Artykuł metodologiczny

Szybkie przygotowanie mieszanki inspirowanego biologicznie nanoskalowego hydroksyapatytu do zastosowań biomedycznych

22.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55343

⸱

23 lutego 2017

 ,  ,  , 
1Bioengineering and Healthcare Technologies, School of Clinical Dentistry, University of Sheffield

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje nowatorską metodę szybkiej produkcji wysokiej jakości nanoskalowego hydroksyapatytu inspirowanego biologicznie. Biomateriał ten ma ogromne znaczenie w produkcji szerokiej gamy innowacyjnych wyrobów medycznych do zastosowań klinicznych w ortopedii, chirurgii twarzoczaszki i stomatologii.

Streszczenie

Hydroksyapatyt (HA) jest szeroko stosowany jako ceramika medyczna ze względu na jego dobrą biokompatybilność i osteoprzewodnictwo. Ostatnio pojawiło się zainteresowanie zastosowaniem bioinspirowanego nanoskalowego hydroksyapatytu (nHA). Wiadomo jednak, że biologiczny apatyt ma niedobór wapnia i jest podstawiony węglanem o nanoskalowej morfologii przypominającej płytki krwi. Bioinspired nHA ma potencjał stymulowania optymalnej regeneracji tkanki kostnej ze względu na swoje podobieństwo do minerału szkliwa kości i zębów. Wiele metod stosowanych obecnie do wytwarzania nHA, zarówno w laboratorium, jak i komercyjnie, obejmuje długotrwałe procesy i skomplikowany sprzęt. W związku z tym celem niniejszego badania było opracowanie szybkiej i niezawodnej metody otrzymywania wysokiej jakości nHA inspirowanego biologicznie. Opracowana metoda szybkiego mieszania opierała się na reakcji kwasowo-zasadowej z udziałem wodorotlenku wapnia i kwasu fosforowego. Krótko mówiąc, roztwór kwasu fosforowego wlano do roztworu wodorotlenku wapnia, a następnie etapy mieszania, mycia i suszenia. Część partii spiekano w temperaturze 1 000 °C przez 2 godziny w celu zbadania stabilności produktów w wysokich temperaturach. Analiza dyfrakcji rentgenowskiej wykazała pomyślne tworzenie się HA, który wykazał rozkład termiczny do β-tricalcium fosforanu po obróbce w wysokiej temperaturze, co jest typowe dla HA z niedoborem wapnia. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera wykazała obecność grup węglanowych w wytrąconym produkcie. Cząstki nHA miały niski współczynnik kształtu o przybliżonych wymiarach 50 x 30 nm, zbliżonych do wymiarów biologicznego apatytu. Materiał był również ubogi w wapń ze stosunkiem molowym Ca:P wynoszącym 1,63, który podobnie jak apatyt biologiczny jest niższy niż stechiometryczny stosunek HA wynoszący 1,67. Ta nowa metoda jest zatem niezawodnym i znacznie wygodniejszym procesem wytwarzania nHA inspirowanego biologicznie, eliminując potrzebę długotrwałych miareczkowania i skomplikowanego sprzętu. Powstały w ten sposób bioinspirowany produkt HA nadaje się do stosowania w szerokiej gamie zastosowań medycznych i zdrowotnych.

Wprowadzenie

Istnieje duże kliniczne zapotrzebowanie na zaawansowane biomateriały o zwiększonej funkcjonalności w celu poprawy jakości życia pacjentów i zmniejszenia obciążenia opieki zdrowotnej w globalnym starzejącym się społeczeństwie. Hydroksyapatyt jest od wielu lat szeroko stosowany w zastosowaniach medycznych ze względu na dobrą biokompatybilność. W ostatnim czasie wzrosło zainteresowanie zastosowaniem hydroksyapatytu (nHA) w nanoskali, szczególnie do regeneracji zmineralizowanych tkanek w medycynie i stomatologii. Minerał znajdujący się w szkliwie kości i zębów to hydroksyapatyt z niedoborem wapnia, wielokrotnie podstawiony, w nanoskali. Szacunki dotyczące wielkości biologicznych płytek krwi nHA podają wymiary 50 nm x 30 nm x 2 nm1, z jeszcze mniejszymi strukturami opisanymi w niedojrzałych bone2. Natomiast minerał w szkliwie zębów jest od 10 do 100 razy większy niż ten znajdujący się w tkance kostnej zarówno pod względem długości, jak i szerokości3,4. Syntetyczne nHA można lepiej określić mianem inspirowanego biologicznie, a nie biomimetycznego, ponieważ staramy się przełożyć obserwacje dotyczące właściwości materiałów naturalnych na technologie medyczne o lepszej wydajności. Sugeruje się, że inspirowane biologicznie nHA może być bardziej korzystne w zastosowaniach związanych z regeneracją kości i tkanek zębów ze względu na jego podobieństwo do naturalnie występujących minerałów5.

Istnieją różne metody przygotowania nHA, w tym techniki hydrotermalne6, spray-dry7 i sol-gel8 technik. Spośród nich metoda wytrącania na mokro jest uważana za stosunkowo wygodną metodę produkcji nHA. Opublikowane metody mokrego wytrącania nHA zazwyczaj obejmują etap miareczkowania podczas mieszania chemicznych prekursorów wapnia i fosforu9,10,11,12,13,14. Podejścia te wiążą się jednak z wieloma wadami, w tym długimi i złożonymi procesami, w połączeniu w niektórych przypadkach z koniecznością posiadania drogiego sprzętu. Produkcja komercyjna może być jeszcze bardziej złożona, z patentami opisującymi wyrafinowane reaktory do produkcji wysokiej jakości klasy medycznej nHA15. Mimo to reakcja neutralizacji między wodorotlenkiem wapnia a kwasem fosforowym jest korzystna ze względu na brak szkodliwych chemicznych produktów ubocznych.

Związek między warunkami przetwarzania a morfologią produktu nHA został zgłoszony dla powolnych reakcji miareczkowania. W szczególności, w przypadku metod miareczkowania obejmujących wodorotlenek wapnia i kwas fosforowy, podwyższona temperatura wydawała się sprzyjać przygotowaniu cząstek o niskim współczynniku kształtu13. Praca ta została znacznie rozszerzona przez Gentile i wsp.16, który wykazał zależność między temperaturą a innymi warunkami przetwarzania na jakość produktów nHA za pomocą wielu różnych metod. Doszedł do wniosku, że metoda mokrego chemicznego wytrącania Prakash13 pozwala uzyskać produkty najwyższej jakości, ale należy zauważyć, że wyniki zależą od technicznie trudnych i powolnych procesów mieszania. Pierwotny etap miareczkowania Prakasha trwa ponad godzinę. Jednak w przypadku przygotowania większych partii może być wymagane dłuższe czasy miareczkowania.

Podsumowując, podczas gdy wpływ kilku czynników, w tym temperatury, został już szeroko zbadany, prawie nie zwrócono uwagi na zmniejszenie złożoności i związanego z tym czasu potrzebnego do wykonania metod opartych na miareczkowaniu. Celem tego badania było zatem zbadanie efektów zastosowania podejścia opartego na szybkim mieszaniu do wytwarzania bioinspirowanego nHA oraz pełne scharakteryzowanie otrzymanych materiałów. Jeśli to się powiedzie, uproszczone podejście oparte na szybkim mieszaniu przyniesie ogromne korzyści zarówno badaczom laboratoryjnym, jak i przemysłowi, w którym koszty produkcji można by znacznie obniżyć bez uszczerbku dla jakości.

Protokół

Schemat syntezy nanohydroksyapatytu; mieszanie magnetyczne, spiekanie; etapy przetwarzania chemicznego.
Rysunek 1. Schemat szybkiego przygotowania bioinspirowanego nanohydroksyapatytu metodą mieszania. Roztwór kwasu fosforowego wlano do zawiesiny wodorotlenku wapnia. Po odstawieniu zawiesiny na noc nHA przemyto wodą dejonizowaną, a następnie wysuszono w temperaturze od 60 do 80°C. Następnie nHA zmielono w moździerzu i tłuczku agatowym oraz poddano spiekaniu w celu zbadania stabilności termicznej produktu nHA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

1. Szybka produkcja nanostrukturalnego hydroksyapatytu metodą mieszania

  1. Przygotowanie roztworów wapnia i fosforu w celu otrzymania 5 g nanohydroksyapatytu przy stosunku molowym wapnia do fosforu wynoszącym 1,67.
    1. Dodać 3,705 g wodorotlenku wapnia do 500 mL wody dejonizowanej i mieszać na mieszadle magnetycznym przez 1 h przy 400 rpm.
    2. W osobnym zlewce rozpuścić 3,459 g kwasu fosforowego (85%) w 250 mL wody dejonizowanej.
  2. Wlać roztwór fosforu do mieszanej zawiesiny wodorotlenku wapnia z prędkością około 100 mL/s. Przykryć zlewkę folią Parafilm (Bemis, USA).
  3. Pozostawić zawiesinę do mieszania przez 1 h przy 400 rpm.
  4. Zdjąć zlewkę z mieszadła i pozostawić do osadzenia przez noc.
  5. Przemyć zawiesinę poprzez odlanie nadsączu, dodanie 500 mL wody dejonizowanej i mieszanie przez 1 min przy 400 rpm. Powtórzyć ten krok łącznie trzy razy, zachowując 2 h odstępu między każdym przemyciem.
  6. Pozostawić zawiesinę nHA do osadzenia przez noc.
  7. Odlać klarowny nadsącz i umieścić osadzoną zawiesinę nHA w suszarce ustawionej na 60 do 80 °C.
  8. Po wysuszeniu umieścić wysuszony nHA w agatowym moździerzu z tłuczkiem i ucierać do uzyskania drobnego proszku.
  9. Umieścić 2,5 g otrzymanego proszku nHA w tyglu aluminiowym i spiekć proszek w temperaturze 1 000 °C przez 2 h przy szybkości nagrzewania 10 °C/min. Po obróbce termicznej pozostawić nHA do ostygnięcia w piecu.
  10. Przechowywać proszki w eksykatorze próżniowym.

2. Charakterystyka nanostrukturalnego hydroksyapatytu

  1. Dyfrakcja rentgenowska (XRD) z wykorzystaniem dyfraktometrów w trybie transmisyjnym
    1. Nanieś niewielką ilość (t.j. mniej niż 200 µL) kleju z alkoholu poliwinylowego (PVA) na folii octanowej i wymieszać z niewielką ilością (t. j. mniej niż 100 mg) proszku nHA.
    2. Suszyć za pomocą opalarki do całkowitego wyschnięcia.
    3. Zamocuj próbkę w uchwycie i umieść ją w dyfraktometrze rentgenowskim w trybie transmisji z anodą Cu Kα promieniowanie
    4. Ustawić dyfraktometr na 40 kV i 35 mA, w zakresie 2θ od 10-70°.
    5. Przeanalizuj otrzymane dyfraktogramy XRD.
    6. Do identyfikacji faz należy wykorzystać następujące karty XRD: hydroksyapatyt: 9-432, β-fosforan trójwapniowy: 04-014-2292.
  2. Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM)
    1. Nanieś niewielką ilość proszku (t. j. (mniej niż 10 mg) do probówki typu bijou i dodać około 3 ml etanolu.
    2. Próbkę poddać sonikacji w zakresie od 15 do 30 minut, aż do uzyskania homogennej zawiesiny.
    3. Odmierz pipetą niewielką ilość roztworu (t. j. (mniej niż 1 ml) na miedzianą siatkę o gęstości 400 mesh z warstwą węgla i pozostawić do wyschnięcia.
    4. Obrazuj próbki przy napięciu przyspieszającym 80 kV.
  3. Usługa fluorescencji rentgenowskiej (XRF) świadczona przez Instytut Badań Materiałowych i Inżynieryjnych (Materials and Engineering Research Institute – MERI) na Sheffield Hallam University
    1. Połączyć 0,8 g proszku nHA z 8 g tetraboranu litu.
    2. Stop mieszaninę w tyglu z platynowo-złotego stopu, używając pieca ustawionego na 1,200 °C.
    3. Przeanalizuj otrzymane próbki w spektrometrze XRF w celu określenia składu pierwiastkowego próbek.
  4. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera w trybie całkowitego wewnętrznego odbicia (FTIR-ATR)
    1. Wykonaj 64 skanowania tła w zakresie od 4000 do 500 cm⁻¹-1 z rozdzielczością 4 cm-1.
    2. Nanieść niewielką ilość (t. j. (mniej niż 100 mg) proszku nHA na wierzchołek diamentu w adapterze w trybie osłabionego całkowitego odbicia, a następnie dociśnij go do powierzchni diamentu za pomocą nakrętki śruby.
    3. Wykonaj 32 skany w zakresie 4000–500 cm⁻¹-1 z rozdzielczością 4 cm-1 po odjęciu skanów tła od skanów próbki.

Wyniki

Dyfraktogramy XRD (Rysunek 2) wykazały wytrącenie czystej fazy HA z szerokimi pikiemami, co wskazuje na stosunkowo mały rozmiar krystalitów i/lub charakter amorficzny. Po spiekaniu w wysokiej temperaturze wykryto β-fosforan trójwapniowy (β-TCP) obok głównej fazy HA. Zaostrzenie pików dyfrakcyjnych, t.j. zmniejszenie pełnej szerokości połówkowej (FWHM), wskazało na wzrost rozmiaru krystalitów po spiekaniu.

Wzorzec dyfrakcji rentgenowskiej, spieczony vs niespieczony; piki dyfrakcyjne; analiza materiałowa; wykres.
Rysunek 2. Analiza faz krystalicznych produktów. Wzorce dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) niespieczonego nanokrystalicznego proszku hydroksyapatytu (nHA) oraz proszku nHA spieczonego w temperaturze 1,000 °C przez 2 h. Oznaczenia pików: ▼ piki hydroksyapatytu, ■ piki β-fosforanu trójwapniowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Widma FTIR-ATR (Rysunek 3) potwierdziły powstanie fazy HA poprzez charakterystyczne pasma fosforanowe i hydroksylowe17,18. Szczegółowo pasma przypisano w następujący sposób: 3,750 cm-1 (drgania rozciągające OH- νOH); 1,086 i 1,022 cm-1 (PO43- ν3); 962 cm-1 (PO43- ν1); 630 cm-1 (libracja OH- δOH); 600 i 570 cm-1 (PO43- ν4). W próbce niespieczonej dodatkowe piki przypisano następująco: szeroki pik z centrum około 3,400 cm-1 (zaabsorbowane cząsteczki wody); 1,455 i 1,410 cm-1 (CO32- ν3); 880 cm-1 (CO32- ν2). Zaabsorbowana woda oraz grupy węglanowe zaobserwowane w niespieczonym proszku zostały usunięte podczas wysokotemperaturowego etapu spiekania. Proces spiekania spowodował również zwężenie pasm hydroksylowych i fosforanowych, co objawiło się zwiększeniem odległości od szczytu do doliny piku.

Wykres spektroskopii w podczerwieni, spieczone vs niespieczone; piki absorpcji: OH⁻, PO₄³⁻, CO₃²⁻.
Rysunek 3. Widma podczerwieni produktów. Widma spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera w trybie całkowitego odbicia wewnętrznego (FTIR-ATR) niespieczonego nanoskalowego proszku hydroksyapatytu (nHA) oraz proszku nHA spieczonego w temperaturze 1,000 °C przez 2 h. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Obrazy TEM (Rysunek 4) wykazały powstanie nanocząstek o przybliżonych wymiarach 50 nm na 30 nm. Cząstki miały niski współczynnik kształtu (długość cząstki / szerokość cząstki) wynoszący około 1,7. Rozmiar i kształt produktów nanostrukturalnych były zbliżone do wymiarów apatytu biologicznego1.

Tworzenie nanocząstek, obraz TEM, porównanie rozmiarów przy 200 nm i 100 nm, analiza materiałowa.
Rysunek 4. Morfologia produktu w nanoskali. Mikrografie transmisyjnej elektronowej (TEM) nanohydroksyapatytu (nHA) otrzymanego metodą szybkiego mieszania przy dwóch powiększeniach. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Ilościowa analiza chemiczna proszku nHA metodą XRF (Tabela 1) pozwoliła obliczyć stosunek wapnia do fosforu na poziomie 1,63, co jest wartością nieco niższą niż w przypadku stechiometrycznego HA, który posiada stosunek wapnia do fosforu wynoszący 1,67. Analiza XRF wykazała również wysoką czystość produktu nHA, przy czym odnotowano jedynie śladowe ilości innych pierwiastków.

Związek% wag.
CaO51.52
P2O539.89
MgO0.46
Na2O0.13
Y2O30.07
Al2O30.03
SiO20.03
Mn3O40.03
SrO0.02
TiO20.01

Tabela 1. Ilościowa analiza chemiczna produktu.Wyniki fluorescencji rentgenowskiej (XRF) dla niespieczonego proszku nHA wykazały czystość >99% wagowo.

Dyskusja

Naturalny apatyt składa się z nanoskalowych cząstek niestechiometrycznego węglanowanego hydroksyapatytu o przybliżonym wzorze chemicznym Ca10-x-y[(HPO4)(PO4)]6-x(CO3)y(OH)2-x. Doniesiono, że produkcja biomateriałów o bliskim podobieństwie chemicznym do naturalnie występujących minerałów sprzyja optymalnym reakcjom biologicznym. Na przykład badania nad biomimetycznym gazowanym nHA z niedoborem wapnia wykazały, że jest on w stanie stymulować proliferację i aktywność fosfatazy alkalicznej mysich komórek preosteoblastów w większym stopniu niż konwencjonalne nHA19.

W tym badaniu wytrącanie się kwasu hialuronowego, które wykazało częściowy rozkład termiczny w temperaturze 1000 °C (ryc. 2), sugerowało tworzenie się kwasu hialuronowego z niedoborem wapnia. Potwierdzał to niższy niż stechiometryczny współczynnik Ca:P (1,63) uzyskany za pomocą danych XRF (tab. 1). Przyjmuje się, że obniżony stosunek Ca:P wiąże się z niższą stabilnością termiczną 20,21,22,23. W tej metodzie szybkie dodanie roztworu kwasu fosforowego gwałtownie obniżyło pH zawiesiny reakcyjnej w celu wytworzenia jonówHPO4. Obecność grupHPO4 ułatwiała wytrącanie się HA z niedoborem wapnia, o wzorze cząsteczkowym: Ca10-x(HPO4) x(PO4)6-x(OH)2-x, gdzie 0

Szybkie dodanie kwasu fosforowego miało zatem wyraźny wpływ na kinetykę wytrącania się w reakcji. Jak opisano wcześniej, reakcje miareczkowania z udziałem wodorotlenku wapnia i kwasu fosforowego przeprowadzane w temperaturze pokojowej prowadziły do uzyskania cząstek o wysokim współczynniku kształtu13. W reakcjach miareczkowania z udziałem tych reagentów konieczne było użycie podwyższonej temperatury w celu wytworzenia cząstek o niższym współczynniku kształtu, które są bardziej podobne do biologicznego apatytu13. Cząstki o wysokim współczynniku kształtu są wytwarzane, gdy szybkość zarodkowania kryształów jest wolniejsza niż szybkość wzrostu kryształów24. W przypadku nowej metody opracowanej w tym badaniu, szybkie dodanie roztworu kwasu fosforowego mogło zapewnić większą liczbę miejsc zarodkowania, co skutkowało zwiększoną obecnością małych zaokrąglonych cząstek, w przeciwieństwie do mniejszej liczby cząstek o większym współczynniku kształtu. Ponieważ autorzy nie zbadali w pełni skutków powolnego wlewania kwasu fosforowego do zawiesiny wodorotlenku wapnia, w celu osiągnięcia spójnych wyników zalecamy wlewanie kwasu fosforowego z szybkością proporcjonalną do pokazanej na filmie (około 100 ml / s).

W trakcie opracowywania tej metody autorzy zbadali szereg stopniowych zmian w metodzie otrzymywania nHA w oparciu o Prakash i wsp. 13 Łącznie z porównaniem produktów wytwarzanych przy powolnym miareczkowaniu i szybkim dodawaniu roztworu kwasu fosforowego25. Stwierdzono, że powolne miareczkowanie kwasu fosforowego do zawiesiny wodorotlenku wapnia skutkowało produktem z resztą wodorotlenku wapnia. Sugerujemy, że zmiana pH spowodowana szybkim dodaniem kwasu fosforowego sprzyjała rozpuszczeniu wodorotlenku wapnia, a tym samym pozwoliła na pomyślne przekształcenie reagentów w hydroksyapatyt. Porównanie produktów przygotowanych metodą szybkiego mieszania w temperaturze pokojowej i podwyższonej (60 °C) wykazało, że podwyższona temperatura skutkowała wyższą przewodnością po zakończeniu reakcji. Sugerowało to, że obecny był resztkowy wodorotlenek wapnia, co prawdopodobnie było spowodowane niższą rozpuszczalnością wodorotlenku wapnia w podwyższonych temperaturach. Obecność resztkowego wodorotlenku wapnia była niepożądana, ponieważ podstawowy charakter tego związku mógł zagrozić biokompatybilności.

FTIR wykrył charakterystyczną aktywność grup fosforanowych i hydroksylowych związaną z HA (ryc. 3). Zauważono, że widmo dla produktu spiekanego wykazywało ostrzejsze piki fosforanowe i hydroksylowe. Zmiany te są związane z większą krystalicznością produktu 26,27. Niespiekane widmo dostarczyło dowodów na substytucję węglanową typu B, w której jony węglanowe zastąpiły grupy fosforanowe. Jest to przeciwieństwo podstawiania typu A, w którym jony węglanowe mogą zastępować grupy hydroksylowe17. Doniesiono, że substytucja węglanów typu B zachodzi w biologicznym apatycie3. Jednak Tampieri i wsp. stwierdzono, że podczas gdy substytucja typu B była dominująca w młodych kościach, substytucja węglanowa typu A była coraz częściej obecna w kościach osób starszych28. Stwierdzono, że podstawienie węglanów zmniejsza krystaliczność i stabilność termiczną nHA, jednocześnie zwiększając jego rozpuszczalność. Zaproponowano te zmiany, aby przyczynić się do zwiększenia bioaktywności podstawionego węglanem HA29. Wiadomo również, że biologiczny kwas hialuronowy zawiera niektóre inne pierwiastki zarejestrowane w analizie XRF (tabela 1), takie jak magnez, sód i stront30. Obecność tych pierwiastków może również przyczyniać się do zwiększenia skuteczności biologicznej. Przyszłe prace powinny być ukierunkowane na przygotowanie tych podstawionych apatytów w nanoskali, a także produktów o zwiększonej biofunkcjonalności, takich jak nHA31 domieszkowany srebrem. W celu wytworzenia podstawionego nHA pierwiastek może zostać wprowadzony z odpowiednią redukcją pierwiastka przeznaczonego do zastąpienia, np. zmniejszeniem ilości związku wapnia, gdy próbuje się podstawić strontem, magnezem lub32. Alternatywnie, innym podejściem może być dodanie pierwiastków z zamiarem dostarczenia "domieszkowanych" jonów, które są obecne na powierzchni nHA, bez konieczności podstawiania pierwiastka do sieci krystalicznejHA 31. Dla tych modyfikacji metody możliwe jest przygotowanie mieszanin roztworów, takich jak wodorotlenek wapnia i azotan srebra, oraz przeprowadzenie reakcji w taki sam sposób, jak opisano tutaj.

Podsumowując, w niniejszym artykule opisano nową, szybką i znacznie ulepszoną metodę przygotowania nHA inspirowanego biologicznie. W przypadku tej metody szybkie mieszanie substancji chemicznych trwa krócej niż 5 sekund, co stanowi znaczne skrócenie czasu w porównaniu z reakcjami miareczkowania, które zwykle wymagają wielu godzin dokładnego monitorowania. Ma ogromny potencjał do wykorzystania w rozwoju biomateriałów ze względu na swoją względną prostotę i niski koszt w porównaniu z obecnie stosowanymi przemysłowymi metodami produkcji nHA, w których nieodłączna złożoność obecnych systemów komercyjnych skutkuje długim czasem badań i rozwoju oraz znacznie zwiększonymi kosztami produkcji. W szczególności ta nowa metoda jest lepsza od procesów ciągłego przepływu lub technik hydrotermalnych ze względu na znacznie niższe wymagania dotyczące inwestycji w sprzęt rozruchowy.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez stypendium EPSRC CASE we współpracy z Ceramisys Ltd. i jest również związana z MeDe Innovation, Centrum EPSRC dla Innowacyjnej Produkcji Urządzeń Medycznych [numer grantu EP/K029592/1]. Autorzy chcieliby również podziękować Robertowi Burtonowi z Sheffield Hallam University za analizę XRF.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Wodorotlenek wapnia (czystość ≥ 96%)Sigma Aldrich UK31219Przez cały czas należy stosować dobrą praktykę laboratoryjną, w tym stosowanie odpowiedniego wyposażenia ochrony osobistej.
Kwas fosforowy (85%)Sigma Aldrich Polska345245pracy z tym produktem należy używać okularów ochronnych i osłony twarzy (więcej informacji można znaleźć w karcie charakterystyki firmy Sigma Aldrich).
Dyfraktometr
Międzynarodowe Centrum Danych Dyfrakcyjnych Phillips (ICDD) Baza danych PDF4+Międzynarodowe Centrum Danych
Folie węglowe Holey na siatkach 300Agar ScientificS147-3H 
Transmisyjny mikroskop elektronowy Tecnai G2 SpiritFEI
Tetraboran lituICPH, Malzé ville, Francja
Spektrometr XRF PW2440 Spektrometr Philips
ThermoScientific NikolettUnicam Ltd
Podczas rentgenowski STOE IPDyfrakcyjnych

Bibliografia

  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. , University of Sheffield. (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. , 2 edn, Elsevier. 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. , in press (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).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

bioinspirowany hydroksyapatytmetoda szybkiego mieszaniawodorotlenek wapniakwas fosforowydyfrakcja rentgenowskatransformacja Fouriera w podczerwienitransmisyjna mikroskopia elektronowafluorescencja rentgenowskaniedoborowy w wap hydroksyapatyt

Powiązane artykuły