JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Deutsch

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Rapid-Mix Herstellung von Bioinspirierte Nanoskalige Hydroxyapatit für biomedizinische Anwendungen

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

Summary

Dieser Beitrag beschreibt ein neues Verfahren zur schnellen Herstellung von hochwertigen Bioinspirierte nanoskaligen Hydroxyapatit. Dieses Biomaterial ist von großer Bedeutung bei der Herstellung einer breiten Palette von innovativen medizinischen Geräten für die klinische Anwendung in der Orthopädie, Chirurgie und Zahnmedizin craniofacial.

Abstract

Hydroxyapatit (HA) wurde als medizinisches Keramik wegen seiner guten Bioverträglichkeit und Osteokonduktivität weit verbreitet. In letzter Zeit hat das Interesse gewesen in Bezug auf die Verwendung von biologisch inspirierte nanoskaligen Hydroxyapatit (NHA). Jedoch ist die biologische Apatit bekannt mit einem nanoskaligen plättchenförmige Morphologie Calcium-defizienten und Carbonat-substituierte sein. Bioinspirierte NHA hat das Potenzial, die Regeneration optimale Knochengewebe aufgrund seiner Ähnlichkeit mit Knochen und Zahnschmelz Mineral zu stimulieren. Viele der derzeit verwendeten Methoden NHA zur Herstellung sowohl im Labor als auch im Handel, beinhalten langwierige Prozesse und komplexe Anlagen. Daher war das Ziel dieser Studie eine schnelle und zuverlässige Methode zu entwickeln qualitativ hochwertige bioinspirierter NHA vorzubereiten. Die rasche Mischverfahren entwickelt wurde, beruht auf einer Säure-Base-Reaktion mit Calciumhydroxid und Phosphorsäure. Kurz gesagt, wurde eine Phosphorsäurelösung in eine Calciumhydroxid-Lösung durch Rühren, anschließendes Waschen gegossen undTrocknungsstufen. Ein Teil des Ansatzes wurde bei 1000 ° C gesintert 2 h, um die Produkte der hohen Temperaturstabilität zu untersuchen. Röntgenbeugungsanalyse zeigte die erfolgreiche Bildung von HA, die thermische Zersetzung zeigte ß-Tricalciumphosphat nach der Hochtemperaturverarbeitung, die für die Calcium-defizienten HA typisch ist. Fourier-Infrarotspektroskopie zeigte die Anwesenheit von Carbonat-Gruppen in dem ausgefällten Produkt umwandeln. Die NHA Teilchen hatten einen niedrigen Aspektverhältnis mit ungefähren Abmessungen von 50 x 30 nm, in der Nähe zu den Dimensionen der biologischen Apatit. Das Material wurde auch Calciummangel mit einem Ca: P-Molverhältnis von 1,63, das wie biologischen Apatit ist niedriger als das stöchiometrische HA-Verhältnis von 1,67. Dieses neue Verfahren ist daher ein zuverlässiger und viel bequemer Verfahren zur Herstellung von bioinspirierter NHA, wodurch die Notwendigkeit für langwierige Titrationen und komplexen Ausrüstung zu überwinden. Die sich ergebende bioinspirierter HA Produkt ist geeignet für die Verwendung in einer breiten Vielfalt vonMedizin und Gesundheit der Verbraucher-Anwendungen.

Introduction

Es gibt eine große klinische Notwendigkeit für fortschrittliche Biomaterialien mit verbesserter Funktionalität, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern und die Gesundheitsbelastung einer globalen Alterung der Bevölkerung zu reduzieren. Hydroxyapatit wurde in medizinischen Anwendungen seit vielen Jahren aufgrund seiner guten Biokompatibilität verwendet. ein erhöhtes Interesse an der Verwendung von nanoskaligem Hydroxylapatit (NHA), insbesondere für mineralisierten Geweberegeneration in Medizin und Zahnmedizin vor kurzem hat es. Das Mineral in Knochen und Zahnschmelz gefunden ist Calcium-Mangel, multi-substituierte, nanoskaligen Hydroxyapatit. Die Schätzungen für die Größe der biologischen NHA Plättchen berichten Abmessungen von 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, mit noch kleineren Strukturen in unreifen Knochen 2 beschrieben. Im Gegensatz dazu ist das Mineral in Zahnschmelz 10 bis 100 mal größer als die in Knochengewebe in Länge und Breite 3 gefunden, 4. Synthetische NHA in Bezug auf die Eigenschaften von natürlichen Materialien in medizinischen Technologien mit verbesserter Leistung könnte besser sein genannt bioinspirierter statt biomimetische, wie wir Beobachtungen zu übersetzen suchen. Es wurde vorgeschlagen , dass bioinspirierter NHA in Knochen- und Zahngeweberegeneration günstiger Anwendungen aufgrund seiner Ähnlichkeit natürlich vorkommendes Mineral 5 sein kann.

Es gibt verschiedene Methoden , die berichtet wurden NHA einschließlich hydrothermalen 6, Sprühtrocknungs 7 und Sol-Gel – 8 – Techniken herzustellen. Von diesen wird die nasse Fällungsverfahren eine relativ bequeme Verfahren zur Herstellung von NHA betrachtet. Die veröffentlichten NHA feuchten Fällungsverfahren umfassen im Allgemeinen eine Titrationsschritt wenn 9 Kalzium und Phosphor chemischen Vorstufen Mischen, 10, 11,in einigen Fällen teure Ausrüstung mit der Notwendigkeit kombiniert einschließlich langwierige und komplexe Prozesse ref "> 12, 13, 14. Jedoch sind diese Ansätze mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Die kommerzielle Produktion sein kann noch komplexer, mit Patente beschreiben hoch entwickelte Reaktoren Herstellung von hochwertigen medizinischer Qualität NHA 15. Trotzdem ist die Neutralisationsreaktion zwischen Kalziumhydroxid und Phosphorsäure vorteilhaft aufgrund des Fehlens von schädlichen chemischen Nebenprodukten.

Die Beziehung zwischen den Verarbeitungsbedingungen und der Morphologie des NHA Produkt wurde für langsame Titrationsreaktionen berichtet. Insbesondere für Verfahren Titration Calciumhydroxid und Phosphorsäure und mit der eine erhöhte Temperatur erschien die Herstellung von Teilchen mit einem niedrigen Seitenverhältnis 13 zu begünstigen. Diese Arbeit wurde wesentlich von Gen verlängertFliese et al. 16 , die die Beziehung zwischen der Temperatur und anderen Verarbeitungsbedingungen auf die Qualität der NHA Produkte aus einer breiten Palette von Methoden nachgewiesen. Er folgerte , dass die nasschemische Fällungsverfahren von Prakash 13 Produkte von höchster Qualität hergestellt, aber es sollte beachtet werden , dass die Ergebnisse auf technisch anspruchsvoll und langsam / Mischprozesse abhängig waren. Die ursprüngliche Prakash Titrationsschritt dauert über eine Stunde. Jedoch kann mehr Titrationszeiten für größere Chargen hergestellt werden erforderlich sein.

Zusammenfassend, während der Einfluss von mehreren Faktoren ab, einschließlich Temperatur haben nun ausführlich, fast keine Aufmerksamkeit sucht wurde zur Verringerung der Komplexität und der damit verbundenen Zeit gerichtet benötigt Titration basierenden Verfahren durchzuführen. Das Ziel dieser Studie war es daher, die Auswirkungen des Anlegens einer schnellen Mischung Ansatz zur Herstellung eines bioinspirierter NHA zu untersuchen und vollständig CHARAKTERIze Die erhaltenen Materialien. Wenn dies gelingt, wäre eine vereinfachte Schnellmisch Ansatz haben große Vorteile für Labor Forscher und Industrie gleichermaßen, wo die Kosten der Herstellung ohne umfassend Qualität erheblich reduziert werden konnte.

Protocol

Abbildung 1. Schematische Darstellung des schnellen Mix Herstellung von nanoskaligen bioinspirierter Hydroxyapatit. Die Phosphorsäurelösung wurde in die Calciumhydroxid-Suspension gegossen. Nachdem die Suspension über Nacht besiedelt wurde die NHA mit deionisiertem Wasser gewaschen, bevor sie bei 60 bis 80 ° C getrocknet wird. Die NHA wurde gemahlen, dann in einem Achatmörser und Stößel und gesintert wird, die thermische Stabilität des NHA Produkt zu untersuchen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 1. Schnelle Mix Herstellung nanoskaliger Hydroxylapatit Herstellung von Calcium- und Phosphorlösungen 5 g nanoskaliger Hydroxylapatit zur Herstellung einer Calcium unter Verwendung Molverhältnis von 1,67 zu Phosphor. Hinzufügen 3,705 g Calciumhydroxid500 ml deionisiertes Wasser hinzu und rühre auf einem Magnetrührer Platte für 1 h bei 400 Upm. In einem separaten Becherglas löst man 3,459 g Phosphorsäure (85%) in 250 ml entsalztem Wasser. Gießen der Phosphorlösung in das Rühren Calciumhydroxid-Suspension mit einer Rate von etwa 100 ml / s. Abdecken Becherglas mit Parafilm (Bemis, USA). Lassen die Suspension 1 h bei 400 Upm gerührt. Nehmen Sie den Becher von der Rührplatte und lassen über Nacht absetzen. Waschen der Suspension durch den Überstand abgegossen und Zugabe von 500 ml deionisiertem Wasser und für 1 min bei 400 rpm gerührt wurde. Wiederholen Sie diesen Schritt insgesamt dreimal mit 2 h zwischen jeder Wäsche. Lassen Sie NHA Suspension über Nacht absetzen. Gießen Sie den klaren Überstand ab und legen die ständige NHA Suspension in einem Trockenschrank eingestellt auf 60 bis 80 ° C. Wenn es trocken ist, legen Sie die getrockneten NHA in einem Achatmörser und Stößel und schleifen, bis fein. Place 2.5 g produced NHA Pulver in einem bei 1000 ° C Pulver Aluminiumoxidtiegel und Sinter für 2 h einer Anstiegsrate von 10 ° C / min verwendet wird. Nach der Wärmebehandlung, lassen Sie die NHA im Ofen abkühlen lassen. Shop-Pulver in einem Vakuum-Exsikkator. 2. Charakterisierung von nanoskaligen Hydroxyapatit Röntgenbeugung (XRD) unter Verwendung von Übertragungsmodus Diffraktometer Legen Sie eine kleine Menge (dh weniger als 200 & mgr; l) von Poly (Vinylalkohol) (PVA) Kleber auf Acetatfilms und mischen sich mit einer kleinen Menge (dh weniger als 100 mg) von NHA Pulver. Behandeln mit einer Heißluftpistole, bis sie trocken. Montieren Sie die Probe in einen Probenhalter und Last auf einem Übertragungsmodus Röntgendiffraktometer mit Cu K α – Strahlung. Verwenden Sie Diffraktometer Einstellungen von 40 kV und 35 mA, mit einem 2θ Bereich von 10-70 °. Analysieren Sie die resultierende Röntgenbeugungsmuster. Verwenden Sie die folgenden XRD-Karten für die Phasenanalyse: Hydroxyapatit: 9-432. ß-Tricalciumphosphat: 04-014-2292. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Legen Sie eine kleine Menge an Pulver (dh weniger als 10 mg) in einem Bijou und fügen etwa 3 ml Ethanol. Ultra-beschallte Probe für 15 – 30 Minuten, bis eine homogene Suspension beobachtet. Pipette eine kleine Menge der Lösung (dh weniger als 1 ml) auf ein 400 mesh Kupfergitter mit Kohlenstofffilm und trocknen lassen. Bildproben bei einer Beschleunigungsspannung von 80 kV. Röntgenfluoreszenz (XRF) Service durch die Werkstoffe und Engineering Research Institute (MERI) an der Sheffield Hallam University Kombinieren 0,8 g NHA Pulver mit 8 g Lithiumtetraborat. Schmelzmischung in einer Platin-Gold-Legierung Tiegels unter Verwendung eines Ofens auf 1200 ° C. Analyse resultierenden Proben in einer XRF-Spektrometer zur Bestimmung der Elementzusammensetzung vondie Beispiele. Fourier-Transformations – Infrarot – Spektroskopie in abgeschwächter Totalreflexionsmodus (FTIR-ATR) Führen Sie 64 Hintergrund – Scans von 4000 – 500 cm -1 mit einer Auflösung von 4 cm -1. Legen Sie eine kleine Menge (dh weniger als 100 mg) von NHA Pulver auf der Oberseite des Diamanten in der abgeschwächter Totalreflexion Modus Adapter und komprimieren auf die Oberfläche des Diamanten mit der Schraube oben. Führen 32 Scans von 4.000 – 500 cm -1 mit einer Auflösung von 4 cm -1 mit den Hintergrundscans von den Probenscans subtrahiert.

Representative Results

XRD – Muster (Figur 2) zeigte die Ausfällung eines reinen HA Phase mit breiten Peaks, was auf eine relativ kleine Kristallitgrße und / oder amorpher Natur. Nach dem Hochtemperatur-Sintern wurde β-Tricalciumphosphat (β-TCP) erfasst wird, neben einer Hauptphase von HA. Das Schärfen der Beugungspeaks, dh eine Reduzierung der Halbwertsbreite, zeigte eine Erhöhung der Kristallitgröße nach dem Sintern. Abbildung 2. Kristallphasenanalyse von Produkten. Röntgenbeugung (XRD) -Muster von ungesintertem nanoskaligen Hydroxyapatit (NHA) -Pulver und NHA Pulver gesintert bei 1.000ºC für 2 h. Peak-Etiketten: ▼ Hydroxyapatit Spitzen, β-Tricalciumphosphat Spitzen ■.ge.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. FTIR-ATR – Spektren (Abbildung 3) bestätigt die Bildung eines HA – Phase durch die Kenn Phosphat und Hydroxyl Bänder 17, 18. Im Einzelnen wurden die Bands wie folgt belegt: 3750 cm -1 (OH – strecken ν OH); 1.086 und 1.022 cm -1 (PO 4 3- ν 3); 962 cm -1 (PO 4 3- ν 1); 630 cm -1 (OH – Libration δ OH); 600 und 570 cm -1 (PO 4 3- ν 4). In der nicht gesinterten Probe wurden die zusätzlichen Peaks wie folgt zugeordnet: breite Spitze zentriert um 3400 cm -1 (absorbierte Wassermoleküle); 1.455 und 1.410 cm -1 (CO 3 2- ν 3); 880 cm <sup> -1 (CO 3 2- ν 2). Das absorbierte Wasser und Carbonatgruppen im ungesinterten Pulvers wurden beobachtet während der Hochtemperatur-Sinterstufe entfernt werden. Der Sinterprozess geschärft auch die Hydroxyl-und Phosphat-Banden, die durch einen höheren Spitzen manifestierte Abstand zu Trog. Abbildung 3. Die Infrarotspektren von Produkten. Fourier-Transformations-Infrarot in abgeschwächter Totalreflexionsmodus (FTIR-ATR) Spektren von ungesintertem nanoskaligen Hydroxyapatit (NHA) -Pulver und NHA Pulver für 2 h bei 1000 ° C gesintert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. TEM – Aufnahmen (Abbildung 4) zeigte die Bildung von nanoskaligen Teilchen with Abmessungen von etwa 50 nm bis 30 nm. Die Teilchen hatten einen niedrigen Seitenverhältnis (Teilchenlänge / Teilchenbreite) von etwa 1,7. Die Größe und Form der nanoskaligen Produkte wurden mit ähnlichen Abmessungen wie biologischen Apatits 1. Abbildung 4. nanoskalige Morphologie des Produktes. TEM-Aufnahmen (TEM) von nanoskaligem Hydroxylapatit (NHA) bereit, die schnelle Mischverfahren bei zwei Vergrößerungen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Quantitative chemische Analyse des NHA Pulver durch XRF (Tabelle 1) erlaubt das Calcium-Phosphor – Verhältnis als 1,63 berechnet werden, was etwas niedriger ist als das stöchiometrische HA ist which hat ein Kalzium-Phosphor-Verhältnis von 1,67. XRF zeigte auch die hohe Reinheit des NHA Produkt mit nur Spuren anderer Elemente aufgezeichnet. Verbindung Gewicht % CaO 51.52 P 2 O 5 39.89 MgO 0,46 Na 2 O 0,13 Y 2 O 3 0,07 Al 2 O 3 0,03 SiO 2 0,03 Mn 3 O 4 0,03 SrO 0,02 TiO 2 0,01 <p class="jove_content" fo:kEEP-together.within-page = "1"> Tabelle 1 Quantitative chemische Analyse des Produkts. Röntgenfluoreszenz (XRF) Ergebnisse für ungesinterten NHA Pulver zeigte> 99% Reinheit nach Gewicht.

Discussion

Natürliche Apatit – Teilchen nanoskalige , bestehend aus nicht-stöchiometrischen Karbonat – Hydroxyapatit mit der ungefähren chemischen Formel Ca 10-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. Die Herstellung von Biomaterialien mit engen chemischen Ähnlichkeit zu natürlich vorkommenden Mineral wurde berichtet, dass eine optimale biologische Reaktionen zu fördern. Zum Beispiel Forschung über biomimetische Calcium-defizienten kohlensäure NHA hat gezeigt , es in der Lage die Proliferation und die alkalische Phosphatase – Aktivität von Maus – Präosteoblasten – Zellen in einem größeren Ausmaß als herkömmliche NHA 19 zu stimulieren ist.

Die Fällung von HA in dieser Studie, die bei 1000 ° C (Abbildung 2) vorgeschlagen , um die Bildung eines Calcium-defizienten HA teilweise thermische Zersetzung zeigten. Dies wurde durch die niedriger als stöchiometrische Ca unterstützt: P – Verhältnis (1,63) , die mit den XRF – Daten (T1 in der Lage). Es versteht sich, dass eine reduzierte Ca: P – Verhältnis mit einer geringeren thermischen Stabilität 20 verbunden ist, 21, 22, 23. Bei diesem Verfahren verringert die schnelle Zugabe des Phosphorsäurelösung schnell der pH – Wert der Reaktionssuspension HPO 4 Ionen zu erzeugen. Die Anwesenheit von HPO 4 Gruppen erleichtert die Ausfällung von Calcium – defizienten HA, mit der Molekülformel: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, wobei 0 <x <1 ist .

Die rasche Zugabe der Phosphorsäure hatte daher eine deutliche Wirkung auf die Präzipitation Kinetik der Reaktion. Wie zuvor beschrieben, Titrationsreaktionen Calciumhydroxid und Phosphorsäure denen bei Raumtemperatur durchgeführt neigten Teilchen mit einem hohen Aspektverhältnis 13 zu ergeben. Für titration Reaktionen dieser Reaktanten beteiligt war es notwendig , eine erhöhte Temperatur zu verwenden Teilchen herzustellen mit einem niedrigeren Aspektverhältnis , die mehr sind ähnlich biologischen Apatits 13. Mit hohem Aspektverhältnis Partikel erzeugt werden , wenn die Kristallkeimbildungsgeschwindigkeit langsamer ist als die Kristallwachstumsrate 24. Für das neue Verfahren in dieser Studie entwickelt, kann die schnelle Zugabe der Phosphorsäure-Lösung haben eine größere Anzahl von Keimbildungsstellen versehen ist, die in der erhöhten Anwesenheit von kleinen runden Teilchen resultierte, wie mit einem größeren Seitenverhältnis weniger Partikel entgegengesetzt. Wie die Autoren nicht vollständig die Auswirkungen von sich langsam die Phosphorsäure in die Calciumhydroxid-Suspension gießt, um konsistente Ergebnisse zu erreichen, untersucht wird empfohlen, die Phosphorsäure mit einer Rate mit der in dem Video gezeigt angemessenen gegossen (ca. 100 mL / s).

Bei der Entwicklung dieses Verfahrens, die Autoren inveine Reihe von inkrementellen Änderungen an der NHA Herstellungsverfahren estigated auf Basis von Prakash et al. 13 einschließlich der Vergleich von Produkten mit der langsamen Titration und die schnelle Zugabe des Phosphorsäurelösung 25 hergestellt. Es wurde festgestellt, dass die langsame Titration der Phosphorsäure in die Calciumhydroxid-Suspension mit einer Calciumhydroxid-Rest in einem Produkt geführt. Wir schlagen vor, dass der pH-Änderung durch die schnelle Zugabe von Phosphorsäure verursacht die Auflösung des Calciumhydroxids gefördert und daher für die erfolgreiche Umsetzung der Reaktanden in Hydroxyapatit erlaubt. Ein Vergleich von Produkten bereit, die schnelle Mischverfahren bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen (60 ° C) unter Verwendung gefunden, dass eine erhöhte Temperatur in einer höheren Leitfähigkeit geführt, nachdem die Reaktion abgeschlossen war. Dies deutete darauf hin, daß restliche Calciumhydroxid war vorhanden, die wahrscheinlich aufgrund der geringeren Löslichkeit von Calciumhydroxid zu sein beierhöhten Temperaturen. Das Vorhandensein von Rest Calciumhydroxid war unerwünscht, da die grundlegende Natur dieser Verbindung Biokompatibilität beeinträchtigen könnten.

FTIR detektiert die Charakteristik – Phosphat und Aktivitäts Hydroxylgruppe assoziiert mit HA (Abbildung 3). Es wurde festgestellt, daß das Spektrum für das gesinterte Produkt schärfere Phosphat und Hydroxyl Peaks zeigte. Diese Änderungen wurden mit einem größeren Produkt Kristallinität 26, 27 .Die ungesinterten Spektrum bereitgestellt Beweis für B-Typ Carbonat Substitution assoziiert wo Carbo haben für Phosphatgruppen substituiert sind . Dies steht im Gegensatz zu A-Typ – Substitution in dem Carbonationen für Hydroxylgruppen 17 ersetzen kann. Es wurde berichtet , dass B-Typ – Karbonat Substitution 3 in biologischen Apatit auftritt. Jedoch Tampieri et al. berichtet, dass während Substitution B-Typ war predominAmeise in jungen Knochen, A-Typ Karbonat Substitution war immer präsent in den Knochen von älteren Menschen 28. Carbonate Substitution wurde die Kristallinität und thermische Stabilität des NHA gleichzeitiger Erhöhung seiner Löslichkeit zu verringern gefunden. Diese Änderungen wurden der erhöhten Bioaktivität von Carbonat-substituierten HA 29 beizutragen vorgeschlagen. Biological HA ist auch in der XRF – Analyse (Tabelle 1), wie Magnesium, Natrium und Strontium 30 aufgezeichnet bekannt , dass einige der anderen Elemente zu enthalten. Das Vorhandensein dieser Elemente können auch dazu beitragen, die biologische Wirksamkeit erhöht. Zukünftige Arbeiten sollten bei der Herstellung dieser nanoskaligen substituierten Apatit, und auch Produkte mit einer erhöhten Biofunktionalität wie silberdotierte NHA 31 gerichtet werden. Um substituierte NHA, das Element zur Vorbereitung kann mit einer entsprechenden Reduktion des beabsichtigten Element eingeführt werden, um Substitute für, beispielsweise eine Verringerung der Menge der Calciumverbindung , wenn Strontium, Magnesium oder Zinksubstitutions 32 versucht wird. Alternativ kann ein anderer Ansatz Elemente mit der Absicht hinzuzufügen von 'dotierter' Ionen bereitzustellen , die auf der Oberfläche des NHA vorhanden sind , ohne notwendigerweise die Absicht des Elements in die HA – Kristallgitter 31 zu ersetzen. Für diese Modifikationen dem Verfahren ist es möglich, gemischte Lösungen, wie Calciumhydroxid und Silbernitrat herzustellen, und die Reaktion in der gleichen Weise auszuführen, wie hier beschrieben.

Abschließend berichtet dieses Papier einen neuartigen, schnell und wesentlich verbessertes Verfahren zur Herstellung von bioinspirierter NHA. Bei dieser Methode erfolgt die schnelle Vermischung der Chemikalien weniger als 5 Sekunden, was eine deutliche Verringerung der Zeit, ist im Vergleich zu Titrationen Reaktionen typischerweise Stunden sorgfältige Überwachung erfordern. Es hat ein großes Potenzial für den Einsatz in biomaterial Entwicklung aufgrund seiner relativen Einfachheit und der geringen Kosten im Vergleich zu derzeit industriell NHA Fertigungsverfahren eingesetzt, bei denen die inhärente Komplexität der gegenwärtigen kommerziellen Systemen führt zu langen Forschungs- und Entwicklungszeiten und die Herstellungskosten wesentlich erhöht. Insbesondere ist diese neue Methode überlegen kontinuierliche Strömungsvorgänge oder hydrothermalen Techniken aufgrund deutlich geringeren Anlauf Ausrüstung Investitionsbedarf.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von einem EPSRC CASE studentship in Zusammenarbeit mit Ceramisys Ltd. unterstützt und ist auch mit Mede Innovation, der EPSRC Zentrum für Innovative Produktion in Medical Devices [Gewährungsnummer EP / K029592 / 1] verbunden ist. Die Autoren möchten sich auch Robert Burton an der Sheffield Hallam University für XRF-Analyse zu danken.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pasteris, J. D., Wopenka, B., Valsami-Jones, E. Bone and tooth mineralization: why apatite?. Elements. 4 (2), 97-104 (2008).
  2. Carter, D. H., Hatton, P. V., Aaron, J. E. The ultrastructure of slam-frozen bone mineral. Histochem. J. 29 (10), 783-793 (1997).
  3. Wopenka, B., Pasteris, J. D. A mineralogical perspective on the apatite in bone. Mater. Sci. Eng. 25 (2), 131-143 (2005).
  4. Boskey, A. L. Mineralization of bones and teeth. Elements. 3 (6), 385-391 (2007).
  5. Fox, K., Tran, P. A., Nhiem, T. Recent Advances in Research Applications of Nanophase Hydroxyapatite. ChemPhysChem. 13 (10), 2495-2506 (2012).
  6. Neira, I. S., et al. An Effective Morphology Control of Hydroxyapatite Crystals via Hydrothermal Synthesis. Cryst. Growth. Des. 9 (1), 466-474 (2009).
  7. Luo, P., Nieh, T. G. Synthesis of ultrafine hydroxyapatite particles by a spray dry method. Mater. Sci. Eng. C. 3 (2), 75-78 (1995).
  8. 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).
  9. Cai, Y., et al. Role of hydroxyapatite nanoparticle size in bone cell proliferation. J. Mater. Chem. 17 (36), 3780-3787 (2007).
  10. Catros, S., et al. Physico-chemical and biological properties of a nano-hydroxyapatite powder synthesized at room temperature. IRBM. 31 (4), 226-233 (2010).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Brito Lopes, J. C., et al. Production method for calcium phosphate nano-particles with high purity and their use. WO2008/007992A2. , (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Koutsopoulos, S. Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: a review study on the analytical methods. J. Biomed. Mater. Res. 62 (4), 600-612 (2002).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Bouyer, E., Gitzhofer, F., Boulos, M. I. Morphological study of hydroxyapatite nanocrystal suspension. J. Mater. Sci.-Mater. M. 11 (8), 523-531 (2000).
  25. Wilcock, C. J. . The development of nanostructured calcium phosphate biomaterials for bone tissue regeneration PhD thesis. , (2015).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Tampieri, A., Celotti, G., Landi, E. From biomimetic apatites to biologically inspired composites. Anal. Bioanal. Chem. 381 (3), 568-576 (2005).
  29. Boanini, E., Gazzano, M., Bigi, A. Ionic substitutions in calcium phosphates synthesized at low temperature. Acta. Biomater. 6 (6), 1882-1894 (2010).
  30. Elliott, J. C. . Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. , 260 (1994).
  31. Wilcock, C. J., et al. Preparation and Antibacterial Properties of Silver-doped Nanoscale Hydroxyapatite Pastes for Bone Repair and Augmentation. J. Biomed. Nanotechnol. , (2017).
  32. 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).

Tags

BioinspiredNanoscale HydroxyapatiteBiomedical ApplicationsRapid Mix PreparationCalcium HydroxidePhosphoric AcidMolar RatioWashingSinteringCharacterization

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image