הכנה מהירה מיקס של Bioinspired ננומטריים Hydroxyapatite עבור יישומים ביו-רפואיים
23 בפברואר 2017
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.
המטרה הכללית של הליך זה היא להכין באופן מהיר, אמין ונוח ננו-חלקיקי הידרוקסיאפטיט בהשראה ביולוגית באיכות גבוהה. שיטה זו משמשת להכנת הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה, חומר בעל עניין מדעי ומסחרי רב עבור חוקרים המפתחים מכשירים רפואיים חדשניים וטכנולוגיות בריאות נלוות, ובמיוחד עבור יישומים קליניים.
היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא נוחה הרבה יותר מתגובות תיטור מסורתיות, והיא שומרת על הגמישות והשחזוריות של שיטות שפורסמו בעבר. כדי להתחיל בהליך, הוסיפו 3.705 grams של calcium hydroxide ל-500 milliliters של מים דה-יונזים.
הידרוקסיד ל-500 מיליליטר של מים דה-יוניים. לאחר מכן, שלבו 3.459 גרם של חומצה זריחית מימית בריכוז 85% לפי משקל, עם 250 מיליליטר של מים דה-יוניים. שפכו את תמיסת הזריחון אל תוך תמיסת סידן הידרוקסיד תוך כדי ערבוב בקצב של כ-100 מיליליטר לשנייה.
בעת הכנת הריאגנטים, חשוב למדוד את סידן ההידרוקסיד וחומצה זריחית בדיוק מרבי כדי להשיג תוצאות אופטימליות. זאת על מנת להגיע ליחס מולרי התחלתי של סידן לזרחן הקרוב ככל האפשר ל-1.67. כסו את התערובת בנייר סלופן למעבדה.
ערבבו את התערובת למשך שעה אחת ב-400 rpm ולאחר מכן הניחו לתערובת ה-nHA לשקוע למשך הלילה, כדי לקבל כחמישה גרמים של הידרוקסיאפטיט ננו-סקאלי. לאחר מכן, שפכו את הנוזל העליון.
הוסיפו 500 milliliters של מים דה-יוניים. ערבבו את תערובת ה-nHA למשך דקה אחת במהירות של 400 rpm. והניחו לתערובת לשקוע במשך שעתיים.
חזור על תהליך שטיפה זה במרווחי זמן של שעתיים, שלוש פעמים בסך הכל. אפשר לתסמין ה-nHA השטוף לשקוע במהלך הלילה. לאחר מכן, שפך את הנוזל העליון (supernatant), ויבש את התסמין בטמפרטורה של 60 עד 80 °C.
לאחר שחומר ה-nHA התייבש, גרסו את ה-nHA לאבקה דקה באמצעות מכתש ועלי עבור אגט. העבירו 2.5 גרמים של אבקת ה-nHA הגרוסה לכור ההרחבה מאלומינה. שמרו את שאר האבקה לצורך אפיון מאוחר יותר.
בצעו סינטור לאבקת ה-nHA בטמפרטורה של 1000 °C למשך שעתיים, בקצב עלייה של 10 °C לדקה. לאחר הסינטור, אפשרו ל-nHA להצטנן בתוך התנור. אחסנו את אבקות ה-nHA שהוכנו במייבש ואקום (vacuum desiccator) לצורך אפיון ושימוש בהמשך.
אפיינו את האבקות הסינטריות והבלתי סינטריות באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן, TEM, פלואורסצנציית קרני רנטגן ו-FTIR. באמצעות שיטה זו, הוכנה ואופיינה הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה. מיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת הראתה כי ממדי החלקיקים הם כ-50 ננומטר על 30 ננומטר.
עם יחס רדיוס של 1.7. עקיפת קרני X הראתה פאזה טהורה של hydroxyapatite עם שיאים רחבים, המעידים על גודל קריסטליט קטן או על אופי אמורפי. לאחר סינטור, זוהתה נוכחות של Beta-Tricalcium Phosphate, המעידה על פירוק תרמי חלקי.
הפיקים של האבקה הסינטרית היו חדים יותר מאלו של הדגימה שאינה סינטרית, מה שמעיד על עלייה בגודל הגביש במהלך הסינטירה. היווצרות של פאזת ההידרוקסיאפטיט אושרה באמצעות FTIR ATR. פסי בליעה של מים ופחמתיים נצפו גם באבקה שאינה סינטרית.
לאחר הסינטור, פסי הפוספט וההידרוקסיל נראים חדים יותר בגרף הבליעה, מה שמעיד על גבישיות גבוהה יותר. ניתוח כימי כמותי בוצע באמצעות פלואורסצנציית קרני רנטגן. תוצר ה-nHA היה טהור מאוד, והראה רק כמויות מזעריות של יסודות אחרים.
היחס המולרי של סידן לזרחן נקבע כ-1.63, מה שמהווה ערך נמוך במעט מהסטוכיומטריה. נתון זה, בשילוב עם העדות לפירוק תרמי מנתוני עקיפות קרני X, מרמז כי שיטה זו מייצרת סוג של הידרוקסיאפטיט דל בסידן. לאחר שתהליך זה פותח ועבר אופטימיזציה, הוא שימש במגוון רחב של פרויקטים שעסקו בייצור של ביו-חומרים חדשניים.
לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה של אופן יישום השיטה שלנו לייצור מהיר של הידרוקסיאפטיט ננו-ממדי בהשראת ביולוגית במעבדתכם. שיטה חדשה זו מהווה שיפור משמעותי, הן מבחינת המהירות והן מבחינת הפשטות היחסית, לייצור של הידרוקסיאפטיט ננו-ממדי. אנו צופים כי עבודה זו תאומץ על ידי התעשייה לייצור הידרוקסיאפטיט ננו-ממדי בדרג רפואי ובהשראת ביולוגית עבור מגוון יישומים ברפואה, ברפואת שיניים ובבריאות הצרכן.
סקירה כללית
מאמר זה מתאר שיטה חדשנית לייצור מהיר של הידרוקסיאפטיט ננו-ממדי באיכות גבוהה בהשראת הביולוגיה. ביו-מטריאל זה הוא בעל חשיבות עבור מכשירים רפואיים חדשניים באורתופדיה, בניתוחים קריניו-פציאליים ובקדשנות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- הנדסה ביו-רפואית
- מדע החומרים
- ביו-חומרים
רקע
- הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה מעורר עניין מדעי ומסחרי רב.
- שיטות מסורתיות לייצורו עלולות להיות מסורבלות.
- קיימת צורך בטכניקות ייצור יעילות יותר.
- מחקר זה שואף לתת מענה לאתגרים אלו.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה מהירה ואמינה לייצור הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה.
- שיפור הנוחות והשחזוריות של תהליך הייצור.
- הקלת השימוש בביומטריאל זה ביישומים קליניים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת תמיסות של סידן הידרוקסיד וחומצה זריחית.
- ערבוב ובדיקה של התמיסות כדי להגיע ליחסי מולריות רצויים.
- תהליכי שטיפה וייבוש לקבלת הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה.
- אפיון באמצעות טכניקות כגון עקיפת קרני X ו-TEM.
תוצאות עיקריות
- חלקיקי הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה אופיינו עם ממדים של כ-50 nm.
- השיטה הניבה מין של הידרוקסיאפטיט עם חסר בסידן.
- האפיון אישש את טוהר המוצר ואת הגבישיות שלו.
- השיטה החדשה מהירה ופשוטה יותר מגישות מסורתיות.
מסקנות
- שיטה זו מהווה שיפור משמעותי בייצור הידרוקסיאפטיט.
- היא צפויה להיות מאומצת עבור יישומים בדרגה רפואית.
- ניתן להשתמש בגישה זו בטכנולוגיות שונות של שירותי בריאות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הכנה מהירה של הידרוקסיאפטיט בננו-קנה מידה בהשראה ביולוגית פותרת צוואר בקבוק מרכזי בייצור חומרים ביומטריים לפיתוח מכשירים רפואיים. השיטה מאפשרת ייצור הדיר של ננו-חלקיקים דלילי סידן עם תחליפי פחמתיים המדמים באופן הדוק אפטיט ביולוגי, ובכך תומכת בביטחון חיזוי לגבי הפוטנציאל האוסטאואינדוקטיבי. הדבר ממצב טכניקה זו כתהליך מקדימה (upstream) בר-הגדלה להערכה פרה-קלינית של טיפולים לregenerציה של עצם וחומרים ביומטריים דנטליים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של סטוכיומטריה של הידרוקסיאפטיט והשפעות כימיית הפני השטח על התגובה התאית במודלים של רקמת עצם.
- ערך תפעולי: מספק נתיב סינתזה סטנדרטי ומהיר המפחית שונות בסינון של חומרים ביומטריים בשלבים מוקדמים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מספקת ממדי ננו-חלקיקים עקביים (50 x 30 nm) וטוהר פאזה עבור סטנדרטיזציה אמינה של בדיקות in vitro.
- ערך תפעולי: מבטלת שלבי טיטרציה ממושכים, ובכך מגבירה את התפוקה של מחקרים על אינטראקציה בין תרכובות לחומרי ביו-מטריאל.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: אופי דל הסידן (Ca:P 1.63) והחלפת קרבונט משקפים אפטיט ביולוגי, מה שמגביר את הרלוונטיות במודלים של פגמים בבעלי חיים.
- ערך תפעולי: נתוני יציבות של המוצר הסינטרי תומכים בשיקולי עיבוד תרמי עבור תהליכי ייצור של שתלים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי אספקת קלט של חומר ביולוגי הניתן לכוונון עבור מחקרים מונחי-היפותזה על אינטגרציה ופירוק של עצם.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך במחקרים מכניסטיים של הפעלת אוסטאובלסטים ותיסום אוסטאוקלסטים המתווכים על ידי הידרוקסיאפטיט.
- סריקה: מאפשר הכנה הדירה של תרחיפי ננו-חלקיקים עבור בדיקות ציטוטוקסיות וספיחת חלבונים.
- אנליטיקה: תוצרים מ-XRD, FTIR ו-XRF מספקים מדדי פאזה, סטוכיומטריה וטוהר כמותיים לצורך קבלת החלטות של go/no-go.
- מחקר תרגומי: מורפולוגיה והרכב בהשראת הביולוגיה מקלים על ההמתנה לתוצאות היסטולוגיות במחקרי ריפוי עצם פרה-קליניים.
- שימוש חוזר ארגוני: פרוטוקול ערבוב פשוט מאפשר העברת טכנולוגיה בין אתרי מו"פ ללא צורך בציוד מיוחד.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי באמצעות הרכב ביומימטי המפחית תוצאות שגויות שליליות בסריקת פעילות אוסטאוגנית.
- ערך תפעולי: שחזוריות גבוהה ותפוקה גבוהה (~5 g/batch) הממזערות כישלונות של סדרות בייצור הסמוך לתקני GMP.
- ערך אסטרטגי: מאיץ את זיהוי הביומטריאלים המבטיחים על ידי קיצור זמן מחזור הסינתזה מימים לשעות.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכון של מועמדים מבוססי hydroxyapatite בהתבסס על יחס Ca:P וקריסטליות הניתנים לכוונון.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בשקיעה אנאורגנית וטיפול בקולואידים.
- נדרשים כלי זכוכית סטנדרטיים למעבדה, מערבל מגנטי ותנור ייבוש (60–80 °C).
- סטנדרטיזציה בין צוותים נשענת על בקרה מדויקת של היחס המולרי במהלך הכנת הריאגנטים.
- התאמה לביו-קרמיקות אחרות עשויה לדרוש סריקה של זוגות חומצה-בסיס.
- אגרגציה של חלקיקים לאחר הייבוש מחייבת פרוטוקולי פיזור לצורך מחקרי אינטראקציה ננו-ביולוגית.
