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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この作品は、Ceramisys（株）と共同でEPSRCのCASEの学生の身分によってサポートされていましたし、また医療機器[認可番号EP / K029592 / 1]で革新的なものづくりのためMEDEイノベーション、EPSRCセンターに関連付けられています。著者らはまた、XRF分析のためにシェフィールド・ハラム大学のロバート・バートンに感謝したいと思います。

<img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig1.jpg" /> バイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトの急速な混合製剤の1模式図を図。リン酸溶液は、水酸化カルシウムの懸濁液に注ぎました。懸濁液を一晩沈降後、NHAは60〜80℃で乾燥される前に、脱イオン水で洗浄しました。 NHAは次にNHA物の熱安定性を調べるためにメノウ乳鉢と乳棒と焼結で粉砕しました。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> ナノスケールハイドロキシアパタイトの1.迅速なミックス生産<ol><li>カルシウムとリンの溶液の調製は、1.67のモル比をリンにカルシウムを使用してナノスケールのヒドロキシアパタイトを5gを調製しました。 <ol><li>に水酸化カルシウムの3.705グラムを追加します。500mLの脱イオン水を400rpmで1時間磁気撹拌プレート上で撹拌します。 </li><li>別のビーカーに、250mLの脱イオン水中のリン酸（85％）の3.459グラム溶解します。 </li></ol></li><li>約100ミリリットル/秒の速度で撹拌しながら水酸化カルシウム懸濁液にリン溶液を注ぎます。パラフィルム（ビーミス、USA）を入れたビーカーをカバーしています。 </li><li> 400rpmで1時間攪拌し、懸濁液を残します。 </li><li>スターラープレートからビーカーを取り、一晩を解決するために残します。 </li><li>上清を捨てると500mLの脱イオン水を添加し、400rpmで1分間攪拌することにより、懸濁液を洗います。各洗浄の間の2時間で、合計でこのステップを3回繰り返します。 </li><li>一晩の決済にNHAのサスペンションを残します。 </li><li>透明な上清を捨て、オーブン60〜80℃に設定し、乾燥に定住NHAサスペンションを配置します。 </li><li>乾燥したとき、メノウ乳鉢と乳棒に乾燥NHAを配置し、罰金まで挽きます。 </li><li>プロの2.5グラムを置き10℃/分のランプ速度を用いて、2時間、1000℃のアルミナ坩堝と焼結粉末生さNHA粉末。熱処理後、炉内で冷却するNHAを残します。 </li><li>真空デシケーター内の粉末を保管してください。 </li></ol>ナノスケールハイドロキシアパタイトの2キャラクタリゼーション<ol><li> 伝送モードの回折計を用いてX線回折（XRD） <ol><li>アセテートフィルム上にポリビニルアルコール（PVA）少量の接着剤（ すなわち未満200μL）を配置し、NHAの少量の粉末（ すなわち 100mg未満）と混合。 </li><li>乾燥するまでホットエアガンで扱います。 </li><li>試料ホルダーに試料をマウントし、CuのKα放射線を透過モードX線回折装置上にロードします。 </li><li> 10-70°の2θの範囲で、40キロボルトおよび35ミリアンペアの回折計の設定を使用します。 </li><li>得られたXRDパターンを分析します。 </li><li>相同定のために、次のXRDのカードを使用します。：ハイドロキシアパタイト：9から432。 04-014-2292：リン酸三カルシウムをβ。 </li></ol></li><li> 透過型電子顕微鏡（TEM） <ol><li>ビジューに少量の粉末（ すなわち 10mg未満）を配置し、約3 mLのエタノールを追加します。 </li><li> 15超音波処理サンプル - 均質な懸濁液になるまで30分が観察されます。 </li><li>炭素膜と400メッシュの銅グリッド上に（1 mLを超える、すなわち以下）溶液を少量をピペットし、乾燥させます。 </li><li>加速電圧80kVで画像サンプル。 </li></ol></li><li> 材料とシェフィールド・ハラム大学工学研究所（MERI）による蛍光X線（XRF）サービス <ol><li>四ホウ酸リチウムの8グラムと0.8グラムNHA粉末を兼ね備えています。 </li><li> 1200℃に設定炉を用いて白金 - 金合金るつぼ中混合物を溶かします。 </li><li>の元素組成を決定するために、XRF分光計で得られた試​​料を分析サンプル。 </li></ol></li><li> 減衰全反射モード（FTIR-ATR）赤外分光法、フーリエ変換 <ol><li> 4000から64のバックグラウンドスキャンを実行します- 500センチメートル-1の4cm -1の分解能で。 </li><li>全反射減衰モードアダプタでダイヤモンドの上にNHAの少量の粉末（ すなわち 100mg未満）を配置し、スクリュートップを用いたダイヤモンドの表面に圧縮します。 </li><li> 4000から32のスキャンを実行します- 500センチメートル-1分解能4cmで-1サンプルスキャンから差し引かバックグラウンドスキャンと。 </li></ol></li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

天然アパタイトは、Ca 10-XYのおおよその化学式[（HPO 4）（PO 4）] 6-X（CO 3）、Y（OH）2-xの非化学量論的な炭酸ヒドロキシアパタイトのナノスケールの粒子から構成されています。近い化学類似性を有する生体材料の製造は、天然に存在する鉱物は、最適な生物学的応答を促進することが報告されていることができます。例えば、生体模倣カルシウム欠損炭酸NHAの研究は、従来NHA 19よりも大きな程度に増殖し、マウスの前骨芽細胞のアルカリホスファターゼ活性を刺激することが可能であることを示しています。 本研究では、1000℃（ 図2）で部分的熱分解を示したHAの沈殿は、カルシウム欠損HAの形成を示唆しました。 T（XRFデータを用いて得られたP比（1.63）：これは、化学量論のCaよりも低くすることによってサポートされていましたできる1）。 P比が低い熱安定性20、21、22、23に関連している：CA減少することが理解されます。この方法では、リン酸溶液の急速な添加は、急速HPO 4イオンを生成するために、反応懸濁液のpHを低下させました。 HPO 4基の存在は分子式で、カルシウム欠損HAの沈殿を促進：のCa 10-x（HPO 4）x（PO 4）6-x（OH）2-x、0 &lt;X &lt;1。 リン酸の急速な添加は、したがって、反応の析出速度に顕著な効果を持っていました。前述のように、室温で行っ水酸化カルシウムおよびリン酸を含む滴定反応は、高アスペクト比13を有する粒子を生成する傾向がありました。 titratioのためnはこれらの反応物を含む反応は、生物学的アパタイト13に類似している低いアスペクト比を有する粒子を製造するために高温を使用する必要がありました。結晶核生成速度が結晶成長速度24よりも遅い場合、高アスペクト比の粒子が生成されます。本研究で開発した新しい方法では、リン酸溶液の迅速な添加は、より大きなアスペクト比を有する少数の粒子とは対照的に、小さな丸い粒子の存在の増加をもたらした核形成部位の多くを提供していることができます。著者らは、完全にゆっくりと一貫した結果を得るために、水酸化カルシウムの懸濁液に、リン酸を注入の効果を調査していないとして、我々はリン酸は、ビデオ（約100ミリリットル/に示したものに相応の速度で注入されることをお勧めします秒）。 この方法の開発中に、作者のINVPrakashさんらに基づいてNHA調製法への増分変更の数をestigated。遅い滴定およびリン酸溶液25を迅速に添加して製造された製品の比較を含めて13。これは、水酸化カルシウムの懸濁液に、リン酸のゆっくり滴定は水酸化カルシウム残基と生成物が得られたことが分かりました。私たちは、リン酸の急速な添加によるpH変化が水酸化カルシウムの溶解を奨励し、したがって、ハイドロキシアパタイトへの反応物の変換が成功するために許可されていることを提案します。製品の比較は、室温及び高温（60℃）で急速な混合方法を用いて調製し、反応が完了した後、高温で高い導電性をもたらしたことを見出しました。この残留水酸化カルシウムはで水酸化カルシウムの低い溶解度に起因する可能性があった存在であることを示唆しました温度の上昇。この化合物の基本的な性質は、生体適合性を損なう可能性があるので、残留水酸化カルシウムが存在することは望ましくありませんでした。 FTIRは、HA（ 図3）に関連した特徴的なリン酸と水酸基の活性が検出されました。これは、焼結体のためのスペクトルがシャープリン酸と水酸基のピークを示したことが注目されました。これらの変更は、より大きな製品の結晶化度26、炭酸イオンがリン酸基を置換しているB型炭酸置換のための証拠を提供27【選択未焼成のスペクトルと関連しています。これは炭酸イオンがヒドロキシル基17を置換することができるタイプの置換とは対照的です。 B型カーボネート置換が、生物学的アパタイト3で発生することが報告されています。しかし、Tampieri ら。一方B型の置換がpredominたことを報告しましたアリは若い骨の中に、型炭酸置換が高齢者28の骨でますます存在していました。カーボネート置換は、その溶解度を増加させる一方NHAの結晶性および熱安定性を低下させることが見出されています。これらの変更は、カーボネート置換HA 29の増加生物活性に寄与することが提案されています。生物学的なHAはまた、マグネシウム、ナトリウム、ストロンチウム30などのXRF分析（ 表1）に記録された他の要素のいくつかを含むことが知られています。これらの元素の存在はまた、生物学的効力の増加に寄与し得ます。今後の課題は、銀がドープされたNHA 31として増加した生物機能性にも製品をこれらのナノスケールの置換アパタイトの準備に向けて、する必要があります。置換NHAを調製するために、要素はsubstitutように意図要素の対応する減少に導入することができます電子、 例えばストロンチウム、マグネシウムまたは亜鉛置換が32試みられるカルシウム化合物の量の減少。代替的に、別のアプローチは、必ずしも、HAの結晶格子31への要素を置換することを意図することなく、NHAの表面上に存在する「ドープされた」イオンを提供する目的で構成要素を追加することができます。方法のこれらの変更のためには、水酸化カルシウムと硝酸銀などの混合溶液を調製するために、ここで説明したのと同じ方法で反応を行うことができます。 結論として、本論文では、バイオインスパイアードNHAの調製のための新規の迅速かつ実質的に改良された方法を報告します。この方法では、化学物質の迅速な混合は、反応は通常、注意深い監視の時間を必要とする滴定に比べて時間の著しい減少である5秒未満かかります。これは、biomatで使用するための大きな可能性を秘めていますerial開発、その相対的な単純性と固有の長い研究開発時間の現在の商用システムの結果の複雑さ、および実質的に製造コストが増大し、現在使用される工業NHAの製造方法に比べて低コストです。具体的には、この新しい方法は、連続フロープロセスまたは有意に低い起動設備投資の要件による熱水技術に優れています。

患者の生活の質を改善するために、グローバル高齢化人口の医療負担を軽減するために、強化機能を備えた高度なバイオマテリアルのための大きな臨床的必要性があります。ヒドロキシアパタイトは、広く、その良好な生体適合性のために長年にわたって医学的用途に使用されています。最近、特に医学と歯学における鉱化組織再生のために、ナノスケールのハイドロキシアパタイトの使用（NHA）に対する関心が高まっています。骨や歯のエナメル質で見つかった鉱物は、カルシウム欠損、多置換、ナノスケールハイドロキシアパタイトです。生物学的NHA血小板の大きさの推定値は、未成熟骨2に記載し、さらに小さい構造で、50ナノメートル×30ナノメートル×2 nmの1の大きさを報告しています。対照的に、歯のエナメル質中の鉱物は、長さおよび幅3、4の両方における骨組織中に見られるよりも10から100倍大きいです。合成NHA<html>我々はパフォーマンスの向上と医療技術に天然素材の特性に関する観測を翻訳しようとしているとして、より良いバイオインスパイアードと呼ばれるのではなく、生体模倣かもしれません。自然の鉱物5を発生するバイオインスパイアードNHAは、その類似性のために骨や歯の組織再生用途にも有利であることが示唆されてきました。 水6、スプレードライ7ゾルゲル8技術を含むNHAを調製することが報告されている種々の方法があります。これらのうち、湿式沈殿法は、NHAを製造するための比較的簡便な方法と考えられています。カルシウムとリンの化学的前駆体9、10、11を混合する際公開NHA湿式沈殿法は、一般に、滴定工程を含みますREF &quot;&gt; 12、13、14。しかし、これらのアプローチは、高価な機器を必要といくつかのケースで組み合わせ長くかつ複雑なプロセスを含む多くの欠点に関連している。商業生産は、特許がために洗練された反応器を説明すると、さらに複雑であってもよいですこれにもかかわらず、高品質の医療グレードNHA 15の製造は、水酸化カルシウムとリン酸との中和反応による副生成物の有害な化学物質が不足することが有利です。 処理条件とNHA製品の形態との間の関係は、低速滴定反応のために報告されています。具体的には、水酸化カルシウムとリン酸を含む力価測定方法のため、高温、低アスペクト比13を有する粒子の製造に有利に見えました。この作品は世代によってかなり拡張されましたタイルら。方法の広い範囲からNHA製品の品質に及ぼす温度及び他の処理条件との関係を実証した16。彼はプラカーシュ13の湿式化学沈殿法は、最高品質の製品を作ったと結論付けたが、結果が技術的に困難と低速/混合プロセスに依存していたことに留意すべきです。元プラカシュ滴定ステップは1時間以上かかります。しかし、より長い滴定時間が大きいバッチを調製するためには必要とされ得ます。 温度を含むいくつかの要因の影響は、現在の複雑さの低減をほとんど注意が向けられており、広く研究および滴定に基づく方法を実行するのに必要な時間に関連してきたが、要約します。本研究の目的は、バイオインスパイアードNHAの製造に急速なミックスアプローチを適用する効果を調査することであった、と完全にcharacteri得られる材料をZE。成功した場合、簡素化、迅速なミックスアプローチは、製造コストが大幅に品質を損なうことなく低減することができた同様の実験室の研究者と産業界にとって大きなメリットを持っているでしょう。

<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

ヒドロキシアパタイト（HA）が広く、その良好な生体適合性及び骨伝導による医療用セラミックスとして使用されてきました。最近、バイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイト（NHA）の使用に関する関心が集まっています。しかし、生物学的アパタイト、カルシウム欠乏であることが知られており、ナノスケール血小板様形態を有するカーボネート置換します。バイオインスパイアードNHA起因骨および歯のエナメル質の鉱物との類似性の最適な骨組織の再生を刺激する可能性を有します。現在、実験室で、商業的に両方NHAを製造するために使用される方法の多くは、長いプロセスや複雑な装置を含みます。従って、本研究の目的は、高品質のバイオインスパイアードNHAを調製するための迅速かつ信頼性の高い方法を開発することでした。開発された迅速な混合方法は、水酸化カルシウムとリン酸を含む酸 - 塩基反応に基づいていました。簡潔には、リン酸溶液を攪拌、洗浄、続いて水酸化カルシウム水溶液に注ぎ乾燥段階。バッチの一部は、製品の高い温度安定性を調査するために、2時間1000℃で焼結しました。 X線回折分析は、カルシウム欠乏HAに典型的な高温処理後、リン酸三カルシウムβに熱分解を示したHAの正常な形成を示しました。フーリエ変換赤外分光法は、沈殿した生成物中の炭酸基の存在を示しました。 NHA粒子は、生体アパタイトの寸法に近い50×30nmの概略寸法、低アスペクト比を持っていました。生物学的アパタイトのような1.67の化学量論的HA比よりも低い1.63のPのモル比：材料は、カルシウムとカルシウム欠乏でした。この新しい方法は長い滴定し、複雑な装置の必要性を克服し、したがって、バイオインスパイアードNHAの製造のための信頼できるとはるかに便利な方法です。得られたバイオインスパイアードHA製品は多種多様で使用するのに適しています医療と消費者の健康アプリケーション。

<html> XRDパターン（ 図2）は、比較的小さな結晶サイズおよび/または非晶質の性質を示し、幅広いピークを有する純粋なHA相の析出が認められました。高温焼結した後、βリン酸三カルシウム（β-TCP）は、HAの主相と一緒に、検出されました。回折ピークの鮮鋭化、半値全幅、 すなわち減少は、焼結後の結晶サイズの増加を示しました。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig2.jpg" /> 製品の図2結晶相解析。 X線回折（XRD）2時間1000℃で焼結未焼成ナノヒドロキシアパタイト（NHA）粉末とNHA粉末パターン。ピークラベル：▼ハイドロキシアパタイトのピーク、βリン酸三カルシウムのピークを■。ge.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 FTIR-ATRスペクトル（ 図3）は、特性ホスフェートとヒドロキシルバンド17,18によってHA相の形成を確認しました。次のように詳細にはバンドが割り当てた：3750センチメートル-1（OH - OHνストレッチを）。 1086および1022センチメートル-1（PO 4 3-ν3）。 962センチメートル-1（PO 4 3-ν1）。 630センチメートル-1（OH -秤動δOH）; 600と570センチメートル-1（PO 4 3-ν4）。次のように未焼結のサンプルでは、追加のピークを割り当てた：3400センチメートル-1（吸収された水の分子）を中心としたブロードなピークを。 1455および1410センチメートル-1（CO 3 2-ν3）。 880センチメートル<sup&gt; -1（2-ν2 CO 3）。未焼結粉末で観察された吸収された水とカーボネート基は、高温焼結工程の間に除去しました。焼結プロセスはまた、距離をトラフ大きなピークにより明らかにされたヒドロキシル基とリン酸のバンドを先鋭化。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig3.jpg" /> 図3.製品の赤外線スペクトル。フーリエ変換は、2時間1000℃で焼結未焼成ナノヒドロキシアパタイト（NHA）粉末とNHA粉末の減衰全反射モード（FTIR-ATR）スペクトル、赤外線変換します。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> TEM画像（ 図4）は、ナノスケール粒子のウィットの形成を示しました50nmの時間おおよその寸法を30nmによります。粒子は、約1.7の低アスペクト比（粒子長/粒子幅）を有していました。ナノスケール製品のサイズおよび形状は、生物学的アパタイト1と同様の寸法でした。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/55343/55343fig4.jpg" /> 図4.製品のナノスケール形態。ナノヒドロキシアパタイト（NHA）の透過電子顕微鏡写真（TEM）は、2つの倍率での迅速な混合方法を用いて調製しました。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55343/55343fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> XRF（ 表1）によってNHA粉末の定量化学分析は、カルシウムを許可：化学量論的HA whicより僅かに低い1.63のように計算されるリン比1.67のリン比：hは、カルシウムを持っています。 XRFも記録、他の要素の微量のみでNHA製品の高純度を示しました。 <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> 化合物 </td><td> 重量％ </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>酸化マグネシウム</td><td> 0.46 </td></tr><tr><td> Na 2 Oを</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>製品の EEP-together.withinページ= &quot;1&quot;&gt; 表1定量化学分析。未焼結NHA粉末のX線蛍光（XRF）の結果は、重量で&gt; 99％の純度を示しました。

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Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

本稿では、高品質のバイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトを迅速に製造するための新規な方法を説明します。この生体材料は整形外科、頭蓋顔面外科および歯科臨床応用のための革新的な医療機器の広い範囲の製造に非常に重要です。

バイオメディカル応用のためのバイオインスパイアードナノハイドロキシアパタイトの急速なミックス準備

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

19.2K ビュー.  University of Sheffield. 本稿では、高品質のバイオインスパイアードナノスケールのハイドロキシアパタイトを迅速に製造するための新規な方法を説明します。この生体材料は整形外科、頭蓋顔面外科および歯科臨床応用のための革新的な医療機器の広い範囲の製造に非常に重要です。 

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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.

用アメロゲニン - キトサンハイドロゲルの開発<em&gt;体外</em高密度インターフェイス付き&gt;エナメル再成長

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

生物工学

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.

バイオインスパイアード法を用いた機能性シリカの作製

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

化学

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.

骨様テンプレートでのマイクロチャネルによって独特の毛細管現象は大骨欠損の回復のために細胞の動員を強化することができます

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

Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness and low bioactivity of metals. In this study, we have developed a new method towards fabricating a new type of bioactive and mechanically reliable porous metal scaffolds-densified porous Ti scaffolds. The method consists of two fabrication processes, 1) the fabrication of porous Ti scaffolds by dynamic freeze casting, and 2) coating and densification of the porous scaffolds. The dynamic freeze casting method to fabricate porous Ti scaffolds allowed the densification of porous scaffolds by minimizing the chemical contamination and structural defects. The densification process is distinctive for three reasons. First, the densification process is simple, because it requires a control of only one parameter (degree of densification). Second, it is effective, as it achieves mechanical enhancement and sustainable release of biomolecules from porous scaffolds. Third, it has broad applications, as it is also applicable to the fabrication of functionally graded porous scaffolds by spatially varied strain during densification.

Bioactive and mechanically reliable metal scaffolds have been fabricated through a method which consists of two processes, dynamic freeze casting for the fabrication of porous Ti, and coating and densification of the Ti scaffolds. The densification process is simple, effective and applicable to the fabrication of functionally graded scaffolds.

バイオメディカル応用のための機械的に調整可能な生物活性金属スキャフォールドの作製

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness ...

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of these porous nanofibers is of great interest due to their unique physiochemical properties. Here we elaborate on the fabrication of keratin containing poly (&#949;-caprolactone) (PCL) nanofibers (i.e., PCL/keratin composite fiber). Water soluble keratin was first extracted from human hair and mixed with PCL in different ratios. The blended solution of PCL/keratin was transformed into nanofibrous membranes using a laboratory designed electrospinning set up. Fiber morphology and mechanical properties of the obtained nanofiber were observed and measured using scanning electron microscopy and tensile tester. Furthermore, degradability and chemical properties of the nanofiber were studied by FTIR. SEM images showed uniform surface morphology for PCL/keratin fibers of different compositions. These PCL/keratin fibers also showed excellent mechanical properties such as Young&#39;s modulus and failure point. Fibroblast cells were able to attach and proliferate thus proving good cell viability. Based on the characteristics discussed above, we can strongly argue that the blended nanofibers of natural and synthetic polymers can represent an excellent development of composite materials that can be used for different biomedical applications.

Electrospun nanofibers have a high surface area to weight ratio, excellent mechanical integrity, and support cell growth and proliferation. These nanofibers have a wide range of biomedical applications. Here we fabricate keratin/ PCL nanofibers, using the electrospinning technique, and characterize the fibers for possible applications in tissue engineering.

医工学のためのケラチンベースのナノファイバーの合成

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of ...

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.

組織工学のための熱応答性ナノ構造表面の調製

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

3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds

This work demonstrates the use of three-dimensional (3D) printing to produce porous cubic scaffolds using cellulose nanocomposite hydrogel ink, with controlled pore structure and mechanical properties. Cellulose nanocrystals (CNCs, 69.62 wt%) based hydrogel ink with matrix (sodium alginate and gelatin) was developed and 3D printed into scaffolds with uniform and gradient pore structure (110-1,100 &#181;m). The scaffolds showed compression modulus in the range of 0.20-0.45 MPa when tested in simulated in vivo conditions (in distilled water at 37 &#176;C). The pore sizes and the compression modulus of the 3D scaffolds matched with the requirements needed for cartilage regeneration applications. This work demonstrates that the consistency of the ink can be controlled by the concentration of the precursors and porosity can be controlled by the 3D printing process and both of these factors in return defines the mechanical properties of the 3D printed porous hydrogel scaffold. This process method can therefore be used to fabricate structurally and compositionally customized scaffolds according to the specific needs of patients.&#160;

The three critical steps of this protocol are i) developing the right composition and consistency of the cellulose hydrogel ink, ii) 3D printing of scaffolds into various pore structures with good shape fidelity and dimensions and iii) demonstration of the mechanical properties in simulated body conditions for cartilage regeneration.

3 D プリントされた多孔性セルロース ナノコンポジット型ヒドロゲル足場

This work demonstrates the use of three-dimensional (3D) printing to produce porous cubic scaffolds using cellulose nanocomposite hydrogel ink, with ...

Procedure for Fabricating Biofunctional Nanofibers

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups may be utilized to study material-biomarker interactions i.e. act as biosensors with potential as single molecule detectors. We have developed an effective approach for preparing functional polymers where the functionality has the capacity of specifically binding with a model protein. In our model system, the functional group is 2,4-dinitrophenyl (DNP) and the protein is anti-DNP IgE (Immunoglobulin E). The functional polymer, &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenyl caproic][poly(ethylene oxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP), is prepared by anionic living polymerization. The difunctional initiator utilized in the polymerization was prepared by electron transfer reaction of &alpha;-methylstyrene and potassium (mirror) metal. The 2-methoxystyrene monomer was added first to the initiator, followed by the addition of the second monomer, ethylene oxide, and finally the living polymer was terminated by methanol. The &alpha;,&omega;-dihydroxyl polymer [HO-PEO-P2MS-PEO-OH] was reacted with N-2,4-DNP-&isin;-amino caproic acid, by DCC coupling, resulting in the formation of &alpha;,&omega;-bi[2,4-dinitrophenylcaproic][poly(ethyleneoxide)-b-poly(2-methoxystyrene)-b-poly(ethylene oxide)] (CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP). The polymers were characterized by FT-IR, 1H NMR and Gel Permeation Chromatography (GPC). The molecular weight distributions of the polymers were narrow (1.1-1.2) and polymers with molecular weights greater than 50,000 was used in this study. The polymers were yellow powders and soluble in tetrahydrofuran. A water soluble CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP/ DMEG (dimethoxyethylene glycol) complex binds and achieves steady state binding with solution IgE within a few seconds. Higher molecular weight (water insoluble i.e. around 50,000) CDNP-PEO-P2MS-PEO-CDNP polymers, containing 1% single wall carbon nanotubes (SWCNT) were processed into electroactive nanofibers (100 nm to 500 nm in diameter) on silicon substrate. Fluorescence spectroscopy shows that anti-DNP IgE interacts with the nanofibers by binding with the DNP functional groups decorating the fibers. These observations suggest that appropriately functionalized nanofibers hold promise for developing biomarker detection device.

An efficient approach for preparing nanofibers decorated with functional groups capable of specifically interacting with proteins is described. The approach first requires the preparation of a polymer functionalized with the appropriate functional group. The functional polymer is fabricated into nanofibers by electrospinning. The effectiveness of the binding of the nanofibers with a protein is studied by confocal microscopy.

バイオ機能ナノファイバーを製造するための手順

Electrospinning is an effective processing method for preparing nanofibers decorated with functional groups. Nanofibers decorated with functional groups ...

生物学

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.

骨類似体の生成のための細胞内懸濁液中のセラミック全方向性バイオプリンティング

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.

バイオメディカル応用のためのバイオインスパイアードナノハイドロキシアパタイトの急速なミックス準備

要約

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この動画の章

用アメロゲニン - キトサンハイドロゲルの開発

バイオインスパイアード法を用いた機能性シリカの作製

骨様テンプレートでのマイクロチャネルによって独特の毛細管現象は大骨欠損の回復のために細胞の動員を強化することができます

バイオメディカル応用のための機械的に調整可能な生物活性金属スキャフォールドの作製

医工学のためのケラチンベースのナノファイバーの合成

組織工学のための熱応答性ナノ構造表面の調製

3 D プリントされた多孔性セルロースナノコンポジット型ヒドロゲル足場

バイオ機能ナノファイバーを製造するための手順

骨類似体の生成のための細胞内懸濁液中のセラミック全方向性バイオプリンティング

骨組織工学における潜在的な使用のためのグラフェン - ハイドロキシアパタイトナノコンポジットの合成

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