Name: rapid mix preparation of bioinspired nanoscale hydroxyapatite for biomedical applications
Uploaded: 2017-02-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 41 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications at JoVE.com

Este trabalho foi apoiado por uma bolsa de estudo CASE EPSRC em colaboração com Ceramisys Ltd. e também está associada com MEDE Inovação, o Centro de EPSRC para o fabrico inovadores em dispositivos médicos [número de concessão EP / K029592 / 1]. Os autores também gostaria de agradecer a Robert Burton na Universidade Sheffield Hallam para análise XRF.

<img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig1.jpg" /> Figura 1. Diagrama esquemático da preparação de mistura rápida da hidroxiapatita nanoescala bioinspirado. A solução de ácido fosfórico foi vertida na suspensão de hidróxido de cálcio. Após a suspensão assente durante a noite, a ASN foi lavada com água desionizada antes de serem secos a 60 a 80 ° C. A ASN foi, em seguida, moído num almofariz de ágata e pilão e sinterizado para investigar a estabilidade térmica do produto nHA. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 1. Rápido Mix Produção de Nanoscale hidroxiapatita <ol><li> Preparação de soluções de cálcio e de fósforo para preparar a 5 g de hidroxiapatite em nanoescala usando uma cálcio e o fósforo razão molar de 1,67. <ol><li> Adicionar 3,705 g de hidróxido de cálcio para500 mL de água desionizada e agita-se em uma placa de agitação magnética durante 1 hora a 400 rpm. </li><li> Numa proveta separada, dissolver 3,459 g de ácido fosfórico (85%) em 250 mL de água desionizada. </li></ol></li><li> Verter a solução de fósforo no seio da suspensão de hidróxido de cálcio com agitação a uma taxa de aproximadamente 100 ml / s. Cubra copo com Parafilm (Bemis, EUA). </li><li> Deixar a suspensão a agitar durante 1 h a 400 rpm. </li><li> Leve o copo fora do prato agitador e deixa-se repousar durante a noite. </li><li> Lava-se a suspensão através de decantar o sobrenadante e adicionar 500 mL de água de s ionizada e agitação durante 1 min a 400 rpm. Repita este passo três vezes no total, com 2 h entre cada lavagem. </li><li> Deixar suspensão nHA para resolver durante a noite. </li><li> Decantar o sobrenadante límpido e colocar a suspensão nHA assente numa estufa regulada para 60 a 80 ° C. </li><li> Quando seca, coloque o nHA seca em um almofariz de ágata e pilão e moer até multa. </li><li> Colocar 2,5 g de propó nHA duzido num cadinho e de sinterização do pó de alumina a 1000 ° C durante 2 h, usando uma velocidade de rampa de 10 ° C / min. Após o tratamento térmico, a ASN deixar arrefecer no forno. </li><li> pós armazenar num exsicador de vácuo. </li></ol> 2. Caracterização do Nanoscale hidroxiapatita <ol><li> Difracção de raios-X (DRX), utilizando o modo de transmissão difractómetros <ol><li> Colocar uma pequena quantidade (isto é, menos do que 200 mL) de poli (álcool vinílico) (PVA) na película de cola de etilo e misturar-se com uma pequena quantidade (isto é, inferior a 100 mg) de nHA pó. </li><li> Tratar com uma pistola de ar quente até secar. </li><li> Montar a amostra num suporte de amostras e de carga para um dif ractómetro de raios-X de modo de transmissão com radiação Cu K α. </li><li> Use as configurações de difratometria de 40 kV e 35 mA, com uma gama 2θ de 10-70 °. </li><li> Analisar os padrões de DRX resultantes. </li><li> Use os seguintes cartões de DRX para identificação de fase: Hidroxiapatita: 9-432. beta-tricálcio fosfato: 04-014-2292. </li></ol></li><li> Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) <ol><li> Colocar uma pequena quantidade de pó (isto é, menos do que 10 mg) num bijou e adicionar cerca de 3 mL de etanol. </li><li> amostra ultra-sonicado durante 15 - 30 minutos até obter uma suspensão homogénea é observada. </li><li> Pipetar uma pequena quantidade de solução (isto é, menos do que 1 ml) sobre uma grelha de cobre de malha 400 com filme de carbono, e deixa-se secar. </li><li> amostras de imagem em uma voltagem de aceleração de 80 kV. </li></ol></li><li> Fluorescência de raios-X (FRX) Serviço de Materiais e Instituto de Pesquisa de Engenharia (MERI) na Universidade Sheffield Hallam <ol><li> Combine 0,8 g nHA pó com 8 g de tetraborato de lítio. </li><li> Derreter mistura num cadinho de liga de platina-ouro utilizando um forno ajustado para 1200 ° C. </li><li> Analisar as amostras resultantes em um espectrómetro de FRX para determinar a composição elementaras amostras. </li></ol></li><li> Transformada de Fourier espectroscopia de infravermelho no modo de reflectância total atenuada (FTIR-ATR) <ol><li> Execute 64 buscas em segundo plano a partir de 4000 - 500 cm-1 com uma resolução de 4 cm -1. </li><li> Colocar uma pequena quantidade (isto é, inferior a 100 mg) de nHA pó na parte superior do diamante no adaptador de modo de reflectância total atenuada e comprimir sobre a superfície do diamante utilizando a tampa de rosca. </li><li> Execute 32 varreduras de 4000 - 500 cm -1 com uma resolução de 4 cm -1 com as procuras em segundo plano subtraídos dos exames de amostra. </li></ol></li></ol>

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Os autores não têm nada a revelar.

Apatita natural é composto por partículas em nano-escala de hidroxiapatite carbonatada não-estequiométrica com a fórmula química aproximada de 10 Ca-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. A produção de biomateriais com grande semelhança química para naturalmente mineral que ocorre foi reportado para promover respostas biológicas óptimas. Por exemplo, a investigação sobre biomimética deficiente em cálcio carbonatado nHA tem mostrado que é capaz de estimular a proliferação e a actividade da fosfatase alcalina de células preosteoblast murinos a um grau maior do que as convencionais nHA 19. Neste estudo, a precipitação de HA que mostrou decomposição térmica parcial a 1000 ° C (Figura 2) sugere a formação de um HA deficiente em cálcio. Isto foi suportado pela menor do que estequiométrica Ca: P (1,63) obtido com os dados FRX (tcapaz 1). Entende-se que uma redução de Ca: P está associada com uma estabilidade térmica mais baixa 20, 21, 22, 23. Neste método, a rápida adição da solução de ácido fosfórico rapidamente reduzido o pH da suspensão da reacção para gerar iões HPO 4. A presença de HPO 4 grupos facilitou a precipitação de cálcio deficiente HA, com a fórmula molecular: Ca10-x (HPO4) x (PO4) 6-x (OH) 2-x, em que 0 &lt;x &lt;1. A adição rápida do ácido fosfórico, por conseguinte, teve um efeito marcado sobre a cinética de precipitação da reacção. Como descrito anteriormente, envolvendo reacções de titulação de hidróxido de cálcio e ácido fosfórico levada a cabo a temperatura ambiente tendem a produzir partículas com uma elevada relação de aspecto 13. para titratioN reacções envolvendo estes reagentes, foi necessário usar uma temperatura elevada para produzir partículas com uma razão de aspecto inferior, que são mais semelhantes a apatite biológica 13. Partículas com uma elevada relação de aspecto são produzidos quando a taxa de nucleação de cristal é mais lento do que a taxa de crescimento de cristais 24. Para o novo método desenvolvido neste estudo, a rápida adição da solução de ácido fosfórico pode ter proporcionado um maior número de locais de nucleação, que resultou no aumento da presença de partículas arredondadas pequenos em oposição a poucas partículas com uma relação de aspecto maior. Como os autores não têm investigado completamente os efeitos de verter lentamente o ácido fosfórico para a suspensão de hidróxido de cálcio, a fim de alcançar resultados consistentes recomenda-se que o ácido fosfórico é vertida a uma taxa proporcional ao indicado no vídeo (aproximadamente 100 ml / s). Durante o desenvolvimento deste método, os autores investigated um número de alterações incrementais para o método de preparação nHA baseado em Prakash et ai. 13, incluindo a comparação de produtos fabricados com a titulação lenta e rápida a adição da solução de ácido fosfórico a 25. Verificou-se que a titulação lenta de ácido fosfórico para a suspensão de hidróxido de cálcio resultou em um produto com um resíduo de hidróxido de cálcio. Propomos que a alteração do pH causada pela rápida adição de ácido fosfórico encorajados a dissolução do hidróxido de cálcio e, por conseguinte, permitido para a conversão bem sucedida dos reagentes em hidroxiapatita. Uma comparação dos produtos preparados utilizando o método de mistura rápida no ambiente e temperaturas elevadas (60 ° C) verificou que uma temperatura elevada resultou numa maior condutividade após a reacção ter sido completada. Isto sugeriu que o hidróxido de cálcio residual estava presente o que foi provavelmente devido à baixa solubilidade do hidróxido de cálcio emaumento da temperatura. A presença de hidróxido de cálcio residual era indesejável como a natureza básica deste composto poderia comprometer a biocompatibilidade. FTIR detectou a atividade de grupo hidroxila e fosfato, característica associada com HA (Figura 3). Notou-se que o espectro para o produto sinterizado mostrou picos mais nítidas fosfato e hidroxilo. Essas mudanças têm sido associados a uma maior cristalinidade do produto 26, 27 .O espectro não sinterizado fornecido evidências para a substituição de carbonato de tipo B, onde iões de carbonato foram substituídos por grupos de fosfato. Isto está em contraste com uma substituição de tipo onde iões de carbonato podem ser substituídas por grupos hidroxilo 17. Tem sido relatado que a substituição de tipo B carbonato de apatite biológica ocorre em três. No entanto, Tampieri et ai. relataram que, embora do tipo B substituição foi predominant nos ossos jovens, do tipo A substituição de carbonato estava cada vez mais presentes em ossos de indivíduos mais velhos 28. a substituição de carbonato foi encontrado para diminuir a cristalinidade e estabilidade térmica do nHA aumentando simultaneamente a sua solubilidade. Estas alterações têm sido propostos para contribuir para o aumento da bioactividade de carbonato-substituído HA 29. HA biológica também é conhecido por conter algum dos outros elementos gravados na análise de XRF (Tabela 1), tais como o magnésio, de sódio e de estrôncio 30. A presença destes elementos pode também contribuir para o aumento da eficácia biológica. O trabalho futuro deve ser dirigido para a preparação destes apatitas nanoescala substituído, e também produtos com maior biofuncionalidade como dopado com prata nHA 31. A fim de preparar nHA substituído, o elemento pode ser introduzido com uma redução correspondente do elemento destinado a Substitute para, por exemplo, uma redução na quantidade do composto de cálcio quando estrôncio, magnésio ou zinco substituição é tentada 32. Em alternativa, uma outra abordagem pode ser adicionar elementos com a intenção de proporcionar iões dopados &#39;&#39;, que estão presentes na superfície da nHA sem, necessariamente, com a intenção de substituir o elemento de na rede cristalina HA 31. Por estas modificações para o método, é possível preparar soluções mistas, tais como hidróxido de cálcio e nitrato de prata, e para levar a cabo a reacção do mesmo modo tal como descrito aqui. Em conclusão, este trabalho apresenta um método rápido e substancialmente melhorado novo para a preparação de nHA bioinspirado. Por este método, a mistura rápida dos produtos químicos leva menos que 5 segundos, o que é uma diminuição acentuada no tempo em comparação com titulações de reacções que requerem tipicamente hora de monitorização cuidadosa. Ele tem um grande potencial para uso em biomatdesenvolvimento erial devido à sua relativa simplicidade e baixo custo em comparação com os métodos de fabrico actualmente utilizadas industriais Nha onde a complexidade inerente aos atuais resultados sistemas comerciais em tempos de pesquisa e desenvolvimento longos, e aumentou substancialmente os custos de fabricação. Em particular, este novo método é superior aos processos de fluxo contínuo ou técnicas hidrotermais devido à significativamente mais baixos requisitos de investimento em equipamentos start-up.

Há uma grande necessidade clínica de biomateriais avançados com funcionalidade melhorada, a fim de melhorar a qualidade de vida dos pacientes e para reduzir a carga de cuidados de saúde de uma população global de envelhecimento. A hidroxiapatite tem sido amplamente usados ​​em aplicações médicas, durante muitos anos devido à sua boa biocompatibilidade. Recentemente, tem havido um interesse crescente no uso de hidroxiapatita em nanoescala (NHA), particularmente para a regeneração do tecido mineralizado em medicina e odontologia. O mineral encontrado no esmalte dos dentes e do osso é substituído multi-deficiente em cálcio, hidroxiapatite nanoescala. As estimativas para o tamanho de plaquetas Nha biológicos relatam dimensões de 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, com estruturas ainda menores descritos no osso imaturo 2. Em contraste, o mineral no esmalte dos dentes é de 10 a 100 vezes maior do que a encontrada no tecido ósseo, tanto em comprimento e largura de 3, 4. nHA sintética<html> pode ser melhor denominadas bioinspirado em vez de biomimética, como estamos buscando traduzir observações sobre as características dos materiais naturais em tecnologias médicas com melhor desempenho. Tem sido sugerido que bioinspirado nHA pode ser mais favorável em aplicações ósseas e dente de regeneração de tecidos, devido à sua semelhança com o que ocorre naturalmente mineral 5. Existem vários métodos que têm sido notificados para preparar nHA incluindo hidrotermal 6, spray-dry 7 e sol-gel 8 técnicas. Destes, o método de precipitação molhado é considerado um método relativamente conveniente para a produção de nHA. A ASN métodos de precipitação molhada publicadas geralmente incluem um passo de titulação quando a mistura de cálcio e fósforo precursores químicos 9, 10, 11,Ref &quot;&gt; 12, 13, 14. No entanto, estas abordagens estão associados com uma série de desvantagens, incluindo processos morosos e complexos combinados em alguns casos, com a necessidade de equipamento caro. A produção comercial pode ser ainda mais complexas, com patentes descrevendo reactores sofisticados para fabrico de grau médico de alta qualidade nHA 15. Apesar disso, a reacção de neutralização entre o hidróxido de cálcio e o ácido fosfórico é vantajoso, devido à falta de químicos nocivos subprodutos. A relação entre as condições de processamento e a morfologia do produto nHA foi reportado para reacções de titulação lenta. Especificamente, para os métodos de titulação envolvendo hidróxido de cálcio e ácido fosfórico, apareceu uma temperatura elevada para favorecer a preparação de partículas com uma baixa relação de aspecto 13. Este trabalho foi estendido consideravelmente por Genazulejo et ai. 16 demonstrou que a relação entre a temperatura e outras condições de processamento sobre a qualidade dos produtos NHA a partir de uma grande variedade de métodos. Ele conclui que o método de precipitação química húmida de 13 Prakash feita produtos de alta qualidade, mas deve notar-se que os resultados eram dependentes de processos tecnicamente difíceis e lentos / mistura. O passo inicial de titulação Prakash leva mais de uma hora. No entanto, os tempos de titulação mais longos podem ser necessários para os lotes maiores de ser preparado. Para resumir, enquanto a influência de vários factores incluindo a temperatura agora têm sido estudadas extensivamente, quase nenhuma atenção tem sido dirigida para reduzir a complexidade e o tempo necessário para realizar os métodos de titulação à base associada. O objectivo deste estudo era, por conseguinte, para investigar os efeitos da aplicação de uma abordagem de mistura rápida para o fabrico de um nHA bioinspirado, e totalmente caracterize os materiais resultantes. Se bem sucedida, uma abordagem de mistura rápida simplificado teria grandes benefícios para os pesquisadores do laboratório e da indústria onde os custos de produção poderiam ser substancialmente reduzidos sem comprometer a qualidade.

<table><tbody><tr><td>Calcium hydroxide (purity of &amp;ge; 96%)</td><td>Sigma Aldrich UK</td><td>31219</td><td>Good laboratory practise should be used at all times including the use of appropriate personal protective equipment.</td></tr><tr><td>Phosphoric acid (85%)</td><td>Sigma Aldrich UK</td><td>345245</td><td>Safety goggles and a faceshield should be used when handling this product (see safety data sheet from Sigma Aldrich for further information).</td></tr><tr><td>STOE IP X-ray diffractometer</td><td>Phillips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>International centre for diffraction data (ICDD) PDF4+ database</td><td>International Centre for Diffraction Data</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Holey carbon films on 300 mesh grids</td><td>Agar Scientific</td><td>S147-3H&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Tecnai G2 Spirit transmission electron microscope</td><td>FEI</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lithium tetraborate</td><td>ICPH, Malz&amp;eacute;ville, France</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PW2440 XRF spectrometer&amp;nbsp;</td><td>Philips</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ThermoScientific Nikolett Spectrometer</td><td>Unicam Ltd</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

rapid mix preparation of bioinspired nanoscale hydroxyapatite for biomedical applications

A hidroxiapatite (HA) tem sido amplamente utilizado como uma cerâmica médica devido à sua boa biocompatibilidade e osteocondutividade. Recentemente, tem havido interesse em relação ao uso da hidroxiapatita nanoescala bioinspirado (NHA). No entanto, apatite biológica é conhecido por ser deficiente em cálcio e com uma morfologia semelhante a plaquetas nanoescala substituído carbonato-. Bioinspirado nHA tem o potencial de estimular óptima regeneração do tecido ósseo devido à sua semelhança com ossos e dentes esmalte mineral. Muitos dos métodos actualmente utilizados para fabricar nHA tanto no laboratório e comercialmente, envolver processos morosos e equipamento complexo. Portanto, o objetivo deste estudo foi desenvolver um método rápido e confiável para preparar alta qualidade bioinspirado nHA. O método de mistura rápida desenvolvido baseou-se uma reacção ácido-base que envolve o hidróxido de cálcio e ácido fosfórico. Resumidamente, uma solução de ácido fosfórico foi vertida para uma solução de hidróxido de cálcio, seguido por agitação e lavagemfases de secagem. Uma parte do lote foi sinterizado a 1000 ° C durante 2 h, a fim de investigar a estabilidade elevada temperatura dos produtos. análise de difracção de raios X mostrou a formação bem sucedida de HA, que mostrou decomposição térmica de p-fosfato tricálcico após o processamento a alta temperatura, o que é típico para HA deficiente em cálcio. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier revelou a presença de grupos carbonato no produto precipitado. As partículas NHA tinha uma baixa relação de aspecto, com as dimensões aproximadas de 50 x 30 nm, próximas das dimensões da apatite biológica. O material também foi deficiente de cálcio com uma relação Ca: P de 1,63 molar, que como apatite biológica é mais baixa do que a razão estequiométrica de HA 1,67. Este novo método é assim um processo seguro e mais conveniente para o fabrico de nHA bioinspirado, superando a necessidade de titulações longas e equipamento complexo. O produto de HA bioinspirado resultante é adequado para utilização numa vasta variedade deaplicações médicas e de consumo de saúde.

<html> Padrs de XRD (Figura 2) mostrou a precipitação de uma fase de HA puro com picos largos, indicando um relativamente pequeno tamanho de cristalito e / ou a natureza amorfa. Após sinterização a alta temperatura, foi detectado fosfato β-tricálcico (β-TCP), ao lado de uma fase principal de HA. A nitidez dos picos de difracção, ou seja, uma redução no total meia largura máxima, indicou um aumento na dimensão dos cristalitos após a sinterização. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig2.jpg" /> Figura 2. Análise de fase de cristal de produtos. difracção de raios-X (DRX) do pó não sinterizado padrões de hidroxiapatite nanoescala (NHA) e nHA pó sinterizados a 1000 ° C durante 2 h. etiquetas de pico: ▼ picos de hidroxiapatita, ■ picos de fosfato β-tricálcio.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. FTIR-ATR espectros (Figura 3) confirmou a formação de uma fase de HA por o fosfato de característica e bandas de hidroxilo 17, 18. Em detalhe as bandas foram distribuídos da seguinte forma: 3.750 cm-1 (OH - esticar ν OH); 1.086 e 1.022 cm-1 (PO 4 3- v 3); 962 cm-1 (PO 4 3-) vmax 1; 630 cm -1 (OH - libration δ OH); 600 e 570 cm-1 (PO 4 3- ν 4). Na amostra não sinterizado os picos adicionais foram distribuídos da seguinte forma: pico largo centrado em torno de 3.400 cm-1 (moléculas de água absorvida); 1.455 e 1.410 cm-1 (CO 3 2- v 3); 880 cm <sup&gt; -1 (CO 3 2- ν 2). Os grupos de água e carbonato absorvidos observadas no pó não sinterizado foram removidas durante a fase de sinterização a alta temperatura. O processo de sinterização também aguçou as bandas hidroxila e fosfato que se manifestou por um pico superior à calha distância. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig3.jpg" /> Figura 3. Os espectros de infravermelhos dos produtos. Transformada de Fourier de infravermelhos em espectros de reflectância total atenuada modo (FTIR-ATR) de pó não sinterizado nanoescala hidroxiapatite (NHA) e nHA pó sinterizados a 1000 ° C durante 2 h. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Imagens de TEM (Figura 4) mostrou a formação de partículas em escala nano with dimensões aproximadas de 50 nm por 30 nm. As partículas tinham uma relação de aspecto baixa (comprimento de partículas / largura das partículas) de cerca de 1,7. O tamanho e forma dos produtos em nano-escala eram de dimensões semelhantes a apatite biológica 1. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig4.jpg" /> Figura 4. morfologia Nanoscale do produto. microfotografias electrónicas de transmissão (TEM) de nanoescala hidroxiapatite (NHA) preparado utilizando o método de mistura rápida em duas ampliações. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> A análise química quantitativa do pó nHA por FRX (tabela 1) permitiu a razão cálcio: fósforo para ser calculada como 1,63, o que é ligeiramente inferior à estequiométrica de HA which tem uma razão cálcio: fósforo de 1,67. FRX também mostrou a elevada pureza do produto nHA com apenas quantidades vestigiais de outros elementos gravados. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Composto </td><td> peso% </td></tr><tr><td> CaO </td><td> 51.52 </td></tr><tr><td> P 2 O 5 </td><td> 39.89 </td></tr><tr><td> MgO </td><td> 0,46 </td></tr><tr><td> Na2O </td><td> 0,13 </td></tr><tr><td> Y 2 O 3 </td><td> 0,07 </td></tr><tr><td> Al 2 O 3 </td><td> 0,03 </td></tr><tr><td> SiO2 </td><td> 0,03 </td></tr><tr><td> Mn 3 O 4 </td><td> 0,03 </td></tr><tr><td> SrO </td><td> 0,02 </td></tr><tr><td> TiO2 </td><td> 0,01 </td></tr></tbody></table>Tabela 1. análise química quantitativa de produto. fluorescência de raios X (XRF) os resultados para o pó não sinterizado nHA apresentaram&gt; 99% de pureza, em peso.

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Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Este artigo descreve um novo método para a rápida produção de alta qualidade hidroxiapatita nanoescala bioinspirado. Este biomaterial é de grande importância na fabricação de uma ampla variedade de dispositivos médicos inovadores para aplicações clínicas em ortopedia, cirurgia craniofacial e dentária.

Rápido Mix Preparação de Bioinspirada Nanoscale hidroxiapatita para aplicações biomédicas

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

19.1K visualizações.  University of Sheffield.  Este artigo descreve um novo método para a rápida produção de alta qualidade hidroxiapatita nanoescala bioinspirado. Este biomaterial é de grande importância na fabricação de uma ampla variedade de dispositivos médicos inovadores para aplicações clínicas em ortopedia, cirurgia craniofacial e dentária. 

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Separation of Single-stranded DNA, Double-stranded DNA and RNA from an Environmental Viral Community Using Hydroxyapatite Chromatography

Viruses, particularly bacteriophages (phages), are the most numerous biological entities on Earth1,2. Viruses modulate host cell abundance and diversity, contribute to the cycling of nutrients, alter host cell phenotype, and influence the evolution of both host cell and viral communities through the lateral transfer of genes 3. Numerous studies have highlighted the staggering genetic diversity of viruses and their functional potential in a variety of natural environments. 
Metagenomic techniques have been used to study the taxonomic diversity and functional potential of complex viral assemblages whose members contain single-stranded DNA (ssDNA), double-stranded DNA (dsDNA) and RNA genotypes 4-9. Current library construction protocols used to study environmental DNA-containing or RNA-containing viruses require an initial nuclease treatment in order to remove nontargeted templates 10. However, a comprehensive understanding of the collective gene complement of the virus community and virus diversity requires knowledge of all members regardless of genome composition. Fractionation of purified nucleic acid subtypes provides an effective mechanism by which to study viral assemblages without sacrificing a subset of the community&#x2019;s genetic signature. 
Hydroxyapatite, a crystalline form of calcium phosphate, has been employed in the separation of nucleic acids, as well as proteins and microbes, since the 1960s11. By exploiting the charge interaction between the positively-charged Ca2+ ions of the hydroxyapatite and the negatively charged phosphate backbone of the nucleic acid subtypes, it is possible to preferentially elute each nucleic acid subtype independent of the others. We recently employed this strategy to independently fractionate the genomes of ssDNA, dsDNA and RNA-containing viruses in preparation of DNA sequencing 12. Here, we present a method for the fractionation and recovery of ssDNA, dsDNA and RNA viral nucleic acids from mixed viral assemblages using hydroxyapatite chromotography.

We describe an efficient method to separate single-stranded DNA, double-stranded DNA and RNA molecules from environmental viral communities. Nucleic acids are fractionated using hydroxyapatite chromatography with increasing concentrations of phosphate-containing buffers. This method permits the isolation of all viral nucleic acid types from environmental samples.

Separação de Single-stranded DNA, Double-stranded DNA e RNA de uma Comunidade Ambiental Viral Usando Cromatografia hidroxiapatita

Viruses, particularly bacteriophages (phages), are the most numerous biological entities on Earth1,2.  Viruses modulate host cell abundance and diversity, ...

Imunologia e Infecção

Facile Preparation of Ultrafine Aluminum Hydroxide Particles with or without Mesoporous MCM-41 in Ambient Environments

An aqueous suspension of nanogibbsite was synthesized via the titration of aluminum aqua acid [Al(H2O)6]3+ with L-arginine to pH 4.6. Since the hydrolysis of aqueous aluminum salts is known to produce a wide array of products with a wide range of size distributions, a variety of state-of-the-art instruments (i.e., 27Al/1H NMR, FTIR, ICP-OES, TEM-EDX, XPS, XRD, and BET) were used to characterize the synthesis products and identification of byproducts. The product, which was comprised of nanoparticles (10-30 nm), was isolated using gel permeation chromatography (GPC) column technique. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and powder X-ray diffraction (PXRD) identified the purified material as the gibbsite polymorph of aluminum hydroxide. The addition of inorganic salts (e.g., NaCl) induced electrostatic destabilization of the suspension, thereby agglomerating the nanoparticles to yield Al(OH)3 precipitate with large particle sizes. By utilizing the novel synthetic method described here, Al(OH)3 was partially loaded inside the highly ordered mesoporous framework of MCM-41, with average pore dimensions of 2.7 nm, producing an aluminosilicate material with both octahedral and tetrahedral Al (Oh/Td = 1.4). The total Al content, measured using energy-dispersive X-ray spectrometry (EDX), was 11% w/w with a Si/Al molar ratio of 2.9. A comparison of bulk EDX with surface X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) elemental analysis provided insight into the distribution of Al within the aluminosilicate material. Furthermore, a higher ratio of Si/Al was observed on the external surface (3.6) as compared to the bulk (2.9). Approximations of O/Al ratios suggest a higher concentration of Al(O)3 and Al(O)4 groups near the core and external surface, respectively. The newly developed synthesis of Al-MCM-41 yields a relatively high Al content while maintaining the integrity of the ordered silica framework and can be used for applications where hydrated or anhydrous Al2O3 nanoparticles are advantageous.

An ultrafine aluminum hydroxide nanoparticle suspension was prepared via the controlled titration of [Al(H2O)]3+ with L-arginine to pH 4.6 with and without cage-effect confinement within mesoporous channels of MCM-41.

Facile Preparação de Partículas de Hidróxido de Alumínio Ultrafino com ou sem Mesoporous MCM-41 em Ambientes Ambientais

An aqueous suspension of nanogibbsite was synthesized via the titration of aluminum aqua acid [Al(H2O)6]3+ with L-arginine to pH 4.6. Since the hydrolysis ...

Química

Development of Amelogenin-chitosan Hydrogel for In Vitro Enamel Regrowth with a Dense Interface

Biomimetic enamel reconstruction is a significant topic in material science and dentistry as a novel approach for the treatment of dental caries or erosion. Amelogenin has been proven to be a critical protein for controlling the organized growth of apatite crystals. In this paper, we present a detailed protocol for superficial enamel reconstruction by using a novel amelogenin-chitosan hydrogel. Compared to other conventional treatments, such as topical fluoride and mouthwash, this method not only has the potential to prevent the development of dental caries but also promotes significant and durable enamel restoration. The organized enamel-like microstructure regulated by amelogenin assemblies can significantly improve the mechanical properties of etched enamel, while the dense enamel-restoration interface formed by an in situ regrowth of apatite crystals can improve the effectiveness and durability of restorations. Furthermore, chitosan hydrogel is easy to use and can suppress bacterial infection, which is the major risk factor for the occurrence of dental caries. Therefore, this biocompatible and biodegradable amelogenin-chitosan hydrogel shows promise as a biomaterial for the prevention, restoration, and treatment of defective enamel.

Development of Amelogenin-chitosan Hydrogel for In Vitro Enamel Regrowth with a Dense Interface

In this article, we describe a protocol for fabricating an amelogenin-chitosan hydrogel for superficial enamel reconstruction. Organized in situ growth of apatite crystals in the hydrogel formed a dense enamel-restoration interface, which will improve the effectiveness and durability of restorations.

Desenvolvimento de Amelogenina-quitosana Hidrogel para<em&gt; In Vitro</em&gt; Esmalte Regrowth Com uma interface Densa

Biomimetic enamel reconstruction is a significant topic in material science and dentistry as a novel approach for the treatment of dental caries or ...

Bioengenharia

Preparation of Functional Silica Using a Bioinspired Method

The goal of the protocols described herein is to synthesize bioinspired silica materials, perform enzyme encapsulation therein, and partially or totally purify the same by acid elution. By combining sodium silicate with a polyfunctional bioinspired additive, silica is rapidly formed at ambient conditions upon neutralization. 
The effect of neutralization rate and biomolecule addition point on silica yield are investigated, and biomolecule immobilization efficiency is reported for varying addition point. In contrast to other porous silica synthesis methods, it is shown that the mild conditions required for bioinspired silica synthesis are fully compatible with the encapsulation of delicate biomolecules. Additionally, mild conditions are used across all synthesis and modification steps, making bioinspired silica a promising target for the scale-up and commercialization as both a bare material and active support medium.
The synthesis is shown to be highly sensitive to conditions, i.e., the neutralization rate and final synthesis pH, however tight control over these parameters is demonstrated through the use of auto titration methods, leading to high reproducibility in reaction progression pathway and yield. 
Therefore, bioinspired silica is an excellent active material support choice, showing versatility towards many current applications, not limited to those demonstrated here, and potency in future applications.

Here, we present a protocol to synthesize bioinspired silica materials and immobilize enzymes therein. Silica is synthesized by combining sodium silicate and an amine &#39;additive&#39;, which neutralize at a controlled rate. Material properties and function can be altered either by in situ enzyme immobilization or post-synthetic acid elution of encapsulated additives.

Preparação de sílica funcional usando um método Bioinspirada

The goal of the protocols described herein is to synthesize bioinspired silica materials, perform enzyme encapsulation therein, and partially or totally ...

Distinctive Capillary Action by Micro-channels in Bone-like Templates can Enhance Recruitment of Cells for Restoration of Large Bony Defect

Without an active, thriving cell population that is well-distributed and stably anchored to the inserted template, exceptional bone regeneration does not occur. With conventional templates, the absence of internal micro-channels results in the lack of cell infiltration, distribution, and inhabitance deep inside the templates. Hence, a highly porous and uniformly interconnected trabecular-bone-like template with micro-channels (biogenic microenvironment template; BMT) has been developed to address these obstacles. The novel BMT was created by innovative concepts (capillary action) and fabricated with a sponge-template coating technique. The BMT consists of several structural components: inter-connected primary-pores (300-400 &#181;m) that mimic pores in trabecular bone, micro-channels (25-70 &#181;m) within each trabecula, and nanopores (100-400 nm) on the surface to allow cells to anchor. Moreover, the BMT has been documented by mechanical test study to have similar mechanical strength properties to those of human trabecular bone (~3.8 MPa)12.
The BMT exhibited high absorption, retention, and habitation of cells throughout the bridge-shaped (&#928;) templates (3 cm height and 4 cm length). The cells that were initially seeded into one end of the templates immediately mobilized to the other end (10 cm distance) by capillary action of the BMT on the cell media. After 4 hr, the cells homogenously occupied the entire BMT and exhibited normal cellular behavior. The capillary action accounted for the infiltration of the cells suspended in the media and the distribution (active migration) throughout the BMT. Having observed these capabilities of the BMT, we project that BMTs will absorb bone marrow cells, growth factors, and nutrients from the periphery under physiological conditions.
The BMT may resolve current limitations via rapid infiltration, homogenous distribution and inhabitance of cells in large, volumetric templates to repair massive skeletal defects.

A step-by-step generic process to create a bone-like template with engineered micro-channels is presented. High absorption and retention capabilities of the template are demonstrated by capillary action via micro-channels.

Modelos distintivo ação capilar por micro-canais em Osso-como pode aumentar o recrutamento de células para a Restauração da Grande Bony Defeito

Without an active, thriving cell population that is well-distributed and stably anchored to the inserted template, exceptional bone regeneration does not ...

Preparation of Thermoresponsive Nanostructured Surfaces for Tissue Engineering

Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the Langmuir-Schaefer method. Amphiphilic block copolymers composed of polystyrene and PIPAAm (St-IPAAms) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) radical polymerization. A chloroform solution of St-IPAAm molecules was gently dropped into a Langmuir-trough apparatus, and both barriers of the apparatus were moved horizontally to compress the film to regulate its density. Then, the St-IPAAm Langmuir film was horizontally transferred onto a hydrophobically modified glass substrate by a surface-fixed device. Atomic force microscopy images clearly revealed nanoscale sea-island structures on the surface. The strength, rate, and quality of cell adhesion and detachment on the prepared surface were modulated by changes in temperature across the lower critical solution temperature range of PIPAAm molecules. In addition, a two-dimensional cell structure (cell sheet) was successfully recovered on the optimized surfaces. These unique PIPAAm surfaces may be useful for controlling the strength of cell adhesion and detachment.

Nanoscaled sea-island surfaces composed of thermoresponsive block copolymers were fabricated by the Langmuir-Schaefer method for controlling spontaneous cell adhesion and detachment. Both the preparation of the surface and the adhesion and detachment of cells on the surface were visualized.

Preparação de Thermoresponsive nanoestruturados Surfaces para Engenharia de Tecidos

Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the ...

Microwave-driven Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles for Fast Detection of Atherosclerosis

A fast and reproducible microwave-driven protocol has been developed for the synthesis of neridronate-functionalized nanoparticles. Starting from the synthesis of hydrophobic nanoparticles, our method is based on an adaptation from thermal decomposition method to microwave driven synthesis. The new methodology produces a decrease in the reaction times in comparison with traditional procedures. Moreover, the use of the microwave technology increases the reproducibility of the reactions, something important from the point of view of clinical applications. The novelty of this iron oxide nanoparticle is the attachment of Neridronate. The use of this molecule leads a bisphosphonate moiety towards the outside of the nanoparticle that provides Ca2+ binding properties in vitro and selective accumulation in vivo in the atheroma plaque. The protocol allows the synthesis and plaque detection in about 3 hr since the initial synthesis from organic precursors. Their accumulation in the atherosclerotic area in less than 1 hr provides a contrast agent particularly suitable for clinical applications.

Microwave technology enables extremely fast synthesis of iron oxide nanoparticles for atherosclerosis plaque characterization. The use of an aminobisphosphonate in the external side of the nanoparticle provides a fast accumulation in the atherosclerotic area.

Síntese orientada por microondas de óxido de ferro nanopartículas para detecção rápida de Aterosclerose

A fast and reproducible microwave-driven protocol has been developed for the synthesis of neridronate-functionalized nanoparticles. Starting from the ...

Ceramic Omnidirectional Bioprinting in Cell-Laden Suspensions for the Generation of Bone Analogs

Structurally, bone tissue is an inorganic-organic composite containing metabolically active cells embedded within a hierarchical, highly mineralized matrix. This organization is challenging to replicate due to the heterogeneous environment of bone. Ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions (COBICS) is a microgel-based bioprinting technique that uniquely replicates the mineral and cellular structure of bone. COBICS prints complex, biologically relevant constructs without the need for sacrificial support materials or harsh postprocessing steps (e.g., radiation and high-temperature sintering), which are two of the biggest challenges in the additive manufacturing of bone mimetic constructs. This technique is enabled via the freeform extrusion of a novel calcium phosphate-based ink within a gelatin-based microgel suspension. The yield-stress properties of the suspension allow deposition and support the printed bone structure. UV crosslinking and nanoprecipitation then "lock" it in place. The ability to print nanostructured bone-mimetic ceramics within cell-laden biomaterials provides spatiotemporal control over macro- and micro-architecture and facilitates the real-time fabrication of complex bone constructs in clinical settings.

This protocol describes a 3D printing technique to fabricate bone-like structures by depositing a calcium phosphate ink in a gelatin-based granular support. Printed bone analogs are deposited in freeform, with flexibility for direct harvesting of the print or crosslinking within a living cell matrix for multiphasic constructs.

Bioimpressão Cerâmica Omnidirecional em Suspensões Carregadas de Células para a Geração de Análogos Ósseos

Structurally, bone tissue is an inorganic-organic composite containing metabolically active cells embedded within a hierarchical, highly mineralized ...

Synthesis of Graphene-Hydroxyapatite Nanocomposites for Potential Use in Bone Tissue Engineering

Developing novel materials for bone tissue engineering is one of the most important thrust areas of nanomedicine. Several nanocomposites have been fabricated with hydroxyapatite to facilitate cell adherence, proliferation, and osteogenesis. In this study, hybrid nanocomposites were successfully developed using graphene nanoribbons (GNRs) and nanoparticles of hydroxyapatite (nHAPs), that when employed in bioactive scaffolds may potentially improve bone tissue regeneration. These nanostructures can be biocompatible. Here, two approaches were used for preparing the novel materials. In one approach, a co-functionalization strategy was used where nHAP was synthesized and conjugated to GNRs simultaneously, resulting in nanohybrids of nHAP on GNR surfaces (denoted as nHAP/GNR). High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) confirmed that the nHAP/GNR composite is comprised of slender, thin structures of GNRs (maximum length of 1.8 &#181;m) with discrete patches (150-250 nm) of needle-like nHAP (40-50 nm in length). In the other approach, commercially available nHAP was conjugated with GNRs forming GNR-coated nHAP (denoted as GNR/nHAP) (i.e., with an opposite orientation relative to the nHAP/GNR nanohybrid). The nanohybrid formed using the latter method exhibited nHAP nanospheres with a diameter ranging from 50 nm to 70 nm covered with a network of GNRs on the surface. Energy dispersive spectra, elemental mapping, and Fourier transform infrared (FTIR) spectra confirmed the successful integration of nHAP and GNRs in both nanohybrids. Thermogravimetric analysis (TGA) indicated that the loss at elevated heating temperatures due to the presence of GNRs was 0.5% and 0.98% for GNR/nHAP and nHAP/GNR, respectively. The nHAP-GNR nanohybrids with opposite orientations represent significant materials for use in bioactive scaffolds to potentially promote cellular functions for improving bone tissue engineering applications.

Novel nanocomposites of graphene nanoribbons and hydroxyapatite nanoparticles were prepared using solution-phase synthesis. These hybrids when employed in bioactive scaffolds can exhibit potential applications in tissue engineering and bone regeneration.

Síntese de Nanocompositos de Grafeno-Hidroxiapatita para uso potencial em engenharia de tecido ósseo

Developing novel materials for bone tissue engineering is one of the most important thrust areas of nanomedicine. Several nanocomposites have been ...

Microfluidic Synthesis of Microgel Building Blocks for Microporous Annealed Particle Scaffold

The microporous annealed particle (MAP) scaffold platform is a subclass of granular hydrogels. It is composed of an injectable slurry of microgels that can form a structurally stable scaffold with cell-scale porosity in situ following a secondary light-based chemical crosslinking step (i.e.,&#160;annealing). MAP scaffold has shown success in a variety of regenerative medicine applications, including dermal wound healing, vocal fold augmentation, and stem cell delivery. This paper describes the methods for synthesis and characterization of poly(ethylene glycol) (PEG) microgels as the building blocks to form a MAP scaffold. These methods include the synthesis of a custom annealing macromer (MethMAL), determination of microgel precursor gelation kinetics, microfluidic device fabrication, microfluidic generation of microgels, microgel purification, and basic scaffold characterization, including microgel sizing and scaffold annealing. Specifically, the high-throughput microfluidic methods described herein can produce large volumes of microgels that can be used to generate MAP scaffolds for any desired application, especially in the field of regenerative medicine.

This protocol describes a set of methods for synthesizing the microgel building blocks for microporous annealed particle scaffold, which can be used for a variety of regenerative medicine applications.

Síntese Microfluiídica de Blocos de Construção de Microgel para andaime de partículas recíprocas microporosas

The microporous annealed particle (MAP) scaffold platform is a subclass of granular hydrogels. It is composed of an injectable slurry of microgels that ...