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Abstract
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生物工程

Rápido Mix Preparação de Bioinspirada Nanoscale hidroxiapatita para aplicações biomédicas

Published: February 23, 2017
doi:
10.3791/55343
, , ,
1Bioengineering and Healthcare Technologies, School of Clinical Dentistry,University of Sheffield

Summary

Este artigo descreve um novo método para a rápida produção de alta qualidade hidroxiapatita nanoescala bioinspirado. Este biomaterial é de grande importância na fabricação de uma ampla variedade de dispositivos médicos inovadores para aplicações clínicas em ortopedia, cirurgia craniofacial e dentária.

Abstract

A hidroxiapatite (HA) tem sido amplamente utilizado como uma cerâmica médica devido à sua boa biocompatibilidade e osteocondutividade. Recentemente, tem havido interesse em relação ao uso da hidroxiapatita nanoescala bioinspirado (NHA). No entanto, apatite biológica é conhecido por ser deficiente em cálcio e com uma morfologia semelhante a plaquetas nanoescala substituído carbonato-. Bioinspirado nHA tem o potencial de estimular óptima regeneração do tecido ósseo devido à sua semelhança com ossos e dentes esmalte mineral. Muitos dos métodos actualmente utilizados para fabricar nHA tanto no laboratório e comercialmente, envolver processos morosos e equipamento complexo. Portanto, o objetivo deste estudo foi desenvolver um método rápido e confiável para preparar alta qualidade bioinspirado nHA. O método de mistura rápida desenvolvido baseou-se uma reacção ácido-base que envolve o hidróxido de cálcio e ácido fosfórico. Resumidamente, uma solução de ácido fosfórico foi vertida para uma solução de hidróxido de cálcio, seguido por agitação e lavagemfases de secagem. Uma parte do lote foi sinterizado a 1000 ° C durante 2 h, a fim de investigar a estabilidade elevada temperatura dos produtos. análise de difracção de raios X mostrou a formação bem sucedida de HA, que mostrou decomposição térmica de p-fosfato tricálcico após o processamento a alta temperatura, o que é típico para HA deficiente em cálcio. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier revelou a presença de grupos carbonato no produto precipitado. As partículas NHA tinha uma baixa relação de aspecto, com as dimensões aproximadas de 50 x 30 nm, próximas das dimensões da apatite biológica. O material também foi deficiente de cálcio com uma relação Ca: P de 1,63 molar, que como apatite biológica é mais baixa do que a razão estequiométrica de HA 1,67. Este novo método é assim um processo seguro e mais conveniente para o fabrico de nHA bioinspirado, superando a necessidade de titulações longas e equipamento complexo. O produto de HA bioinspirado resultante é adequado para utilização numa vasta variedade deaplicações médicas e de consumo de saúde.

Introduction

Há uma grande necessidade clínica de biomateriais avançados com funcionalidade melhorada, a fim de melhorar a qualidade de vida dos pacientes e para reduzir a carga de cuidados de saúde de uma população global de envelhecimento. A hidroxiapatite tem sido amplamente usados ​​em aplicações médicas, durante muitos anos devido à sua boa biocompatibilidade. Recentemente, tem havido um interesse crescente no uso de hidroxiapatita em nanoescala (NHA), particularmente para a regeneração do tecido mineralizado em medicina e odontologia. O mineral encontrado no esmalte dos dentes e do osso é substituído multi-deficiente em cálcio, hidroxiapatite nanoescala. As estimativas para o tamanho de plaquetas Nha biológicos relatam dimensões de 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, com estruturas ainda menores descritos no osso imaturo 2. Em contraste, o mineral no esmalte dos dentes é de 10 a 100 vezes maior do que a encontrada no tecido ósseo, tanto em comprimento e largura de 3, 4. nHA sintética pode ser melhor denominadas bioinspirado em vez de biomimética, como estamos buscando traduzir observações sobre as características dos materiais naturais em tecnologias médicas com melhor desempenho. Tem sido sugerido que bioinspirado nHA pode ser mais favorável em aplicações ósseas e dente de regeneração de tecidos, devido à sua semelhança com o que ocorre naturalmente mineral 5.

Existem vários métodos que têm sido notificados para preparar nHA incluindo hidrotermal 6, spray-dry 7 e sol-gel 8 técnicas. Destes, o método de precipitação molhado é considerado um método relativamente conveniente para a produção de nHA. A ASN métodos de precipitação molhada publicadas geralmente incluem um passo de titulação quando a mistura de cálcio e fósforo precursores químicos 9, 10, 11,Ref "> 12, 13, 14. No entanto, estas abordagens estão associados com uma série de desvantagens, incluindo processos morosos e complexos combinados em alguns casos, com a necessidade de equipamento caro. A produção comercial pode ser ainda mais complexas, com patentes descrevendo reactores sofisticados para fabrico de grau médico de alta qualidade nHA 15. Apesar disso, a reacção de neutralização entre o hidróxido de cálcio e o ácido fosfórico é vantajoso, devido à falta de químicos nocivos subprodutos.

A relação entre as condições de processamento e a morfologia do produto nHA foi reportado para reacções de titulação lenta. Especificamente, para os métodos de titulação envolvendo hidróxido de cálcio e ácido fosfórico, apareceu uma temperatura elevada para favorecer a preparação de partículas com uma baixa relação de aspecto 13. Este trabalho foi estendido consideravelmente por Genazulejo et ai. 16 demonstrou que a relação entre a temperatura e outras condições de processamento sobre a qualidade dos produtos NHA a partir de uma grande variedade de métodos. Ele conclui que o método de precipitação química húmida de 13 Prakash feita produtos de alta qualidade, mas deve notar-se que os resultados eram dependentes de processos tecnicamente difíceis e lentos / mistura. O passo inicial de titulação Prakash leva mais de uma hora. No entanto, os tempos de titulação mais longos podem ser necessários para os lotes maiores de ser preparado.

Para resumir, enquanto a influência de vários factores incluindo a temperatura agora têm sido estudadas extensivamente, quase nenhuma atenção tem sido dirigida para reduzir a complexidade e o tempo necessário para realizar os métodos de titulação à base associada. O objectivo deste estudo era, por conseguinte, para investigar os efeitos da aplicação de uma abordagem de mistura rápida para o fabrico de um nHA bioinspirado, e totalmente caracterize os materiais resultantes. Se bem sucedida, uma abordagem de mistura rápida simplificado teria grandes benefícios para os pesquisadores do laboratório e da indústria onde os custos de produção poderiam ser substancialmente reduzidos sem comprometer a qualidade.

Protocol

Figura 1. Diagrama esquemático da preparação de mistura rápida da hidroxiapatita nanoescala bioinspirado. A solução de ácido fosfórico foi vertida na suspensão de hidróxido de cálcio. Após a suspensão assente durante a noite, a ASN foi lavada com água desionizada antes de serem secos a 60 a 80 ° C. A ASN foi, em seguida, moído num almofariz de ágata e pilão e sinterizado para investigar a estabilidade térmica do produto nHA. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 1. Rápido Mix Produção de Nanoscale hidroxiapatita Preparação de soluções de cálcio e de fósforo para preparar a 5 g de hidroxiapatite em nanoescala usando uma cálcio e o fósforo razão molar de 1,67. Adicionar 3,705 g de hidróxido de cálcio para500 mL de água desionizada e agita-se em uma placa de agitação magnética durante 1 hora a 400 rpm. Numa proveta separada, dissolver 3,459 g de ácido fosfórico (85%) em 250 mL de água desionizada. Verter a solução de fósforo no seio da suspensão de hidróxido de cálcio com agitação a uma taxa de aproximadamente 100 ml / s. Cubra copo com Parafilm (Bemis, EUA). Deixar a suspensão a agitar durante 1 h a 400 rpm. Leve o copo fora do prato agitador e deixa-se repousar durante a noite. Lava-se a suspensão através de decantar o sobrenadante e adicionar 500 mL de água de s ionizada e agitação durante 1 min a 400 rpm. Repita este passo três vezes no total, com 2 h entre cada lavagem. Deixar suspensão nHA para resolver durante a noite. Decantar o sobrenadante límpido e colocar a suspensão nHA assente numa estufa regulada para 60 a 80 ° C. Quando seca, coloque o nHA seca em um almofariz de ágata e pilão e moer até multa. Colocar 2,5 g de propó nHA duzido num cadinho e de sinterização do pó de alumina a 1000 ° C durante 2 h, usando uma velocidade de rampa de 10 ° C / min. Após o tratamento térmico, a ASN deixar arrefecer no forno. pós armazenar num exsicador de vácuo. 2. Caracterização do Nanoscale hidroxiapatita Difracção de raios-X (DRX), utilizando o modo de transmissão difractómetros Colocar uma pequena quantidade (isto é, menos do que 200 mL) de poli (álcool vinílico) (PVA) na película de cola de etilo e misturar-se com uma pequena quantidade (isto é, inferior a 100 mg) de nHA pó. Tratar com uma pistola de ar quente até secar. Montar a amostra num suporte de amostras e de carga para um dif ractómetro de raios-X de modo de transmissão com radiação Cu K α. Use as configurações de difratometria de 40 kV e 35 mA, com uma gama 2θ de 10-70 °. Analisar os padrões de DRX resultantes. Use os seguintes cartões de DRX para identificação de fase: Hidroxiapatita: 9-432. beta-tricálcio fosfato: 04-014-2292. Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) Colocar uma pequena quantidade de pó (isto é, menos do que 10 mg) num bijou e adicionar cerca de 3 mL de etanol. amostra ultra-sonicado durante 15 – 30 minutos até obter uma suspensão homogénea é observada. Pipetar uma pequena quantidade de solução (isto é, menos do que 1 ml) sobre uma grelha de cobre de malha 400 com filme de carbono, e deixa-se secar. amostras de imagem em uma voltagem de aceleração de 80 kV. Fluorescência de raios-X (FRX) Serviço de Materiais e Instituto de Pesquisa de Engenharia (MERI) na Universidade Sheffield Hallam Combine 0,8 g nHA pó com 8 g de tetraborato de lítio. Derreter mistura num cadinho de liga de platina-ouro utilizando um forno ajustado para 1200 ° C. Analisar as amostras resultantes em um espectrómetro de FRX para determinar a composição elementaras amostras. Transformada de Fourier espectroscopia de infravermelho no modo de reflectância total atenuada (FTIR-ATR) Execute 64 buscas em segundo plano a partir de 4000 – 500 cm-1 com uma resolução de 4 cm -1. Colocar uma pequena quantidade (isto é, inferior a 100 mg) de nHA pó na parte superior do diamante no adaptador de modo de reflectância total atenuada e comprimir sobre a superfície do diamante utilizando a tampa de rosca. Execute 32 varreduras de 4000 – 500 cm -1 com uma resolução de 4 cm -1 com as procuras em segundo plano subtraídos dos exames de amostra.

Representative Results

Padrs de XRD (Figura 2) mostrou a precipitação de uma fase de HA puro com picos largos, indicando um relativamente pequeno tamanho de cristalito e / ou a natureza amorfa. Após sinterização a alta temperatura, foi detectado fosfato β-tricálcico (β-TCP), ao lado de uma fase principal de HA. A nitidez dos picos de difracção, ou seja, uma redução no total meia largura máxima, indicou um aumento na dimensão dos cristalitos após a sinterização. Figura 2. Análise de fase de cristal de produtos. difracção de raios-X (DRX) do pó não sinterizado padrões de hidroxiapatite nanoescala (NHA) e nHA pó sinterizados a 1000 ° C durante 2 h. etiquetas de pico: ▼ picos de hidroxiapatita, ■ picos de fosfato β-tricálcio.ge.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. FTIR-ATR espectros (Figura 3) confirmou a formação de uma fase de HA por o fosfato de característica e bandas de hidroxilo 17, 18. Em detalhe as bandas foram distribuídos da seguinte forma: 3.750 cm-1 (OH – esticar ν OH); 1.086 e 1.022 cm-1 (PO 4 3- v 3); 962 cm-1 (PO 4 3-) vmax 1; 630 cm -1 (OH – libration δ OH); 600 e 570 cm-1 (PO 4 3- ν 4). Na amostra não sinterizado os picos adicionais foram distribuídos da seguinte forma: pico largo centrado em torno de 3.400 cm-1 (moléculas de água absorvida); 1.455 e 1.410 cm-1 (CO 3 2- v 3); 880 cm <sup> -1 (CO 3 2- ν 2). Os grupos de água e carbonato absorvidos observadas no pó não sinterizado foram removidas durante a fase de sinterização a alta temperatura. O processo de sinterização também aguçou as bandas hidroxila e fosfato que se manifestou por um pico superior à calha distância. Figura 3. Os espectros de infravermelhos dos produtos. Transformada de Fourier de infravermelhos em espectros de reflectância total atenuada modo (FTIR-ATR) de pó não sinterizado nanoescala hidroxiapatite (NHA) e nHA pó sinterizados a 1000 ° C durante 2 h. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Imagens de TEM (Figura 4) mostrou a formação de partículas em escala nano with dimensões aproximadas de 50 nm por 30 nm. As partículas tinham uma relação de aspecto baixa (comprimento de partículas / largura das partículas) de cerca de 1,7. O tamanho e forma dos produtos em nano-escala eram de dimensões semelhantes a apatite biológica 1. Figura 4. morfologia Nanoscale do produto. microfotografias electrónicas de transmissão (TEM) de nanoescala hidroxiapatite (NHA) preparado utilizando o método de mistura rápida em duas ampliações. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. A análise química quantitativa do pó nHA por FRX (tabela 1) permitiu a razão cálcio: fósforo para ser calculada como 1,63, o que é ligeiramente inferior à estequiométrica de HA which tem uma razão cálcio: fósforo de 1,67. FRX também mostrou a elevada pureza do produto nHA com apenas quantidades vestigiais de outros elementos gravados. Composto peso% CaO 51.52 P 2 O 5 39.89 MgO 0,46 Na2O 0,13 Y 2 O 3 0,07 Al 2 O 3 0,03 SiO2 0,03 Mn 3 O 4 0,03 SrO 0,02 TiO2 0,01 <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> Tabela 1. análise química quantitativa de produto. fluorescência de raios X (XRF) os resultados para o pó não sinterizado nHA apresentaram> 99% de pureza, em peso.

Discussion

Apatita natural é composto por partículas em nano-escala de hidroxiapatite carbonatada não-estequiométrica com a fórmula química aproximada de 10 Ca-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. A produção de biomateriais com grande semelhança química para naturalmente mineral que ocorre foi reportado para promover respostas biológicas óptimas. Por exemplo, a investigação sobre biomimética deficiente em cálcio carbonatado nHA tem mostrado que é capaz de estimular a proliferação e a actividade da fosfatase alcalina de células preosteoblast murinos a um grau maior do que as convencionais nHA 19.

Neste estudo, a precipitação de HA que mostrou decomposição térmica parcial a 1000 ° C (Figura 2) sugere a formação de um HA deficiente em cálcio. Isto foi suportado pela menor do que estequiométrica Ca: P (1,63) obtido com os dados FRX (tcapaz 1). Entende-se que uma redução de Ca: P está associada com uma estabilidade térmica mais baixa 20, 21, 22, 23. Neste método, a rápida adição da solução de ácido fosfórico rapidamente reduzido o pH da suspensão da reacção para gerar iões HPO 4. A presença de HPO 4 grupos facilitou a precipitação de cálcio deficiente HA, com a fórmula molecular: Ca10-x (HPO4) x (PO4) 6-x (OH) 2-x, em que 0 <x <1.

A adição rápida do ácido fosfórico, por conseguinte, teve um efeito marcado sobre a cinética de precipitação da reacção. Como descrito anteriormente, envolvendo reacções de titulação de hidróxido de cálcio e ácido fosfórico levada a cabo a temperatura ambiente tendem a produzir partículas com uma elevada relação de aspecto 13. para titratioN reacções envolvendo estes reagentes, foi necessário usar uma temperatura elevada para produzir partículas com uma razão de aspecto inferior, que são mais semelhantes a apatite biológica 13. Partículas com uma elevada relação de aspecto são produzidos quando a taxa de nucleação de cristal é mais lento do que a taxa de crescimento de cristais 24. Para o novo método desenvolvido neste estudo, a rápida adição da solução de ácido fosfórico pode ter proporcionado um maior número de locais de nucleação, que resultou no aumento da presença de partículas arredondadas pequenos em oposição a poucas partículas com uma relação de aspecto maior. Como os autores não têm investigado completamente os efeitos de verter lentamente o ácido fosfórico para a suspensão de hidróxido de cálcio, a fim de alcançar resultados consistentes recomenda-se que o ácido fosfórico é vertida a uma taxa proporcional ao indicado no vídeo (aproximadamente 100 ml / s).

Durante o desenvolvimento deste método, os autores investigated um número de alterações incrementais para o método de preparação nHA baseado em Prakash et ai. 13, incluindo a comparação de produtos fabricados com a titulação lenta e rápida a adição da solução de ácido fosfórico a 25. Verificou-se que a titulação lenta de ácido fosfórico para a suspensão de hidróxido de cálcio resultou em um produto com um resíduo de hidróxido de cálcio. Propomos que a alteração do pH causada pela rápida adição de ácido fosfórico encorajados a dissolução do hidróxido de cálcio e, por conseguinte, permitido para a conversão bem sucedida dos reagentes em hidroxiapatita. Uma comparação dos produtos preparados utilizando o método de mistura rápida no ambiente e temperaturas elevadas (60 ° C) verificou que uma temperatura elevada resultou numa maior condutividade após a reacção ter sido completada. Isto sugeriu que o hidróxido de cálcio residual estava presente o que foi provavelmente devido à baixa solubilidade do hidróxido de cálcio emaumento da temperatura. A presença de hidróxido de cálcio residual era indesejável como a natureza básica deste composto poderia comprometer a biocompatibilidade.

FTIR detectou a atividade de grupo hidroxila e fosfato, característica associada com HA (Figura 3). Notou-se que o espectro para o produto sinterizado mostrou picos mais nítidas fosfato e hidroxilo. Essas mudanças têm sido associados a uma maior cristalinidade do produto 26, 27 .O espectro não sinterizado fornecido evidências para a substituição de carbonato de tipo B, onde iões de carbonato foram substituídos por grupos de fosfato. Isto está em contraste com uma substituição de tipo onde iões de carbonato podem ser substituídas por grupos hidroxilo 17. Tem sido relatado que a substituição de tipo B carbonato de apatite biológica ocorre em três. No entanto, Tampieri et ai. relataram que, embora do tipo B substituição foi predominant nos ossos jovens, do tipo A substituição de carbonato estava cada vez mais presentes em ossos de indivíduos mais velhos 28. a substituição de carbonato foi encontrado para diminuir a cristalinidade e estabilidade térmica do nHA aumentando simultaneamente a sua solubilidade. Estas alterações têm sido propostos para contribuir para o aumento da bioactividade de carbonato-substituído HA 29. HA biológica também é conhecido por conter algum dos outros elementos gravados na análise de XRF (Tabela 1), tais como o magnésio, de sódio e de estrôncio 30. A presença destes elementos pode também contribuir para o aumento da eficácia biológica. O trabalho futuro deve ser dirigido para a preparação destes apatitas nanoescala substituído, e também produtos com maior biofuncionalidade como dopado com prata nHA 31. A fim de preparar nHA substituído, o elemento pode ser introduzido com uma redução correspondente do elemento destinado a Substitute para, por exemplo, uma redução na quantidade do composto de cálcio quando estrôncio, magnésio ou zinco substituição é tentada 32. Em alternativa, uma outra abordagem pode ser adicionar elementos com a intenção de proporcionar iões dopados '', que estão presentes na superfície da nHA sem, necessariamente, com a intenção de substituir o elemento de na rede cristalina HA 31. Por estas modificações para o método, é possível preparar soluções mistas, tais como hidróxido de cálcio e nitrato de prata, e para levar a cabo a reacção do mesmo modo tal como descrito aqui.

Em conclusão, este trabalho apresenta um método rápido e substancialmente melhorado novo para a preparação de nHA bioinspirado. Por este método, a mistura rápida dos produtos químicos leva menos que 5 segundos, o que é uma diminuição acentuada no tempo em comparação com titulações de reacções que requerem tipicamente hora de monitorização cuidadosa. Ele tem um grande potencial para uso em biomatdesenvolvimento erial devido à sua relativa simplicidade e baixo custo em comparação com os métodos de fabrico actualmente utilizadas industriais Nha onde a complexidade inerente aos atuais resultados sistemas comerciais em tempos de pesquisa e desenvolvimento longos, e aumentou substancialmente os custos de fabricação. Em particular, este novo método é superior aos processos de fluxo contínuo ou técnicas hidrotermais devido à significativamente mais baixos requisitos de investimento em equipamentos start-up.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa de estudo CASE EPSRC em colaboração com Ceramisys Ltd. e também está associada com MEDE Inovação, o Centro de EPSRC para o fabrico inovadores em dispositivos médicos [número de concessão EP / K029592 / 1]. Os autores também gostaria de agradecer a Robert Burton na Universidade Sheffield Hallam para análise 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
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Wilcock, C. J., Gentile, P., Hatton, P. V., Miller, C. A. Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (120), e55343, doi:10.3791/55343 (2017).
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