Rapid Mix Приготовление биоинспирированных наноразмерных гидроксилапатита для биомедицинских применений
23 февраля 2017 г.
В данной статье описан новый метод для быстрого производства высококачественных биоинспирированных наноразмерного гидроксиапатита. Этот биоматериал имеет большое значение при изготовлении широкого спектра инновационных медицинских приборов для клинического применения в ортопедии, черепно-лицевой хирургии и стоматологии.
Общая цель данной процедуры заключается в быстром, надежном и удобном получении высококачественных биомиметических наночастиц гидроксиапатита. Этот метод используется для подготовки наноразмерного гидроксиапатита — материала, представляющего большой научный и коммерческий интерес для исследователей, разрабатывающих инновационные медицинские устройства и соответствующие технологии здравоохранения, в частности для клинического применения.
Основным преимуществом данного метода является то, что он гораздо более удобен, чем традиционные реакции титрования, при этом он сохраняет универсальность и воспроизводимость ранее опубликованных методов. Для начала процедуры добавьте 3.705 grams гидроксида кальция в 500 milliliters деионизированной воды.
добавьте гидроксид к 500 миллилитрам деионизированной воды. Затем смешайте 3,459 грамма 85% по массе водного раствора фосфорной кислоты с 250 миллилитрами деионизированной воды. Влейте раствор фосфорной кислоты в раствор гидроксида кальция при перемешивании со скоростью приблизительно 100 миллилитров в секунду.
При подготовке реагентов важно максимально точно отмерить гидроксид кальция и фосфорную кислоту для достижения оптимальных результатов. Это необходимо для того, чтобы исходное молярное соотношение кальция к фосфору было максимально близко к 1,67. Накройте смесь лабораторной пленкой.
Перемешивайте смесь в течение одного часа при 400 rpm, после чего оставьте смесь нНА отстояться на ночь. Это позволит получить примерно пять граммов наноразмерного гидроксиапатита. Затем слейте супернатант.
Добавьте 500 milliliters деионизированной воды. Перемешивайте смесь nHA в течение одной минуты при 400 rpm. Оставьте смесь для осаждения на два часа.
Повторяйте этот процесс промывки с интервалом в два часа, всего три раза. Дайте промытой суспензии nHA отстояться в течение ночи. Затем слейте супернатант и высушите суспензию при температуре от 60 до 80 °C.
После высыхания материала nHA измельчите nHA в тонкий порошок с помощью агатовой ступки и пестика. Перенесите 2,5 грамма измельченного порошка nHA в алюминиевый тигель. Оставшийся порошок сохраните для последующей характеристики.
Спекайте порошок nHA при 1000 °C в течение двух часов со скоростью нагрева 10 °C в минуту. После спекания дайте nHA остыть в печи. Храните подготовленные порошки nHA в вакуумном эксикаторе для последующей характеризации и использования.
Охарактеризуйте спеченные и неспеченные порошки с помощью рентгеновской дифракции, ПЭМ, рентгенофлуоресцентного анализа и ИК-фурье-спектроскопии. С помощью данного метода был синтезирован и охарактеризован наноразмерный гидроксиапатит. Просвечивающая электронная микроскопия показала, что размеры частиц составляют примерно 50 нанометров на 30 нанометров.
При соотношении сторон 1,7 рентгеновская дифракция показала чистую фазу гидроксиапатита с широкими пиками, что указывает на малый размер кристаллитов или аморфную природу. После спекания было обнаружено присутствие бета-трикальцийфосфата, что свидетельствует о частичном термическом разложении.
Пики спеченного порошка были более узкими, чем пики неспеченного образца, что указывает на увеличение размера кристаллитов в процессе спекания. Формирование фазы гидроксиапатита было подтверждено методом ИК-фурье спектроскопии с НПВО. В неспеченном порошке также наблюдались полосы поглощения воды и карбонатов.
После спекания полосы фосфатов и гидроксильных групп на графике абсорбции становятся более резкими, что указывает на более высокую степень кристалличности. Количественный химический анализ был проведен методом рентгеновской флуоресценции. Продукт nHA обладал высокой степенью чистоты, при этом были обнаружены лишь следовые количества других элементов.
Молярное соотношение кальция к фосфору составило 1.63, что несколько ниже стехиометрического значения. Это, в сочетании с признаками термического разложения, полученными данными рентгеновской дифракции, позволяет предположить, что данный метод приводит к образованию дефицитного по кальцию гидроксиапатита. После разработки и оптимизации этого процесса он был применен в широком спектре проектов по созданию инновационных биоматериалов.
После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как применить наш метод для экспресс-синтеза биомиметического наноразмерного гидроксиапатита в вашей лаборатории. Данный новый метод представляет собой значительное улучшение с точки зрения как скорости, так и относительной простоты получения наноразмерного гидроксиапатита. Мы полагаем, что эта работа будет внедрена в промышленность для производства биомиметического наноразмерного гидроксиапатита медицинского назначения для широкого спектра применений в медицине, стоматологии и потребительском здравоохранении.
Обзор
В данной работе описывается новый метод быстрого производства высококачественного биомиметического наноразмерного гидроксиапатита. Этот биоматериал имеет важное значение для создания инновационных медицинских устройств в области ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинская инженерия
- Материаловедение
- Биоматериалы
Теоретические основы
- Наноразмерный гидроксиапатит представляет большой научный и коммерческий интерес.
- Традиционные методы его производства могут быть громоздкими.
- Существует потребность в более эффективных методах изготовления.
- Данное исследование направлено на решение этих проблем.
Цель исследования
- Разработать быстрый и надежный метод получения наноразмерного гидроксиапатита.
- Повысить удобство и воспроизводимость процесса производства.
- Облегчить применение данного биоматериала в клинической практике.
Используемые методы
- Приготовление растворов гидроксида кальция и фосфорной кислоты.
- Смешивание и перемешивание растворов для достижения необходимых молярных соотношений.
- Процессы промывки и сушки для получения наноразмерного гидроксиапатита.
- Характеристика с использованием таких методов, как рентгеновская дифракция и ПЭМ.
Основные результаты
- Наноразмерные частицы гидроксиапатита характеризовались размерами около 50 nm.
- Данный метод позволил получить дефицитный по кальцию гидроксиапатит.
- Анализ характеристик подтвердил чистоту и кристалличность продукта.
- Новый метод является более быстрым и простым по сравнению с традиционными подходами.
Выводы
- Данный метод представляет собой значительное улучшение в производстве гидроксиапатита.
- Ожидается, что он будет внедрен в приложениях медицинского назначения.
- Этот подход может быть использован в различных технологиях здравоохранения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Быстрое получение биомиметического наноразмерного гидроксиапатита устраняет основное препятствие в производстве биоматериалов для разработки медицинских изделий. Данный метод позволяет воспроизводимо синтезировать дефицитные по кальцию, карбонатно-замещенные наночастицы, которые максимально имитируют биологический апатит, что обеспечивает высокую степень достоверности при прогнозировании остеоиндуктивного потенциала. Это делает данный метод масштабируемым начальным этапом для доклинической оценки методов регенерации костной ткани и стоматологических биоматериалов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать влияние стехиометрии гидроксиапатита и химии поверхности на клеточный ответ в моделях костной ткани.
- Практическая ценность: предлагает стандартизированный и быстрый способ синтеза, снижающий вариативность при первичном скрининге биоматериалов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Обеспечивает стабильные размеры наночастиц (50 x 30 nm) и фазовую чистоту для надежной стандартизации анализов in vitro.
- Практическая ценность: Исключает длительные этапы титрования, повышая пропускную способность исследований взаимодействия соединений с биоматериалами.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Дефицит кальция (Ca:P 1,63) и замещение карбонатом отражают структуру биологического апатита, что повышает значимость результатов в моделях дефектов у животных.
- Практическая ценность: Данные о стабильности спеченного продукта обосновывают выбор условий термической обработки при изготовлении имплантатов.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод вписывается в континуум от этапа открытия до доклинических исследований, предоставляя возможность использования биоматериала с настраиваемыми свойствами для проведения исследований остеоинтеграции и деградации на основе выдвинутых гипотез.
- Фундаментальная биология: Обеспечивает возможность изучения механизмов активации остеобластов и модуляции остеокластов, опосредованной гидроксиапатитом.
- Скрининг: Позволяет воспроизводимо готовить суспензии наночастиц для анализа цитотоксичности и адсорбции белков.
- Аналитика: Данные XRD, FTIR и XRF предоставляют количественные показатели фазового состава, стехиометрии и чистоты для принятия решений о целесообразности дальнейших исследований.
- Трансляционные исследования: Биомиметическая морфология и состав облегчают установление корреляции с гистологическими результатами в доклинических исследованиях заживления костной ткани.
- Корпоративное использование: Простой протокол смешивания позволяет осуществлять передачу технологии между центрами НИОКР без использования специализированного оборудования.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышение прогностической достоверности за счет биомиметического состава, что снижает количество ложноотрицательных результатов при скрининге остеоактивности.
- Операционная ценность: Высокая воспроизводимость и выход продукта (~5 g на партию) сводят к минимуму риск брака партий при разработке в условиях, приближенных к GMP.
- Стратегическая ценность: Ускорение идентификации перспективных биоматериалов за счет сокращения цикла синтеза с нескольких дней до нескольких часов.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритизацию кандидатов на основе гидроксиапатита с учетом рисков, исходя из регулируемого соотношения Ca:P и степени кристалличности.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области неорганического осаждения и работы с коллоидами.
- Необходимы стандартная лабораторная стеклянная посуда, магнитная мешалка и сушильный шкаф (60–80 °C).
- Стандартизация между группами исследователей зависит от точного контроля молярного соотношения при подготовке реагентов.
- Адаптация метода для других биокерамик может потребовать скрининга кислотно-основных пар.
- Агрегация частиц после сушки требует применения протоколов диспергирования для изучения нано-биовзаимодействий.
