Detta dokument beskriver ett nytt förfarande för den snabba tillverkningen av hög kvalitet Bioinspired nanoskala hydroxiapatit. Detta biomaterial är av stor betydelse vid tillverkning av ett brett spektrum av innovativa medicintekniska produkter för kliniska tillämpningar inom ortopedi, kraniofaciala kirurgi och tandvård.
Hydroxyapatit (HA) har använts i stor utsträckning som en medicinsk keramik på grund av dess goda biokompatibilitet och osteokonduktivitet. Nyligen har det funnits intresse när det gäller användningen av Bioinspired nano hydroxyapatit (NHA). Emellertid är biologisk apatit känd för att vara kalcium-brist och karbonat-substituerat med en nanoskala plattliknande morfologi. Bioinspired NHA har potential att stimulera optimal ben vävnadsregenerering på grund av dess likhet med ben och tandemalj mineral. Många av de metoder som för närvarande används för att tillverka NHA både i laboratoriet och kommersiellt, involverar långvariga processer och komplicerad utrustning. Därför är syftet med denna studie var att utveckla en snabb och pålitlig metod för att framställa högkvalitativt Bioinspired NHA. Den snabba blandningsmetod utvecklades var baserad på en syra-bas-reaktion innefattande kalciumhydroxid och fosforsyra. I korthet sattes en fosforsyralösning hälldes i en kalciumhydroxidlösning följt av omröring, tvättning ochtorkningsstegen. Del av denna sändning sintrades vid 1000 ° C under 2 h för att undersöka produkternas höga temperaturstabilitet. Röntgendiffraktion analys visade den framgångsrika bildningen av HA, som visade termisk sönderdelning till p-trikalciumfosfat efter bearbetning vid hög temperatur, vilket är typiskt för kalcium-deficient HA. FTIR visade närvaron av karbonatgrupper i den utfällda produkten. Nha partiklarna hade ett förhållande med låg aspekt med ungefärliga måtten 50 x 30 nm, nära dimensionerna av biologisk apatit. Materialet var också kalcium deficient med ett Ca: P-molförhållande av 1,63, som liksom biologisk apatit är lägre än det stökiometriska HA förhållande av 1,67. Denna nya metod är därför en pålitlig och mycket mer bekvämt förfarande för framställning av Bioinspired NHA, övervinna behovet av långdragna titreringar och komplicerad utrustning. Den resulterande Bioinspired HA produkt är lämplig för användning i en mängd olikamedicinska och konsumenternas hälsa applikationer.
Det finns ett stort kliniskt behov av avancerade biomaterial med utökad funktionalitet för att förbättra livskvaliteten för patienter och för att minska vård bördan av en global åldrande befolkning. Hydroxyapatit har använts i stor utsträckning i medicinska tillämpningar under många år på grund av dess goda biokompatibilitet. På senare tid har det funnits ett ökat intresse för användning av nano hydroxyapatit (NHA), särskilt för mineraliserad vävnad regenerering i medicin och odontologi. Det mineral som finns i ben och tandemaljen är kalciumfattig, multi-substituerade, nanoskala hydroxylapatit. Uppskattningar för storleken av biologiska NHA trombocyter rapporterar dimensionerna 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, med ännu mindre strukturer som beskrivs i omogna ben 2. I motsats, är ett mineral i tandemaljen 10 till 100 gånger större än den som finns i benvävnad i både längd och bredd 3, 4. syntetisk NHA kan vara bättre benämnd Bioinspired snarare än biomimetisk, som vi försöker översätta synpunkter angående egenskaperna hos naturliga material i medicinsk teknik med förbättrad prestanda. Det har föreslagits att Bioinspired NHA kan vara gynnsammare i ben och tandvävnad regenere applikationer på grund av dess likhet med naturligt förekommande mineral 5.
Det finns olika metoder som har rapporterats att förbereda nha inklusive hydrotermisk 6, spray torr 7 och sol-gel 8 tekniker. Av dessa är den våta fällningsmetoden anses vara en relativt bekväm metod för framställning av NHA. De publicerade NHA våt utfällningsmetoder innefattar i allmänhet en titrering steg vid blandning kalcium och fosfor kemiska prekursorer 9, 10, 11,ref "> 12, 13, 14. Men dessa metoder i samband med ett antal nackdelar inklusive långa och komplexa processer kombineras i vissa fall med behovet av dyr utrustning. Produktion kan vara ännu mer komplicerad, med patent som beskriver avancerade reaktorer för tillverkning av hög kvalitet medicinsk kvalitet NHA 15. Trots detta är fördelaktigt neutralisationsreaktionen mellan kalciumhydroxid och fosforsyra på grund av avsaknaden av skadliga kemiska biprodukter.
Förhållandet mellan bearbetningsbetingelser och morfologin hos NHA produkten har rapporterats för långsam titrering reaktioner. Specifikt för titreringsmetoder inbegriper kalciumhydroxid och fosforsyra visade sig en förhöjd temperatur för att gynna framställningen av partiklar med ett lågt aspektförhållande 13. Detta arbete har förlängts avsevärt genom Genkakel et al. 16 som visade förhållandet mellan temperatur och andra processbetingelser på kvaliteten på NHA produkter från en rad olika metoder. Han drog slutsatsen att den våta kemisk fällning metod för Prakash 13 gjort av högsta kvalitet, men det bör noteras att resultaten var beroende av tekniskt utmanande och långsam / blandningsprocesser. Den ursprungliga Prakash titrering steg tar över en timme. Dock kan längre titrering gånger krävas för större partier att vara förberedd.
För att summera, medan påverkan av flera faktorer, inklusive temperatur har nu studerats ingående, nästan ingen uppmärksamhet har riktats på att minska komplexiteten och tillhörande tid som behövs för att utföra titrering baserade metoder. Syftet med denna studie var därför att undersöka effekterna av att tillämpa en snabb mix när det gäller tillverkning av en Bioinspired NHA, och att till fullo känneze de resulterande materialen. Om detta lyckas, skulle en förenklad snabb mix tillvägagångssätt har stora fördelar för laboratorieforskare och industri både när tillverkningskostnader kan minskas väsentligt utan att kompromissa kvaliteten.
Naturlig apatit består av nanopartiklar av icke-stökiometrisk carbonated hydroxiapatit med den ungefärliga kemiska formeln för Ca 10-xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. Produktionen av biomaterial med nära kemisk likhet med naturligt förekommande mineral har rapporterats att främja optimala biologiska svar. Exempelvis har forskning om biomimetisk kalcium-deficient kolsyrat NHA visas den har möjlighet att stimulera proliferation och den alkaliska fosfatasaktiviteten av murina preosteoblast celler till en högre grad än konventionella NHA 19.
I denna studie, utfällningen av HA som visade partiell termisk nedbrytning vid 1000 ° C (figur 2) antydde bildning av ett kalcium-deficient HA. Detta stöddes av lägre än stökiometriska Ca: P-förhållande (1,63) erhållen med XRF-data (Tkunna 1). Det är underförstått att en reducerad Ca: P-kvot är associerat med en lägre termisk stabilitet 20, 21, 22, 23. I denna metod, den snabba tillsatsen av fosforsyralösning snabbt sänkt pH för reaktionssuspensionen att generera HPO 4 joner. Närvaron av HPO 4 grupper lättade utfällningen av kalciumfattig HA, med molekylformeln: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, där 0 <x <1.
Den snabba tillsatsen av fosforsyran hade därför en markant effekt på fällnings kinetiken för reaktionen. Såsom beskrivits tidigare, titreringsmetoder reaktioner som innefattar kalciumhydroxid och fosforsyra genomfördes vid rumstemperatur tenderade att ge partiklar med en hög bildkvot 13. för titration reaktioner som inbegriper dessa reaktanter, var det nödvändigt att använda en förhöjd temperatur för framställning av partiklar med en lägre sidförhållande som är mer liknar biologisk apatit 13. Med högt sidoförhållande partiklar produceras när kristallen kärnbildning hastigheten är långsammare än den kristalltillväxthastighet 24. För den nya metod som utvecklats i denna studie, kan den snabba tillsatsen av fosforsyralösning har lämnat ett större antal kärnbildningsställen som resulterade i den ökade närvaron av små rundade partiklar i motsats till färre partiklar med en större bildkvot. Som författarna inte har undersökt fullständigt effekterna av långsamt hälla fosforsyran in i kalciumhydroxidsuspension, i syfte att uppnå konsekventa resultat rekommenderar vi att fosforsyran hälls i en takt motsvarande den som visas i videon (ca 100 ml / s).
Under utvecklingen av denna metod, författarna INVestigated ett antal enskilda förändringar i NHA framställningsmetod baserad på Prakash et al. 13 inklusive jämförelsen av produkter som produceras med den långsamma titrering och den snabba tillsatsen av fosforsyralösning 25. Det visade sig att den långsamma titrering av fosforsyra i kalciumhydroxidsuspension resulterade i en produkt med en kalciumhydroxid återstod. Vi föreslår att pH-förändringen som förorsakas av snabb tillsats av fosforsyra uppmuntrade upplösning av kalciumhydroxid och därför tillåts för den framgångsrika omvandlingen av reaktanterna till hydroxiapatit. En jämförelse av produkter som framställes med användning av den snabba blandningsmetoden vid rums- och förhöjda temperaturer (60 ° C) fann att en förhöjd temperatur resulterade i en högre konduktivitet efter det att reaktionen fullbordades. Detta antydde att rest kalciumhydroxid var närvarande som var sannolikt beroende på den lägre lösligheten för kalciumhydroxid vidförhöjda temperaturer. Närvaron av kvarvarande kalciumhydroxid var icke önskvärd som den grundläggande naturen hos denna förening skulle kunna äventyra biokompatibilitet.
FTIR upptäckt karakteristiska fosfat och hydroxylgrupp aktivitet associerad med HA (Figur 3). Det konstaterades att spektrumet för den sintrade produkten visade skarpare fosfat och hydroxyl toppar. Dessa förändringar har satts i samband med en större produkt kristallinitet 26, 27 .Det osintrad spektrum tillhandahållit bevis för B-typ karbonatsubstitution där karbonatjoner har ersatt fosfatgrupper. Detta är i motsats till A-typ substitution där karbonatjoner kan ersätta hydroxylgrupper 17. Det har rapporterats att B-typ karbonat substitution förekommer i biologiska apatit 3. Emellertid Tampieri et al. rapporterade att medan B-typ substitution var predominant i unga ben, A-typ karbonat substitution var allt förekommer i ben äldre individer 28. Karbonatsubstitution har visat sig minska kristallinitet och värmestabiliteten hos NHA och samtidigt öka dess löslighet. Dessa förändringar har föreslagits att bidra till den ökade bioaktiviteten hos karbonat-substituerat HA 29. Biologisk HA är också känt för att innehålla några av de andra delarna som registrerats i XRF-analys (tabell 1), såsom magnesium, natrium och strontium 30. Närvaron av dessa element kan också bidra till ökad biologisk effekt. Framtida arbete bör inriktas på framställning av dessa nanoskala substituerade apatiter, och även produkter med ökad biofunctionality såsom silver-dopad NHA 31. För att förbereda ersätta NHA, kan elementet införas med en motsvarande minskning av den avsedda elementet att utbytbarhete för t ex en minskning i mängden av kalciumföreningen, när strontium, magnesium eller zink substitution försöks 32. Alternativt kan ett annat tillvägagångssätt vara att lägga till element med avsikt att tillhandahålla 'dopade' joner som är närvarande på ytan av den NHA utan att nödvändigtvis avser att ersätta elementet i HA kristallgittret 31. För dessa modifieringar av metoden är det möjligt att framställa blandade lösningar såsom kalciumhydroxid och silvernitrat, och att genomföra reaktionen på samma sätt som beskrivits här.
Sammanfattningsvis, rapporterar detta papper en ny snabb och väsentligen förbättrad metod för framställning av Bioinspired NHA. För denna metod, den snabb blandning av de kemikalier som tar mindre än 5 sekunder, vilket är en markant minskning av tiden jämfört med titreringar reaktioner som kräver typiskt timmar av noggrann övervakning. Den har stor potential för användning i biomaterial utveckling på grund av sin relativa enkelhet och låg kostnad jämfört med för närvarande använda industriella NHA tillverkningsmetoder där den inneboende komplexiteten i nuvarande kommersiella system resulterar i långa forsknings- och utvecklingstider och väsentligt ökade tillverkningskostnader. I synnerhet är denna nya metod överlägsen kontinuerliga flödesprocesser eller hydrotermiska tekniker på grund av betydligt lägre igångsättnings utrustning investeringsbehov.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av en EPSRC CASE anställning i samarbete med Ceramisys Ltd och är också förknippat med Mede Innovation, EPSRC Centrum för innovativa tillverknings i medicintekniska produkter [licensnummer EP / K029592 / 1]. Författarna vill också tacka Robert Burton vid Sheffield Hallam University för XRF-analys.
Calcium hydroxide (purity of ≥ 96%) | Sigma Aldrich UK | 31219 | Good laboratory practise should be used at all times including the use of appropriate personal protective equipment. |
Phosphoric acid (85 %) | Sigma Aldrich UK | 345245 | Safety goggles and a faceshield should be used when handling this product (see safety data sheet from Sigma Aldrich for further information). |
STOE IP x-ray diffractometer | Phillips | ||
International centre for diffraction data (ICDD) PDF4+ database | International Centre for Diffraction Data | ||
Holey carbon films on 300 mesh grids | Agar Scientific | S147-3H | |
Tecnai G2 Spirit transmission electron microscope | FEI | ||
Lithium tetraborate | ICPH, Malzéville, France | ||
PW2440 XRF spectrometer | Philips | ||
ThermoScientific Nikolett Spectrometer | Unicam Ltd |