Summary
本稿では、高品質のバイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトを迅速に製造するための新規な方法を説明します。この生体材料は整形外科、頭蓋顔面外科および歯科臨床応用のための革新的な医療機器の広い範囲の製造に非常に重要です。
Abstract
ヒドロキシアパタイト（HA）が広く、その良好な生体適合性及び骨伝導による医療用セラミックスとして使用されてきました。最近、バイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイト（NHA）の使用に関する関心が集まっています。しかし、生物学的アパタイト、カルシウム欠乏であることが知られており、ナノスケール血小板様形態を有するカーボネート置換します。バイオインスパイアードNHA起因骨および歯のエナメル質の鉱物との類似性の最適な骨組織の再生を刺激する可能性を有します。現在、実験室で、商業的に両方NHAを製造するために使用される方法の多くは、長いプロセスや複雑な装置を含みます。従って、本研究の目的は、高品質のバイオインスパイアードNHAを調製するための迅速かつ信頼性の高い方法を開発することでした。開発された迅速な混合方法は、水酸化カルシウムとリン酸を含む酸 - 塩基反応に基づいていました。簡潔には、リン酸溶液を攪拌、洗浄、続いて水酸化カルシウム水溶液に注ぎ乾燥段階。バッチの一部は、製品の高い温度安定性を調査するために、2時間1000℃で焼結しました。 X線回折分析は、カルシウム欠乏HAに典型的な高温処理後、リン酸三カルシウムβに熱分解を示したHAの正常な形成を示しました。フーリエ変換赤外分光法は、沈殿した生成物中の炭酸基の存在を示しました。 NHA粒子は、生体アパタイトの寸法に近い50×30nmの概略寸法、低アスペクト比を持っていました。生物学的アパタイトのような1.67の化学量論的HA比よりも低い1.63のPのモル比：材料は、カルシウムとカルシウム欠乏でした。この新しい方法は長い滴定し、複雑な装置の必要性を克服し、したがって、バイオインスパイアードNHAの製造のための信頼できるとはるかに便利な方法です。得られたバイオインスパイアードHA製品は多種多様で使用するのに適しています医療と消費者の健康アプリケーション。
Introduction
患者の生活の質を改善するために、グローバル高齢化人口の医療負担を軽減するために、強化機能を備えた高度なバイオマテリアルのための大きな臨床的必要性があります。ヒドロキシアパタイトは、広く、その良好な生体適合性のために長年にわたって医学的用途に使用されています。最近、特に医学と歯学における鉱化組織再生のために、ナノスケールのハイドロキシアパタイトの使用（NHA）に対する関心が高まっています。骨や歯のエナメル質で見つかった鉱物は、カルシウム欠損、多置換、ナノスケールハイドロキシアパタイトです。生物学的NHA血小板の大きさの推定値は、未成熟骨2に記載し、さらに小さい構造で、50ナノメートル×30ナノメートル×2 nmの1の大きさを報告しています。対照的に、歯のエナメル質中の鉱物は、長さおよび幅3、4の両方における骨組織中に見られるよりも10から100倍大きいです。合成NHA我々はパフォーマンスの向上と医療技術に天然素材の特性に関する観測を翻訳しようとしているとして、より良いバイオインスパイアードと呼ばれるのではなく、生体模倣かもしれません。自然の鉱物5を発生するバイオインスパイアードNHAは、その類似性のために骨や歯の組織再生用途にも有利であることが示唆されてきました。
水6、スプレードライ7ゾルゲル8技術を含むNHAを調製することが報告されている種々の方法があります。これらのうち、湿式沈殿法は、NHAを製造するための比較的簡便な方法と考えられています。カルシウムとリンの化学的前駆体9、10、11を混合する際公開NHA湿式沈殿法は、一般に、滴定工程を含みますREF "> 12、13、14。しかし、これらのアプローチは、高価な機器を必要といくつかのケースで組み合わせ長くかつ複雑なプロセスを含む多くの欠点に関連している。商業生産は、特許がために洗練された反応器を説明すると、さらに複雑であってもよいですこれにもかかわらず、高品質の医療グレードNHA 15の製造は、水酸化カルシウムとリン酸との中和反応による副生成物の有害な化学物質が不足することが有利です。
処理条件とNHA製品の形態との間の関係は、低速滴定反応のために報告されています。具体的には、水酸化カルシウムとリン酸を含む力価測定方法のため、高温、低アスペクト比13を有する粒子の製造に有利に見えました。この作品は世代によってかなり拡張されましたタイルら。方法の広い範囲からNHA製品の品質に及ぼす温度及び他の処理条件との関係を実証した16。彼はプラカーシュ13の湿式化学沈殿法は、最高品質の製品を作ったと結論付けたが、結果が技術的に困難と低速/混合プロセスに依存していたことに留意すべきです。元プラカシュ滴定ステップは1時間以上かかります。しかし、より長い滴定時間が大きいバッチを調製するためには必要とされ得ます。
温度を含むいくつかの要因の影響は、現在の複雑さの低減をほとんど注意が向けられており、広く研究および滴定に基づく方法を実行するのに必要な時間に関連してきたが、要約します。本研究の目的は、バイオインスパイアードNHAの製造に急速なミックスアプローチを適用する効果を調査することであった、と完全にcharacteri得られる材料をZE。成功した場合、簡素化、迅速なミックスアプローチは、製造コストが大幅に品質を損なうことなく低減することができた同様の実験室の研究者と産業界にとって大きなメリットを持っているでしょう。
Protocol
バイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトの急速な混合製剤の1模式図を図。リン酸溶液は、水酸化カルシウムの懸濁液に注ぎました。懸濁液を一晩沈降後、NHAは60〜80℃で乾燥される前に、脱イオン水で洗浄しました。 NHAは次にNHA物の熱安定性を調べるためにメノウ乳鉢と乳棒と焼結で粉砕しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
ナノスケールハイドロキシアパタイトの1.迅速なミックス生産
- カルシウムとリンの溶液の調製は、1.67のモル比をリンにカルシウムを使用してナノスケールのヒドロキシアパタイトを5gを調製しました。
- に水酸化カルシウムの3.705グラムを追加します。500mLの脱イオン水を400rpmで1時間磁気撹拌プレート上で撹拌します。
- 別のビーカーに、250mLの脱イオン水中のリン酸（85％）の3.459グラム溶解します。
- 約100ミリリットル/秒の速度で撹拌しながら水酸化カルシウム懸濁液にリン溶液を注ぎます。パラフィルム（ビーミス、USA）を入れたビーカーをカバーしています。
- 400rpmで1時間攪拌し、懸濁液を残します。
- スターラープレートからビーカーを取り、一晩を解決するために残します。
- 上清を捨てると500mLの脱イオン水を添加し、400rpmで1分間攪拌することにより、懸濁液を洗います。各洗浄の間の2時間で、合計でこのステップを3回繰り返します。
- 一晩の決済にNHAのサスペンションを残します。
- 透明な上清を捨て、オーブン60〜80℃に設定し、乾燥に定住NHAサスペンションを配置します。
- 乾燥したとき、メノウ乳鉢と乳棒に乾燥NHAを配置し、罰金まで挽きます。
- プロの2.5グラムを置き10℃/分のランプ速度を用いて、2時間、1000℃のアルミナ坩堝と焼結粉末生さNHA粉末。熱処理後、炉内で冷却するNHAを残します。
- 真空デシケーター内の粉末を保管してください。
ナノスケールハイドロキシアパタイトの2キャラクタリゼーション
- 伝送モードの回折計を用いてX線回折（XRD）
- アセテートフィルム上にポリビニルアルコール（PVA）少量の接着剤（ すなわち未満200μL）を配置し、NHAの少量の粉末（ すなわち 100mg未満）と混合。
- 乾燥するまでホットエアガンで扱います。
- 試料ホルダーに試料をマウントし、CuのKα放射線を透過モードX線回折装置上にロードします。
- 10-70°の2θの範囲で、40キロボルトおよび35ミリアンペアの回折計の設定を使用します。
- 得られたXRDパターンを分析します。
- 相同定のために、次のXRDのカードを使用します。：ハイドロキシアパタイト：9から432。 04-014-2292：リン酸三カルシウムをβ。
- 透過型電子顕微鏡（TEM）
- ビジューに少量の粉末（ すなわち 10mg未満）を配置し、約3 mLのエタノールを追加します。
- 15超音波処理サンプル - 均質な懸濁液になるまで30分が観察されます。
- 炭素膜と400メッシュの銅グリッド上に（1 mLを超える、すなわち以下）溶液を少量をピペットし、乾燥させます。
- 加速電圧80kVで画像サンプル。
- 材料とシェフィールド・ハラム大学工学研究所（MERI）による蛍光X線（XRF）サービス
- 四ホウ酸リチウムの8グラムと0.8グラムNHA粉末を兼ね備えています。
- 1200℃に設定炉を用いて白金 - 金合金るつぼ中混合物を溶かします。
- の元素組成を決定するために、XRF分光計で得られた試料を分析サンプル。
- 減衰全反射モード（FTIR-ATR）赤外分光法、フーリエ変換
- 4000から64のバックグラウンドスキャンを実行します- 500センチメートル-1の4cm -1の分解能で。
- 全反射減衰モードアダプタでダイヤモンドの上にNHAの少量の粉末（ すなわち 100mg未満）を配置し、スクリュートップを用いたダイヤモンドの表面に圧縮します。
- 4000から32のスキャンを実行します- 500センチメートル-1分解能4cmで-1サンプルスキャンから差し引かバックグラウンドスキャンと。
Representative Results
XRDパターン（ 図2）は、比較的小さな結晶サイズおよび/または非晶質の性質を示し、幅広いピークを有する純粋なHA相の析出が認められました。高温焼結した後、βリン酸三カルシウム（β-TCP）は、HAの主相と一緒に、検出されました。回折ピークの鮮鋭化、半値全幅、 すなわち減少は、焼結後の結晶サイズの増加を示しました。
製品の図2結晶相解析。 X線回折（XRD）2時間1000℃で焼結未焼成ナノヒドロキシアパタイト（NHA）粉末とNHA粉末パターン。ピークラベル：▼ハイドロキシアパタイトのピーク、βリン酸三カルシウムのピークを■。ge.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
FTIR-ATRスペクトル（ 図3）は、特性ホスフェートとヒドロキシルバンド17,18によってHA相の形成を確認しました。次のように詳細にはバンドが割り当てた：3750センチメートル-1（OH - OHνストレッチを）。 1086および1022センチメートル-1（PO 4 3-ν3）。 962センチメートル-1（PO 4 3-ν1）。 630センチメートル-1（OH -秤動δOH）; 600と570センチメートル-1（PO 4 3-ν4）。次のように未焼結のサンプルでは、追加のピークを割り当てた：3400センチメートル-1（吸収された水の分子）を中心としたブロードなピークを。 1455および1410センチメートル-1（CO 3 2-ν3）。 880センチメートル
図3.製品の赤外線スペクトル。フーリエ変換は、2時間1000℃で焼結未焼成ナノヒドロキシアパタイト（NHA）粉末とNHA粉末の減衰全反射モード（FTIR-ATR）スペクトル、赤外線変換します。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
TEM画像（ 図4）は、ナノスケール粒子のウィットの形成を示しました50nmの時間おおよその寸法を30nmによります。粒子は、約1.7の低アスペクト比（粒子長/粒子幅）を有していました。ナノスケール製品のサイズおよび形状は、生物学的アパタイト1と同様の寸法でした。
図4.製品のナノスケール形態。ナノヒドロキシアパタイト（NHA）の透過電子顕微鏡写真（TEM）は、2つの倍率での迅速な混合方法を用いて調製しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
XRF（ 表1）によってNHA粉末の定量化学分析は、カルシウムを許可：化学量論的HA whicより僅かに低い1.63のように計算されるリン比1.67のリン比：hは、カルシウムを持っています。 XRFも記録、他の要素の微量のみでNHA製品の高純度を示しました。
| 化合物 | 重量％ |
| CaO | 51.52 |
| P 2 O 5 | 39.89 |
| 酸化マグネシウム | 0.46 |
| Na 2 Oを | 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 |
製品の EEP-together.withinページ= "1"> 表1定量化学分析。未焼結NHA粉末のX線蛍光（XRF）の結果は、重量で> 99％の純度を示しました。
Discussion
天然アパタイトは、Ca 10-XYのおおよその化学式[（HPO 4）（PO 4）] 6-X（CO 3）、Y（OH）2-xの非化学量論的な炭酸ヒドロキシアパタイトのナノスケールの粒子から構成されています。近い化学類似性を有する生体材料の製造は、天然に存在する鉱物は、最適な生物学的応答を促進することが報告されていることができます。例えば、生体模倣カルシウム欠損炭酸NHAの研究は、従来NHA 19よりも大きな程度に増殖し、マウスの前骨芽細胞のアルカリホスファターゼ活性を刺激することが可能であることを示しています。
本研究では、1000℃（ 図2）で部分的熱分解を示したHAの沈殿は、カルシウム欠損HAの形成を示唆しました。 T（XRFデータを用いて得られたP比（1.63）：これは、化学量論のCaよりも低くすることによってサポートされていましたできる1）。 P比が低い熱安定性20、21、22、23に関連している：CA減少することが理解されます。この方法では、リン酸溶液の急速な添加は、急速HPO 4イオンを生成するために、反応懸濁液のpHを低下させました。 HPO 4基の存在は分子式で、カルシウム欠損HAの沈殿を促進：のCa 10-x（HPO 4）x（PO 4）6-x（OH）2-x、0 <X <1。
リン酸の急速な添加は、したがって、反応の析出速度に顕著な効果を持っていました。前述のように、室温で行っ水酸化カルシウムおよびリン酸を含む滴定反応は、高アスペクト比13を有する粒子を生成する傾向がありました。 titratioのためnはこれらの反応物を含む反応は、生物学的アパタイト13に類似している低いアスペクト比を有する粒子を製造するために高温を使用する必要がありました。結晶核生成速度が結晶成長速度24よりも遅い場合、高アスペクト比の粒子が生成されます。本研究で開発した新しい方法では、リン酸溶液の迅速な添加は、より大きなアスペクト比を有する少数の粒子とは対照的に、小さな丸い粒子の存在の増加をもたらした核形成部位の多くを提供していることができます。著者らは、完全にゆっくりと一貫した結果を得るために、水酸化カルシウムの懸濁液に、リン酸を注入の効果を調査していないとして、我々はリン酸は、ビデオ（約100ミリリットル/に示したものに相応の速度で注入されることをお勧めします秒）。
この方法の開発中に、作者のINVPrakashさんらに基づいてNHA調製法への増分変更の数をestigated。遅い滴定およびリン酸溶液25を迅速に添加して製造された製品の比較を含めて13。これは、水酸化カルシウムの懸濁液に、リン酸のゆっくり滴定は水酸化カルシウム残基と生成物が得られたことが分かりました。私たちは、リン酸の急速な添加によるpH変化が水酸化カルシウムの溶解を奨励し、したがって、ハイドロキシアパタイトへの反応物の変換が成功するために許可されていることを提案します。製品の比較は、室温及び高温（60℃）で急速な混合方法を用いて調製し、反応が完了した後、高温で高い導電性をもたらしたことを見出しました。この残留水酸化カルシウムはで水酸化カルシウムの低い溶解度に起因する可能性があった存在であることを示唆しました温度の上昇。この化合物の基本的な性質は、生体適合性を損なう可能性があるので、残留水酸化カルシウムが存在することは望ましくありませんでした。
FTIRは、HA（ 図3）に関連した特徴的なリン酸と水酸基の活性が検出されました。これは、焼結体のためのスペクトルがシャープリン酸と水酸基のピークを示したことが注目されました。これらの変更は、より大きな製品の結晶化度26、炭酸イオンがリン酸基を置換しているB型炭酸置換のための証拠を提供27【選択未焼成のスペクトルと関連しています。これは炭酸イオンがヒドロキシル基17を置換することができるタイプの置換とは対照的です。 B型カーボネート置換が、生物学的アパタイト3で発生することが報告されています。しかし、Tampieri ら。一方B型の置換がpredominたことを報告しましたアリは若い骨の中に、型炭酸置換が高齢者28の骨でますます存在していました。カーボネート置換は、その溶解度を増加させる一方NHAの結晶性および熱安定性を低下させることが見出されています。これらの変更は、カーボネート置換HA 29の増加生物活性に寄与することが提案されています。生物学的なHAはまた、マグネシウム、ナトリウム、ストロンチウム30などのXRF分析（ 表1）に記録された他の要素のいくつかを含むことが知られています。これらの元素の存在はまた、生物学的効力の増加に寄与し得ます。今後の課題は、銀がドープされたNHA 31として増加した生物機能性にも製品をこれらのナノスケールの置換アパタイトの準備に向けて、する必要があります。置換NHAを調製するために、要素はsubstitutように意図要素の対応する減少に導入することができます電子、 例えばストロンチウム、マグネシウムまたは亜鉛置換が32試みられるカルシウム化合物の量の減少。代替的に、別のアプローチは、必ずしも、HAの結晶格子31への要素を置換することを意図することなく、NHAの表面上に存在する「ドープされた」イオンを提供する目的で構成要素を追加することができます。方法のこれらの変更のためには、水酸化カルシウムと硝酸銀などの混合溶液を調製するために、ここで説明したのと同じ方法で反応を行うことができます。
結論として、本論文では、バイオインスパイアードNHAの調製のための新規の迅速かつ実質的に改良された方法を報告します。この方法では、化学物質の迅速な混合は、反応は通常、注意深い監視の時間を必要とする滴定に比べて時間の著しい減少である5秒未満かかります。これは、biomatで使用するための大きな可能性を秘めていますerial開発、その相対的な単純性と固有の長い研究開発時間の現在の商用システムの結果の複雑さ、および実質的に製造コストが増大し、現在使用される工業NHAの製造方法に比べて低コストです。具体的には、この新しい方法は、連続フロープロセスまたは有意に低い起動設備投資の要件による熱水技術に優れています。
Disclosures
著者らは、開示することは何もありません。
Acknowledgments
この作品は、Ceramisys（株）と共同でEPSRCのCASEの学生の身分によってサポートされていましたし、また医療機器[認可番号EP / K029592 / 1]で革新的なものづくりのためMEDEイノベーション、EPSRCセンターに関連付けられています。著者らはまた、XRF分析のためにシェフィールド・ハラム大学のロバート・バートンに感謝したいと思います。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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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