תחליף נה, האלמנט יכול להיות מוצג עם ירידה מקבילה של אלמנט נועד substitutדואר עבור, למשל הפחתה בסך של מתחם סידן כאשר סטרונציום, מגנזיום או החלפת אבץ הוא ניסה 32. לחלופין, גישה אחרת עשויה להיות להוסיף אלמנטים מתוך הכוונה לספק "מסוממים" יונים אשר נמצאים על פני השטח של Nha בלי להתכוון בהכרח להחליף את הרכיב לתוך הסריג הגבישי HA 31. עבור שינויים אלה לשיטה אפשר להכין פתרונות מעורבים כמו הידרוקסיד סידן חנק כסף, וכדי לבצע את התגובה באותו אופן כפי שתואר כאן.
לסיכום, במאמר זה מדווח על שיטה מהירה ומשופרת רומן משמעותית לעריכת bioinspired נה. בשיטה זו, הערבוב המהיר של הכימיקלים לוקח פחות מ -5 שניות המהווה ירידה ניכרת בזמן לעומת titrations תגובות בדרך כלל מחייב שעות של מעקב צמוד. יש לו פוטנציאל גדול לשימוש biomatפיתוח erial בשל פשטותו היחסית ועלות הנמוכה בהשוואה לשיטות ייצור Nha המשמשים כיום תעשייתיות שבו המורכבות הטבועה של תוצאות מערכות מסחריות נוכחיות פעמי מחקר ופיתוח ממושכות, וגדילה משמעותית את עלויות ייצור. בפרט, זו השיטה החדשה עדיפה על תהליכי זרימה רציפים או טכניקות הידרותרמיות עקב דרישות השקעה בציוד הזנק נמוכות משמעותית.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מלגת לימודי CASE EPSRC בשיתוף עם Ceramisys בע"מ וגם קשורה חדשנות Mede, מרכז EPSRC עבור ייצור חדשני בתחום המכשור רפואי [מספר מענק EP / K029592 / 1]. המחברים גם רוצה להודות רוברט ברטון ב שפילד האלאם האוניברסיטה לניתוח 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).
