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
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Questo lavoro è stato sostenuto da una borsa di studio EPSRC CASE in collaborazione con Ceramisys Ltd. ed è anche associato con mede innovazione, il Centro EPSRC per il settore manifatturiero innovativo in dispositivi medici [codice di autorizzazione EP / K029592 / 1]. Gli autori desiderano inoltre ringraziare Robert Burton alla Sheffield Hallam University per l&#39;analisi XRF.

<img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig1.jpg" /> Figura 1. Schema di preparazione mix rapido bioispirati idrossiapatite nanoscala. La soluzione di acido fosforico è stata versata in sospensione di idrossido di calcio. Dopo la sospensione costante durante la notte, il NHA è stato lavato con acqua deionizzata prima di essere essiccato a 60 a 80 ° C. NHA stato quindi macinato in un mortaio di agata e pestello e sinterizzato per studiare la stabilità termica del prodotto NHA. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 1. Rapid Mix Produzione di Nanoscale idrossiapatite <ol><li> Preparazione di soluzioni calcio e fosforo per preparare 5 g di nanoscala idrossiapatite con un calcio al fosforo rapporto molare di 1,67. <ol><li> Aggiungere 3.705 g di idrossido di calcio per500 mL di acqua deionizzata e mescolare su una piastra agitatore magnetico per 1 ora a 400 rpm. </li><li> In un becher separata, sciogliere 3.459 g di acido fosforico (85%) in 250 mL di acqua deionizzata. </li></ol></li><li> Versare la soluzione di fosforo in agitazione la sospensione di idrossido di calcio ad una velocità di circa 100 ml / s. Coprire bicchiere con Parafilm (Bemis, Stati Uniti d&#39;America). </li><li> Lasciare la sospensione sotto agitazione per 1 ora a 400 rpm. </li><li> Prendete il bicchiere dalla piastra agitatore e lasciare riposare durante la notte. </li><li> Lavare la sospensione versando il sopranatante e aggiungendo 500 ml di acqua deionizzata e agitazione per 1 min a 400 rpm. Ripetere questa operazione tre volte in totale, con 2 h tra ogni lavaggio. </li><li> Lasciare sospensione Nha riposare una notte. </li><li> Eliminare il surnatante limpido e posizionare la sospensione NHA si stabilì in una stufa ad 60 a 80 ° C. </li><li> Una volta asciutta, posizionare il Nha essiccato in un mortaio di agata e pestello e macinare fino a fine. </li><li> Mettere 2,5 g di proPolvere dotto NHA in un crogiolo e sinterizzazione polvere di allumina a 1000 ° C per 2 ore utilizzando una velocità di rampa di 10 ° C / min. Dopo il trattamento termico, lasciare il NHA raffreddare nel forno. </li><li> polveri Conservare in un essiccatore a vuoto. </li></ol> 2. Caratterizzazione di Nanoscale idrossiapatite <ol><li> Diffrazione di raggi X (XRD) utilizzando diffrattometri modalità di trasmissione <ol><li> Mettere una piccola quantità (cioè meno di 200 ml) di poli (vinil alcool) (PVA) colla sulla pellicola di acetato e mescolare con una piccola quantità (cioè meno di 100 mg) di Nha in polvere. </li><li> Trattare con una pistola ad aria calda fino a secco. </li><li> Montare il campione in un supporto del campione e carico su una modalità di trasmissione diffrattometro a raggi X con radiazione Cu K α. </li><li> Utilizzare le impostazioni diffrattometro di 40 kV e 35 mA, con una gamma 2θ di 10-70 °. </li><li> Analizzare i modelli XRD risultanti. </li><li> Utilizzare le seguenti carte XRD per l&#39;identificazione di fase: Idrossiapatite: 9-432. beta-tricalcio fosfato: 04-014-2292. </li></ol></li><li> Microscopia elettronica a trasmissione (TEM) <ol><li> Mettere una piccola quantità di polvere (cioè meno di 10 mg) in un bijou e aggiungere circa 3 mL di etanolo. </li><li> si osserva 30 minuti fino a una sospensione omogenea - campione Ultra-ultrasuoni per 15. </li><li> Pipettare una piccola quantità di soluzione (cioè meno di 1 mL) su una griglia di rame 400 ingranano con pellicola di carbonio, e lasciare asciugare. </li><li> campioni di immagine con una tensione di accelerazione di 80 kV. </li></ol></li><li> Fluorescenza a raggi X (XRF) servizio da parte dei Materiali e Ingegneria Research Institute (MERI) alla Sheffield Hallam University <ol><li> Combinare 0,8 g Nha polvere con 8 g di tetraborato di litio. </li><li> Sciogliere miscela in un crogiolo lega di platino-oro con un forno impostato a 1200 ° C. </li><li> Analizzare i campioni risultanti in uno spettrometro XRF per determinare la composizione elementare dii campioni. </li></ol></li><li> Trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa in modalità riflettanza totale attenuata (FTIR-ATR) <ol><li> Eseguire 64 scansioni in background di 4.000 - 500 cm-1 con una risoluzione di 4 cm -1. </li><li> Mettere una piccola quantità (cioè meno di 100 mg) di NHA polvere sulla parte superiore del diamante l&#39;adattatore totale attenuata riflettanza e comprimere sulla superficie del diamante con il tappo a vite. </li><li> Eseguire 32 scansioni 4.000 - 500 cm -1 con una risoluzione di 4 cm -1 con i precedenti scansioni sottratte dalle scansioni campione. </li></ol></li></ol>

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Apatite naturale è composto di nanoparticelle di idrossiapatite non stechiometrica gassata con la formula chimica approssimativa di Ca 10 xy [(HPO 4) (PO 4)] 6-x (CO 3) y (OH) 2-x. La produzione di biomateriali con stretta somiglianza chimica naturalmente minerale presente stato segnalato per promuovere risposte biologiche ottimali. Per esempio, la ricerca sulla biomimetica calcio-carenti gassata NHA ha dimostrato di essere in grado di stimolare la proliferazione e l&#39;attività della fosfatasi alcalina di cellule murine preosteoblast in misura maggiore rispetto ai convenzionali NHA 19. In questo studio, la precipitazione di HA che mostrava parziale decomposizione termica a 1.000 ° C (figura 2) ha suggerito la formazione di un HA calcio-carenti. Questo è stato sostenuto dalla inferiori a Ca stechiometrico: rapporto P (1.63) ottenuti con i dati XRF (Tgrado 1). Resta inteso che un Ca ridotta: rapporto P è associato con un minore stabilità termica 20, 21, 22, 23. In questo metodo, la rapida aggiunta della soluzione di acido fosforico rapidamente abbassa il pH della sospensione di reazione per generare HPO 4 ioni. La presenza di HPO 4 gruppi facilitato la precipitazione del calcio carente HA, con la formula molecolare: Ca 10-x (HPO 4) x (PO 4) 6-x (OH) 2-x, dove 0 &lt;x &lt;1. La rapida aggiunta dell&#39;acido fosforico ha quindi un effetto marcato sulla cinetica di precipitazione della reazione. Come descritto in precedenza, le reazioni che coinvolgono titolazione idrossido di calcio e acido fosforico effettuata a temperatura ambiente tendevano a produrre particelle con un elevato rapporto di aspetto 13. per titration reazioni che coinvolgono questi reagenti, è stato necessario utilizzare una temperatura elevata per produrre particelle con un rapporto di aspetto inferiore che sono più simili a apatite biologica 13. Particelle elevato allungamento sono prodotte quando il tasso di nucleazione cristallo è più lento rispetto al tasso di crescita dei cristalli 24. Per il nuovo metodo sviluppato in questo studio, la rapida aggiunta della soluzione di acido fosforico può essere fornito un numero maggiore di siti di nucleazione che ha portato alla maggiore presenza di piccole particelle arrotondate rispetto a meno particelle con un rapporto di formato più grande. Poiché gli autori non sono completamente studiato gli effetti di versare lentamente l&#39;acido fosforico nella sospensione di idrossido di calcio, al fine di ottenere risultati coerenti si consiglia l&#39;acido fosforico viene versata ad una velocità commisurata a quella mostrata nel video (circa 100 mL / S). Durante lo sviluppo di questo metodo, gli autori investigated una serie di modifiche incrementali al metodo di preparazione NHA basato su Prakash et al. 13 compreso il confronto dei prodotti realizzati con la titolazione lenta e la rapida aggiunta della soluzione di acido fosforico 25. Si è constatato che la lenta titolazione di acido fosforico nella sospensione di idrossido di calcio si ottenne un prodotto con un residuo idrossido di calcio. Si propone che il cambiamento di pH causato dalla rapida aggiunta di acido fosforico incoraggiato lo scioglimento dell&#39;idrossido di calcio e perciò consentito per la conversione di successo dei reagenti in idrossiapatite. Un confronto dei prodotti preparati con il metodo di miscelazione rapida a camera e temperature elevate (60 ° C) hanno trovato che una temperatura elevata determinato una maggiore conduttività dopo la reazione è stata completata. Questo suggerisce che l&#39;idrossido di calcio residuo era presente che era probabilmente dovuto alla minore solubilità di idrossido di calcio aaumento delle temperature. La presenza di idrossido di calcio residuo è desiderabile in quanto la natura di base di questo composto potrebbe compromettere biocompatibilità. FTIR rilevata l&#39;attività caratteristica fosfato e ossidrile gruppo associato con HA (figura 3). È stato osservato che lo spettro del prodotto sinterizzato mostrato nitide fosfato e ossidrile picchi. Questi cambiamenti sono stati associati con una maggiore cristallinità del prodotto 26, 27 .La spettro non sinterizzato fornito la prova di tipo B sostituzione carbonato dove ioni di carbonato hanno sostituito per gruppi fosfato. Questo è in contrasto con un tipo di sostituzione in cui ioni carbonato possono sostituire gruppi ossidrilici 17. E &#39;stato riportato che la sostituzione B-tipo di carbonato avviene in apatite biologica 3. Tuttavia, Tampieri et al. ha riferito che, mentre B-tipo di sostituzione è stato predominformica nei giovani le ossa, di tipo A sostituzione di carbonato è sempre più presente nelle ossa di individui più anziani 28. sostituzione del carbonato è stato trovato per diminuire la cristallinità e la stabilità termica della NHA mentre aumentando la sua solubilità. Sono stati proposti Queste modifiche contribuire all&#39;aumento bioattività di carbonato-sostituito HA 29. HA biologica è noto anche per contenere alcuni degli altri elementi rilevati nell&#39;analisi XRF (Tabella 1), come magnesio, sodio e stronzio 30. La presenza di questi elementi può anche contribuire ad aumentare efficacia biologica. Il lavoro futuro dovrebbe essere diretto alla preparazione di questi apatite in nanoscala sostituito, e anche i prodotti con una maggiore biofunzionalità come l&#39;argento-drogato nha 31. Per preparare sostituito NHA, l&#39;elemento può essere introdotta con una corrispondente riduzione dell&#39;elemento prevista per Substitute per, ad esempio, una riduzione della quantità del composto di calcio quando stronzio, magnesio o zinco sostituzione viene tentato 32. In alternativa, un altro approccio potrebbe essere quello di aggiungere elementi con l&#39;intento di fornire ioni &#39;drogati&#39;, che sono presenti sulla superficie della NHA senza necessariamente intenzione di sostituire l&#39;elemento nel reticolo cristallino HA 31. Per queste modifiche al metodo è possibile preparare soluzioni miste come idrossido di calcio e nitrato d&#39;argento, e di effettuare la reazione nello stesso modo come descritto qui. In conclusione, questo lavoro riporta un metodo rapido e sostanzialmente migliorata innovativo per la preparazione di bioispirati NHA. Per questo metodo, la rapida miscelazione delle sostanze chimiche richiede meno di 5 secondi, che è una marcata riduzione del tempo rispetto al titolazioni reazioni tipicamente richiedono ore di attento monitoraggio. Esso ha un grande potenziale per l&#39;utilizzo in biomatsviluppo erial a causa della sua relativa semplicità e basso costo rispetto ai metodi di produzione industriali Nha attualmente utilizzati in cui la complessità intrinseca delle attuali risultati dei sistemi commerciali in tempi di ricerca e sviluppo lunghe, e aumentato notevolmente i costi di produzione. In particolare, questo nuovo metodo è superiore ai processi di flusso continuo o tecniche idrotermali a causa della minore notevolmente i requisiti investimenti in attrezzature di start-up.

C&#39;è un grande bisogno clinico per biomateriali avanzati con funzionalità avanzate, al fine di migliorare la qualità della vita dei pazienti e di ridurre gli oneri di assistenza sanitaria di una popolazione che invecchia globale. Idrossiapatite è stato ampiamente utilizzato in applicazioni mediche per molti anni a causa della sua buona biocompatibilità. Recentemente, c&#39;è stato un crescente interesse per l&#39;uso di nanoscala idrossiapatite (NHA), in particolare per la rigenerazione tissutale mineralizzato in medicina e odontoiatria. Il minerale che si trova nelle ossa e lo smalto dei denti è il calcio-carenti, multi-sostituito, idrossiapatite nanoscala. Le stime per le dimensioni delle piastrine biologici Nha riportano dimensioni di 50 nm x 30 nm x 2 nm 1, con strutture più piccole descritti in osso immaturo 2. Contrastingly, il minerale in smalto dei denti è da 10 a 100 volte più grande di quella che si trova nel tessuto osseo sia in lunghezza e larghezza 3, 4. sintetico nha<html> potrebbe essere migliore Definito bioispirati piuttosto che biomimetica, come stiamo cercando di tradurre le osservazioni per quanto riguarda le caratteristiche dei materiali naturali in tecnologie mediche con prestazioni migliorate. È stato suggerito che bioispirati NHA può essere più favorevole in applicazioni rigenerazione ossea e tessuto dentale a causa della sua somiglianza naturale minerale 5. Ci sono vari metodi che sono stati segnalati per preparare Nha compreso idrotermale 6, spray secco 7 e sol-gel 8 tecniche. Di questi, il metodo di precipitazione umido viene considerato un metodo relativamente conveniente per la produzione di NHA. Nha metodi di precipitazione bagnato pubblicati includono generalmente una fase di titolazione durante la miscelazione di calcio e fosforo precursori chimici 9, 10, 11,ref &quot;&gt; 12, 13, 14. Tuttavia, questi approcci sono associati con una serie di inconvenienti tra cui processi lunghi e complessi combinati in alcuni casi con la necessità di apparecchiature costose. La produzione commerciale può essere ancora più complesso, con brevetti descrivono reattori sofisticati per fabbricazione di grado medico di alta qualità NHA 15. Ciononostante, la reazione di neutralizzazione fra idrossido di calcio e acido fosforico è vantaggioso a causa della mancanza di chimica nociva sottoprodotti. Il rapporto tra le condizioni di lavorazione e la morfologia del prodotto NHA &#39;stato segnalato reazioni titolazione lente. In particolare, per i metodi di titolazione coinvolgono idrossido di calcio e acido fosforico, una temperatura elevata sembrava favorire la preparazione di particelle con un basso rapporto aspetto 13. Questo lavoro è stato notevolmente ampliato da Genpiastrelle et al. 16 che ha dimostrato la relazione tra temperatura e altre condizioni di lavorazione sulla qualità dei prodotti NHA da una vasta gamma di metodi. Ha concluso che il metodo di precipitazione chimica umida di Prakash 13 fatto prodotti di alta qualità, ma va notato che i risultati dipendevano / processi di miscelazione tecnicamente impegnativi e lenti. Il passo di titolazione originale Prakash prende più di un&#39;ora. Tuttavia, i tempi di titolazione più lunghi possono essere richiesti per lotti più grandi per essere preparati. Per riassumere, mentre l&#39;influenza di diversi fattori quali la temperatura sono ora stati ampiamente studiati, quasi nessuna attenzione è stata diretta a ridurre la complessità e il tempo necessario per eseguire i metodi di titolazione basati associata. Lo scopo di questo studio è stato quindi quello di indagare gli effetti di applicazione di un avvicinamento rapido mix per la produzione di un Nha bioispirati, e pienamente caratterizzazioneZE i materiali risultanti. In caso di successo, un approccio mix rapida semplificato avrebbe grandi benefici per i ricercatori di laboratorio e l&#39;industria allo stesso modo in cui i costi di produzione potrebbero essere sostanzialmente ridotti senza compromettere la qualità.

<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

Idrossiapatite (HA) è stato ampiamente usato come una ceramica medica grazie alla sua buona biocompatibilità e osteoconduttività. Recentemente vi è stato interesse per quanto riguarda l&#39;uso di idrossiapatite nanoscala bioispirati (NHA). Tuttavia, apatite biologica si caratterizza per essere calcio-carenti e carbonato di-sostituito con morfologia piastrinica come nanoscala. Bioispirati Nha ha il potenziale per stimolare la rigenerazione del tessuto osseo ottimale a causa della sua somiglianza con ossa e lo smalto dei denti minerale. Molti dei metodi attualmente utilizzati per fabbricare NHA sia in laboratorio e commercialmente, coinvolgere lunghi processi e complessi. Pertanto, lo scopo di questo studio è stato quello di sviluppare un metodo rapido e affidabile per la preparazione di alta qualità bioispirati Nha. Il metodo di miscelazione rapida sviluppata è stata basata su una reazione acido-base coinvolge idrossido di calcio e acido fosforico. Brevemente, una soluzione di acido fosforico è stata versata in una soluzione di idrossido di calcio seguita da agitazione, lavaggio efasi di essiccazione. Parte del lotto è stato sinterizzato a 1000 ° C per 2 h per investigare elevata stabilità termica dei prodotti. -Analisi diffrattometrica ha mostrato la formazione di successo di HA, che ha mostrato la decomposizione termica di beta-tricalcio fosfato dopo trattamento ad alta temperatura, che è tipico per HA calcio-carenti. Trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa ha mostrato la presenza di gruppi carbonato nel prodotto precipitato. Le particelle NHA avevano un basso rapporto di aspetto con dimensioni di circa 50 x 30 nm, vicino alle dimensioni di apatite biologica. Il materiale era anche calcio carente con Ca: rapporto molare P di 1,63, che come apatite biologica è inferiore al rapporto stechiometrico HA di 1,67. Questo nuovo metodo è quindi un processo affidabile e molto più conveniente per la fabbricazione di bioispirati NHA, superando la necessità di lunghe titolazioni e complessi. Il prodotto HA bioispirati risultante è adatto per l&#39;uso in un&#39;ampia varietà diapplicazioni sanitarie mediche e dei consumatori.

<html> Spettri XRD (Figura 2) hanno mostrato la precipitazione di una fase pura HA con ampi picchi, indicando una relativamente piccola dimensione dei cristalliti e / o la natura amorfa. Dopo la sinterizzazione ad alta temperatura, è stata rilevata β-tricalcio fosfato (β-TCP), insieme a una fase principale di HA. L&#39;affilatura dei picchi di diffrazione, cioè una riduzione completa mezza larghezza massima, indicato un aumento della dimensione dei cristalliti dopo sinterizzazione. <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig2.jpg" /> Figura 2. Analisi fase cristallina di prodotti. diffrazione di raggi X (XRD) modelli di non sinterizzato polvere di idrossiapatite nanoscala (NHA) e polvere di NHA sinterizzati a 1000 ° C per 2 h. etichette di picco: ▼ picchi di idrossiapatite, ■ β-tricalcio fosfato picchi.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. FTIR-ATR spettri (Figura 3) ha confermato la formazione di una fase HA da parte del fosfato caratteristico e bande idrossilici 17, 18. Nel dettaglio sono stati assegnati i gruppi come segue: 3.750 cm -1 (OH - allungare ν OH); 1.086 e 1.022 cm -1 (PO 4 3- ν 3); 962 cm -1 (PO 4 3- ν 1); 630 cm -1 (OH - librazione δ OH); 600 e 570 cm -1 (PO 4 3- ν 4). Nel campione non sinterizzato sono stati assegnati i picchi supplementari come segue: Broad Peak incentrato 3.400 cm -1 (molecole d&#39;acqua assorbita); 1.455 e 1.410 cm -1 (CO 3 2- ν 3); 880 cm <sup&gt; -1 (CO 3 2- ν 2). L&#39;acqua e carbonato gruppi assorbite osservati in polvere non sinterizzato sono stati rimossi durante la fase di sinterizzazione ad alta temperatura. Il processo di sinterizzazione anche affilato le bande di idrossile e fosfato, che si è manifestata con una maggiore picco alla depressione distanza. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig3.jpg" /> Figura 3. spettri infrarossi di prodotti. Trasformata di Fourier a raggi infrarossi in attenuato modalità totale riflettanza (FTIR-ATR) spettri di polvere non sinterizzato nanoscala idrossiapatite (NHA) e polvere di Nha sinterizzato a 1000 ° C per 2 ore. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Immagini TEM (Figura 4) hanno mostrato la formazione di particelle su scala nanometrica ingegnoh dimensioni di circa 50 nm da 30 nm. Le particelle avevano un rapporto di aspetto bassa (lunghezza delle particelle di larghezza / particelle) di circa 1,7. La dimensione e la forma dei prodotti nanoscala erano di dimensioni simili a apatite biologica 1. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig4.jpg" /> Figura 4. Nanoscale morfologia del prodotto. microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di nanoscala idrossiapatite (NHA) preparati secondo il metodo di miscelazione rapida a due ingrandimenti. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Quantitative analisi chimica della polvere NHA via XRF (Tabella 1) ha permesso calcio: rapporto fosforo calcolato come 1.63, che è leggermente inferiore a quella stechiometrica HA which ha un calcio: rapporto di fosforo di 1,67. XRF anche mostrato l&#39;elevata purezza del prodotto NHA con solo tracce di altri elementi registrati. <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> Na 2 O </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> SiO 2 </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> TiO 2 </td><td> 0.01 </td></tr></tbody></table>Tabella 1. analisi chimica quantitativa di prodotto. fluorescenza a raggi X (XRF) risultati per non sinterizzato polvere Nha ha mostrato&gt; 99% di purezza, in peso.

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Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Questo documento descrive un nuovo metodo per la rapida produzione di alta qualità nanoscala bioispirati idrossiapatite. Questo biomateriale è di grande importanza nella produzione di una vasta gamma di dispositivi medici innovativi per applicazioni cliniche in ortopedia, chirurgia craniofacciale e odontoiatria.

Rapid Mix Preparazione di bioispirati Nanoscale idrossiapatite per applicazioni biomediche

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

rapid-mix-preparation-bioinspired-nanoscale-hydroxyapatite-for

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

19.1K Views.  University of Sheffield.  Questo documento descrive un nuovo metodo per la rapida produzione di alta qualità nanoscala bioispirati idrossiapatite. Questo biomateriale è di grande importanza nella produzione di una vasta gamma di dispositivi medici innovativi per applicazioni cliniche in ortopedia, chirurgia craniofacciale e odontoiatria. 

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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.

Separazione di DNA a singolo filamento, doppia elica del DNA e RNA da una Comunità Ambientale virale usando la cromatografia idrossiapatite

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

Ricerca

Immunologia e infezioni

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 preparazione di particelle ultra-fine di idrossido di alluminio con o senza MCP-41 mesoporous in ambienti ambientali

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 ...

Chimica

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.

Sviluppo di amelogenina-chitosano Hydrogel per<em&gt; In Vitro</em&gt; Smalto ricrescita con una interfaccia Dense

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

Bioingegneria

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.

Preparazione di silice funzionale utilizzando un metodo bioinalati

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.

Modelli Distinctive capillare azione da micro-canali in osso, come può migliorare reclutamento di cellule per il Restauro di grande Bony difetto

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.

Preparazione di Thermoresponsive Nanostrutturati Superfici Tissue Engineering

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.

Forno a microonde-driven sintesi di ossido di ferro Nanoparticelle per il rilevamento rapido di aterosclerosi

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.

Bioprinting omnidirezionale ceramico in sospensioni caricate di cellule per la generazione di analoghi ossei

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.

Sintesi di nanocompositi di grafene-idrossiapatite per un potenziale utilizzo nell'ingegneria dei tessuti ossei

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.

Sintesi microfluidica di blocchi costitutivi in microgel per scaffold di particelle ricotto microporose

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