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Bioengineering

Mezcla rápida Preparación de Bioinspirada nanoescala hidroxiapatita para aplicaciones biomédicas

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

Summary

En este trabajo se describe un nuevo método para la fabricación rápida de alta calidad hidroxiapatita nanoescala Bioinspirada. Este biomaterial es de gran importancia en la fabricación de una amplia gama de dispositivos médicos innovadores para aplicaciones clínicas en ortopedia, cirugía craneofacial y odontología.

Abstract

La hidroxiapatita (HA) ha sido ampliamente utilizado como una cerámica médica debido a su buena biocompatibilidad y osteoconductividad. Recientemente ha habido interés en relación con el uso de hidroxiapatita a nanoescala bioinspirado (NHA). Sin embargo, la apatita biológica es conocida por ser deficiente en calcio y carbonato-sustituido con una morfología de plaquetas como nanoescala. Bioinspirada NHA tiene el potencial de estimular la regeneración de tejido óseo óptimo debido a su similitud con los huesos y los dientes mineral del esmalte. Muchos de los métodos actualmente utilizados para fabricar las CNS, tanto en el laboratorio como en el comercio, involucrar a procesos largos y complejos equipos. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue desarrollar un método rápido y fiable para preparar alta calidad bioinspirado CNS. El método de mezcla rápida desarrollado se basa en una reacción ácido-base que implica hidróxido de calcio y ácido fosfórico. Brevemente, una solución de ácido fosfórico se vertió en una solución de hidróxido de calcio, seguido de agitación, lavado yetapas de secado. Parte de la carga se sinteriza a 1000 ° C durante 2 h con el fin de investigar alta estabilidad de temperatura de los productos. El análisis de difracción de rayos X mostró la formación exitosa de HA, que mostró la descomposición térmica a ß-fosfato tricálcico después de procesamiento de alta temperatura, que es típico de HA deficiente en calcio. Transformada de Fourier espectroscopía infrarroja mostró la presencia de grupos carbonato en el producto precipitado. Las partículas de CNS tenían una baja relación de aspecto con dimensiones aproximadas de 50 x 30 nm, cerca de las dimensiones de la apatita biológica. El material fue también deficiente de calcio con una relación Ca: P de 1,63 molar, que al igual que la apatita biológica es inferior a la relación estequiométrica de HA 1,67. Por tanto, este nuevo método es un proceso fiable y mucho más conveniente para la fabricación de Bioinspirada NHA, la superación de la necesidad de largas titulaciones y equipos complejos. El producto de HA Bioinspirada resultante es adecuado para uso en una amplia variedad deaplicaciones médicas y de salud de los consumidores.

Introduction

Hay una gran necesidad clínica de biomateriales avanzados con funcionalidad mejorada con el fin de mejorar la calidad de vida de los pacientes y reducir la carga de la salud de una población mundial envejecimiento. La hidroxiapatita se ha utilizado ampliamente en aplicaciones médicas durante muchos años debido a su buena biocompatibilidad. Recientemente, ha habido un creciente interés en el uso de hidroxiapatita a nanoescala (NHA), especialmente para la regeneración de tejido mineralizado en medicina y odontología. El mineral que se encuentra en el esmalte de huesos y dientes es deficiente en calcio, multi-sustituido, hidroxiapatita a nanoescala. Las estimaciones para el tamaño de las plaquetas NHA biológicos reportan dimensiones de 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, con estructuras aún más pequeñas que se describen en el hueso inmaduro 2. En contraste, el mineral en el esmalte del diente es de 10 a 100 veces mayor que la encontrada en el tejido óseo en longitud y anchura 3, 4. sintética NHA podrían ser denominadas de bioinspirado en lugar de biomimético, ya que estamos tratando de traducir las observaciones relativas a las características de los materiales naturales en las tecnologías médicas con un mejor rendimiento. Se ha sugerido que bioinspirado NHA puede ser más favorable en aplicaciones de regeneración de tejidos óseos y dientes debido a su similitud con la del mineral natural 5.

Existen varios métodos que han sido reportados para preparar las CNS incluyendo hidrotermal 6, secado por pulverización 7 y 8 de sol-gel técnicas. De estos, el método de precipitación húmeda se considera un método relativamente conveniente para la producción de CNS. Los métodos de precipitación húmeda publicados NHA generalmente incluyen una etapa de valoración cuando se mezcla el calcio y el fósforo precursores químicos 9, 10, 11,ref "> 12, 13, 14. Sin embargo, estos enfoques están asociados con una serie de desventajas incluyendo procesos largos y complejos combinados en algunos casos con la necesidad de equipos costosos. La producción comercial puede ser incluso más compleja, con patentes que describen reactores sofisticados para fabricación de grado médico de alta calidad NHA 15. a pesar de esto, la reacción de neutralización entre el hidróxido de calcio y ácido fosfórico es ventajoso debido a la falta de producto químico nocivo subproductos.

La relación entre condiciones de procesamiento y la morfología del producto de CNS se ha informado de reacciones de titulación lenta. En concreto, para los métodos de valoración que implican hidróxido de calcio y ácido fosfórico, una temperatura elevada pareció favorecer la preparación de partículas con una relación de aspecto baja 13. Este trabajo se amplió considerablemente por Genazulejo et al. 16 que demostró la relación entre la temperatura y otras condiciones de procesamiento sobre la calidad de los productos de CNS de una amplia gama de métodos. Llegó a la conclusión de que el método de precipitación química húmeda de Prakash 13 hizo que los productos de mayor calidad, pero hay que señalar que los resultados dependían de procesos técnicamente complejos y lentos / mezcla. El paso inicial de titulación Prakash toma más de una hora. Sin embargo, los tiempos de valoración más largos pueden ser requeridos para lotes más grandes para ser preparados.

En resumen, mientras que la influencia de varios factores, incluyendo la temperatura ahora se han estudiado ampliamente, casi ninguna atención se ha dirigido a reducir la complejidad y el tiempo necesario para llevar a cabo los métodos basados ​​en la titulación asociado. El objetivo de este estudio fue, por tanto, para investigar los efectos de la aplicación de un enfoque de mezcla rápida para la fabricación de un NHA Bioinspirada, y totalmente caracterize los materiales resultantes. Si tiene éxito, un enfoque simplificado mezcla rápida tendría grandes beneficios para los investigadores de laboratorio como de la industria donde los costos de fabricación podría reducirse sustancialmente sin comprometer la calidad.

Protocol

Figura 1. Esquema de la preparación de la mezcla rápida de la hidroxiapatita a nanoescala bioinspirado. La solución de ácido fosfórico se vertió en la suspensión de hidróxido de calcio. Después la suspensión se estableció durante la noche, la ASN se lavó con agua desionizada antes de ser secado a 60 a 80 ° C. a continuación, la ASN se molió en un mortero de ágata y una maja y sinterizado para investigar la estabilidad térmica del producto CNS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 1. Mezcla rápida producción de nanoescala hidroxiapatita Preparación de las soluciones de calcio y fósforo para preparar 5 g de hidroxiapatita a nanoescala usando un calcio a fósforo relación molar de 1,67. Añadir 3,705 g de hidróxido de calcio para500 ml de agua desionizada y se agita en una placa de agitación magnética durante 1 hora a 400 rpm. En un vaso de precipitados separado, se disuelven 3,459 g de ácido fosfórico (85%) en 250 ml de agua desionizada. Verter la solución de fósforo en la suspensión de hidróxido de calcio de agitación a una velocidad de aproximadamente 100 ml / s. Cubrir vaso de precipitados con Parafilm (Bemis, EE.UU.). Dejar la suspensión en agitación durante 1 h a 400 rpm. Tome el vaso de la placa de agitación y dejar reposar durante la noche. Se lava la suspensión por vertido el sobrenadante y añadir 500 ml de agua desionizada y agitando durante 1 min a 400 rpm. Repita este paso tres veces en total, con 2 h entre cada lavado. Deja suspensión NHA sedimentar durante la noche. Retirar el sobrenadante transparente y coloque la suspensión NHA asentado en una estufa regulada a 60 a 80 ° C. Una vez seco, coloque la ASN se seca en un mortero de ágata y una maja y moler hasta bien. Colocar 2,5 g de propolvo producido NHA en un crisol y sinterización de polvo de alúmina a 1.000 ° C durante 2 horas usando una tasa de rampa de 10 ° C / min. Después del tratamiento térmico, la ASN dejar enfriar en el horno. polvos de la tienda en un desecador de vacío. 2. Caracterización de nanoescala hidroxiapatita Difracción de rayos X (XRD) usando difractómetros modo de transmisión Colocar una pequeña cantidad (es decir, menos de 200 l) de poli (alcohol vinílico) (PVA) de pegamento en película de acetato y mezclar con una pequeña cantidad (es decir, menos de 100 mg) de polvo de CNS. Tratar con una pistola de aire caliente hasta que se seque. Montar la muestra en un soporte de muestra y la carga en un difractómetro de rayos X modo de transmisión con radiación Cu K α. Usar una configuración del difractómetro de 40 kV y 35 mA, con un rango 2θ de 10 a 70 °. Analizar los patrones de difracción de rayos X resultantes. Utilizar las siguientes tarjetas de difracción de rayos X para la identificación de fase: La hidroxiapatita: 9-432. ß-fosfato tricálcico: 04-014-2292. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) Colocar una pequeña cantidad de polvo (es decir, menos de 10 mg) en un bijou y añadir aproximadamente 3 ml de etanol. se observa 30 minutos hasta obtener una suspensión homogénea – muestra de Ultra-sonicado durante 15. Pipetear una pequeña cantidad de solución (es decir, menos de 1 ml) en una rejilla de cobre de malla 400 con la película de carbón, y dejar secar. muestras de imagen en un voltaje de aceleración de 80 kV. Fluorescencia de rayos X (XRF) notificación por los Materiales e Ingeniería Instituto de Investigación (MERI) en la Universidad de Sheffield Hallam Combinar 0,8 g NHA polvo con 8 g de tetraborato de litio. Derretir mezcla en un crisol de aleación de platino-oro utilizando un horno ajustado a 1200 ° C. Analizar las muestras resultantes en un espectrómetro de fluorescencia de rayos X para determinar la composición elemental deLas muestras. Fourier espectroscopia infrarroja con transformada en modo de reflectancia total atenuada (FTIR-ATR) Realizar búsquedas en segundo plano 64 de 4.000 – 500 cm-1 con una resolución de 4 cm -1. Colocar una pequeña cantidad (es decir, menos de 100 mg) de polvo de CNS en la parte superior del diamante en el adaptador de modo de reflectancia total atenuada y comprimir sobre la superficie del diamante con la parte superior del tornillo. Realizar 32 barridos de 4000 – 500 cm-1 con una resolución de 4 cm-1 con las búsquedas en segundo plano restados de los barridos de muestra.

Representative Results

Patrones de DRX (Figura 2) mostró la precipitación de una fase de HA pura con picos anchos, lo que indica un tamaño relativamente pequeño de los cristalitos y / o naturaleza amorfa. Después de la sinterización a alta temperatura, se detectó fosfato β-tricálcico (β-TCP), junto con una fase principal de HA. La agudización de los picos de difracción, es decir, una reducción de la mitad del máximo de ancho total, indica un aumento en el tamaño de los cristales después de la sinterización. Figura 2. Análisis de la fase cristalina de los productos. difracción de rayos X (DRX) patrones de polvo de hidroxiapatita sinterizada nanoescala (NHA) y polvo de Nha sinterizadas a 1000 ° C durante 2 h. etiquetas de pico: ▼ picos de hidroxiapatita, ■ picos de fosfato tricálcico β-.ge.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. FTIR-ATR espectros (figura 3) confirmó la formación de una fase HA por el fosfato de característica y las bandas de hidroxilo 17, 18. En detalle las bandas fueron asignados de la siguiente manera: 3.750 cm -1 (OH – estirar ν OH); 1.086 y 1.022 cm -1 (PO 4 3- nu 3); 962 cm-1 (PO 4 3- nu 1); 630 cm-1 (IL – libración δ OH); 600 y 570 cm-1 (PO 4 3- ν 4). En la muestra no sinterizado los picos adicionales fueron asignados de la siguiente manera: pico ancho centrado en torno a 3.400 cm-1 (moléculas de agua absorbidas); 1.455 y 1.410 cm -1 (CO 3 2- nu 3); 880 cm <sup> -1 (CO 3 2- ν 2). Los grupos de agua y carbonato absorbido observados en el polvo no sinterizado se eliminaron durante la etapa de sinterización a alta temperatura. El proceso de sinterización también afiló las bandas hidroxilo y fosfato, que se manifiestan por un pico a valle mayor distancia. Figura 3. Los espectros infrarrojos de los productos. Infrarroja por transformada de Fourier en los espectros de reflectancia atenuada modo totales (FTIR-ATR) de polvo sinterizado nanoescala hidroxiapatita (NHA) y polvo de Nha sinterizado a 1000 ° C durante 2 h. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Imágenes de TEM (Figura 4) mostraron la formación de partículas a nanoescala ingenioh dimensiones aproximadas de 50 nm de 30 nm. Las partículas tenían una baja relación de aspecto (ancho longitud de partícula / partícula) de alrededor de 1,7. El tamaño y la forma de los productos a nanoescala eran de dimensiones similares a la apatita biológica 1. Figura 4. nanoescala morfología del producto. Micrografías electrónicas de transmisión (TEM) de nanoescala hidroxiapatita (NHA) preparados usando el método de mezcla rápida en dos aumentos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Análisis químico cuantitativo del polvo NHA por XRF (Tabla 1) permitió la relación calcio: fósforo que se calcula como 1.63, que es ligeramente inferior a la estequiométrica HA which tiene una relación calcio: fósforo de 1,67. XRF también mostró la alta pureza del producto NHA con sólo pequeñas cantidades de otros elementos registrados. Compuesto 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 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"> Tabla 1. Análisis químico cuantitativo de producto. (XRF) resultados de fluorescencia de rayos X para polvo no sinterizado NHA mostraron> 99% de pureza en peso.

Discussion

Apatita natural se compone de partículas a nanoescala de hidroxiapatita carbonatada no estequiométrica con la fórmula química aproximada de Ca 10-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. La producción de biomateriales con cerca similitud química con naturalmente mineral que se ha informado para promover respuestas biológicas óptimas. Por ejemplo, la investigación sobre biomimético deficiente en calcio carbonatado NHA ha demostrado que es capaz de estimular la actividad de la fosfatasa alcalina de las células preosteoblastos murinos proliferación y en un grado mayor que las CNS convencional 19.

En este estudio, la precipitación de HA que mostró la descomposición térmica parcial a 1000 ° C (Figura 2) sugirió la formación de un HA deficiente en calcio. Esto fue apoyado por el menor que la estequiométrica Ca: P (1.63) se obtiene con los datos XRF (Tcapaces 1). Se entiende que una reducción de Ca: P se asocia con una menor estabilidad térmica 20, 21, 22, 23. En este método, la adición rápida de la solución de ácido fosfórico bajó rápidamente el pH de la suspensión de reacción para generar HPO 4 iones. La presencia de HPO 4 grupos facilitó la precipitación del calcio deficiente HA, con la fórmula molecular: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, donde 0 <x <1.

La rápida adición del ácido fosfórico, por tanto, tenía un marcado efecto sobre la cinética de precipitación de la reacción. Como se ha descrito anteriormente, las reacciones de titulación que implican hidróxido de calcio y ácido fosfórico llevado a cabo a temperatura ambiente tendían a producir partículas con una alta relación de aspecto 13. para titration reacciones que implican estos reactivos, era necesario usar una temperatura elevada para producir partículas con una relación de aspecto más baja que son más similares a la apatita biológica 13. Partículas de alta relación de aspecto se producen cuando la velocidad de nucleación de cristal es más lenta que la tasa de crecimiento de los cristales 24. Para el nuevo método desarrollado en este estudio, la adición rápida de la solución de ácido fosfórico puede haber proporcionado un mayor número de sitios de nucleación que resultó en el aumento de la presencia de pequeñas partículas redondeadas en lugar de un menor número de partículas con una relación de aspecto mayor. Como los autores no han investigado a fondo los efectos de verter lentamente el ácido fosfórico en la suspensión de hidróxido de calcio, con el fin de lograr resultados consistentes se recomienda que el ácido fosfórico se vierte a un ritmo acorde con la que se muestra en el video (aproximadamente 100 mL / s).

Durante el desarrollo de este método, los autores investigated una serie de cambios incrementales en el método de preparación de CNS basado en Prakash et al. 13 incluyendo la comparación de los productos producidos con la lenta titulación y la rápida adición de la solución de ácido fosfórico 25. Se encontró que la lenta titulación de ácido fosfórico en la suspensión de hidróxido de calcio como resultado un producto con un residuo de hidróxido de calcio. Proponemos que el cambio de pH causado por la rápida adición de ácido fosfórico alentó a la disolución del hidróxido de calcio y, por tanto, permitió la conversión exitosa de los reactivos en hidroxiapatita. Una comparación de los productos preparados usando el método de mezcla rápida en la sala y temperaturas elevadas (60 ° C) se encontró que una temperatura elevada dio como resultado una mayor conductividad después de que se completó la reacción. Esto sugirió que el hidróxido de calcio residual estaba presente, que era probable que sea debido a la menor solubilidad del hidróxido de calcio enaumento de las temperaturas. La presencia de hidróxido de calcio residual era indeseable como la naturaleza básica de este compuesto podría comprometer la biocompatibilidad.

FTIR detecta la actividad del grupo fosfato e hidroxilo característica asociada con HA (Figura 3). Se observó que el espectro para el producto sinterizado mostró más nítidas picos fosfato e hidroxilo. Estos cambios se han asociado con una mayor cristalinidad del producto 26, 27 .El espectro no sinterizado proporcionado evidencia de tipo B sustitución carbonato donde los iones de carbonato se han sustituido por grupos fosfato. Esto está en contraste con una de tipo sustitución, si los iones de carbonato pueden sustituir por grupos hidroxilo 17. Se ha informado de que la sustitución de tipo B se produce en carbonato de apatita biológica 3. Sin embargo, Tampieri et al. informó que, si bien la sustitución de tipo B fue predominhormiga en los huesos pequeños, de tipo carbonato de sustitución era cada vez más presente en los huesos de las personas de edad avanzada 28. sustitución de carbonato se ha encontrado para disminuir la cristalinidad y estabilidad térmica de la ASN, mientras que el aumento de su solubilidad. Se han propuesto Estos cambios de contribuir al aumento de la bioactividad de carbonato-sustituido HA 29. HA biológica también se sabe que contienen algunos de los otros elementos grabados en el análisis de XRF (Tabla 1), como el magnesio, el sodio y el estroncio 30. La presencia de estos elementos también puede contribuir al aumento de la eficacia biológica. El trabajo futuro debe estar dirigido a la preparación de estas apatitas nanoescala sustituido, y también productos con un mayor biofuncionalidad como NHA dopado con plata-31. Con el fin de preparar las CNS sustituido, el elemento puede ser introducido con una reducción correspondiente del elemento deseado para Substitute para, por ejemplo, una reducción en la cantidad del compuesto de calcio cuando estroncio, magnesio o zinc sustitución se intenta 32. Alternativamente, otro enfoque puede ser para añadir elementos con la intención de proporcionar iones dopados '' que están presentes en la superficie de la ASN sin necesariamente con la intención de sustituir el elemento en la red cristalina HA 31. Por estas modificaciones en el método, es posible preparar soluciones mixtas tales como hidróxido de calcio y nitrato de plata, y para llevar a cabo la reacción de la misma manera como se describe aquí.

En conclusión, este documento informa de un método rápido y sustancialmente mejorado novedoso para la preparación de bioinspirado CNS. Para este método, la mezcla rápida de los productos químicos tarda menos de 5 segundos, que es una marcada reducción en el tiempo en comparación con las titulaciones reacciones típicamente requieren horas de seguimiento cuidadoso. Tiene un gran potencial para su uso en biomaterial desarrollo debido a su relativa simplicidad y bajo costo en comparación con los métodos de fabricación NHA industriales que actualmente se utilizan en la complejidad inherente a los resultados de los sistemas comerciales actuales en los largos tiempos de investigación y desarrollo, y el aumento de costes de fabricación. En particular, este nuevo método es superior a los procesos de flujo continuo o técnicas hidrotermales debido a los menores requerimientos de inversión significativamente equipo de puesta en marcha.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por una beca CASO EPSRC en colaboración con Ceramisys Ltd. y también se asocia con Mède Innovación, el Centro para la fabricación innovadores EPSRC en médico [número de concesión EP / K029592 / 1]. Los autores también desean agradecer a Robert Burton en la Universidad de Sheffield Hallam para el análisis 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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