Oppervlakte-gemodificeerde apatiet-nanodeeltjes gebruiken pH-controle om de biocompatibiliteit van implantaten te verbeteren

Medische implantaten hebben de gezondheidszorg getransformeerd en bieden innovatieve oplossingen met geavanceerde materialen en technologieën. Veel biomedische apparaten staan ​​echter voor uitdagingen zoals onvoldoende celadhesie, wat leidt tot ontstekingsreacties na hun implantatie in het lichaam.

Apatietcoatings, met name hydroxyapatiet (HA) – een natuurlijk voorkomende vorm van apatiet gevonden in botten, is aangetoond dat ze een betere integratie met omliggende weefsels bevorderen. De biocompatibiliteit van kunstmatig gesynthetiseerde apatiet -nanodeeltjes schiet echter vaak tekort aan de verwachtingen, voornamelijk vanwege het beperkte vermogen van de nanodeeltjes om effectief te binden aan biologische weefsels.

Om deze uitdaging aan te gaan, hebben onderzoekers van de Nagaoka University of Technology, Japan, een methode ontwikkeld voor het synthetiseren van oppervlakte-gemodificeerde apatiet-nanodeeltjes die resulteren in verbeterde celadhesie, die nieuwe mogelijkheden bieden voor de volgende generatie biocompatibele medische implantaten.

Onder leiding van Dr. Motohiro Tagaya, universitair hoofddocent aan het Department of Materials Science and BioGineering aan de Nagaoka University of Technology, Japan, is dit onderzoek bedoeld om de prestaties van apatietcoatings te verbeteren en het gebied van biocompatibele materialen voor medische hulpmiddelen te bevorderen.

De bevindingen van deze studie werden gepubliceerd in ACS -toegepaste materialen en interfaces. Samen met Dr. Tagaya, de heer Kazuto Sugimoto van de Nagaoka University of Technology, Dr. Tania Guadalupe Peñaflor Galindo van Sophia University, en de heer Ryota Akutsu van de Nagaoka University of Technology waren ook deel uit van dit onderzoeksteam.

Apatieten zijn een klasse van calcium-fosforgebaseerde anorganische verbindingen, met hydroxyapatiet-een natuurlijk voorkomende vorm gevonden in botten. Deze verbindingen staan ​​bekend om hun hoge biocompatibiliteit.

Recente studies hebben aangetoond dat het coaten van kunstmatige gewrichten en implantaten met apatiete nanodeeltjes een plausibele oplossing is voor het verbeteren van de biocompatibiliteit van deze biodevices. De kunstmatig gesynthetiseerde nanodeeltjes vertonen echter vaak een verminderde bindingsaffiniteit aan biologische weefsels in vitro.

Volgens Dr. Tagaya en zijn team kan dit verschil worden gekoppeld aan de oppervlaktelaag op nanoschaal van de apatiet -nanodeeltjes.

Het onderzoek van Dr. Tagaya werd gedreven door de wens om de complexiteit van biocompatibele materialen te ontrafelen, waardoor zijn team een ​​interdisciplinair kader ontwikkelt dat de ingewikkelde interacties tussen apatiet en biologische systemen regelt.

“De eigenschappen van de oppervlaktelaag op nanoschaal van apatiet nanodeeltjes zijn cruciaal wanneer het wordt overwogen voor medische coatings”, voegt Dr. Tagaya toe. Verder toevoegend zegt hij: “In deze studie hebben we met succes de oppervlaktelagen op nanoschaal gecontroleerd van apatiet nanodeeltjes, waardoor de weg werd vrijgesproken voor geavanceerde oppervlaktecoatingtechnologieën voor biodevices.”

Het team gesynthetiseerde hydroxyapatiet nanodeeltjes door waterige oplossingen van calcium- en fosfaationen te mengen. De pH van de oplossing werd geregeld met behulp van drie verschillende basen, waaronder tetramethylammoniumhydroxide (TMAOH), natriumhydroxide (NaOH) en kaliumhydroxide (KOH).

De neergeslagen nanodeeltjes werden vervolgens geëvalueerd op hun oppervlaktelaagseigenschappen en werden verder gebruikt voor coating via elektroforetische depositie.

De resultaten onthulden dat pH een sleutelfactor was tijdens de synthese, omdat het de kristallijne fasen, oppervlakte -eigenschappen en elektroforetische depositie beïnvloedde.

Bij het analyseren van de kristallijne fasen van de nanodeeltjes werd waargenomen dat de pH-keuze de vorming van verschillende calciumfosfaatfasen beïnvloedde, zoals calcium-deficiënte hydroxyapatiet (CDHA) en carbonaat-bevattende hydroxyapatiet (CHA). Hogere pH gaf de voorkeur aan de vorming van CHA, wat leidde tot een betere kristalliniteit en een hoger calcium tot fosfor (Ca/P) molaire verhouding.

Het oppervlak van de apatiet -nanodeeltjes vertoont drie verschillende lagen. De binnenste apatietlaag/kern wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van de kristallijne structuur van het apatiet. Boven de apatietlaag is de niet-apatitische laag, die rijk is aan ionen zoals fosfaationen en carbonaationen.

Deze laag reageert met watermoleculen en vormt de hydratatielaag. Het analyseren van de oppervlakte-eigenschappen van deze lagen onthulde dat pH-aanpassingen de vorming van de niet-apatitische laag rijk aan reactieve ionen vergemakkelijkten, waardoor hydratatie-eigenschappen werden verbeterd, die werden bevestigd.

Belangrijk is dat de studie heeft aangetoond dat hoewel hogere pH de vorming van de niet-apatitische laag vergemakkelijkt, de aanwezigheid van Na⁺ Ionen vermindert de concentratie van fosfaationen, wat leidt tot verminderde reactiviteit van de laag.

De introductie van substantiële ionen door NaOH beïnvloedde ook de uniformiteit van elektroforetische depositie, zoals waargenomen in scansonde microscoopstudies. Dit effect werd niet waargenomen met KOH, wat aangeeft dat KOH geschikter was dan NaOH voor het vormen van de niet-apatitische laag en het waarborgen van een uniforme coating.

Dr. Tagaya benadrukt het belang van de studie en zegt: “Deze studie richt zich op de kritische interfaces tussen bioceramiek en biologische systemen en kan ontwerpen van biocompatibele oppervlakken inspireren met preferentiële celadhesie.”

Deze bevindingen kunnen potentieel nuttig zijn voor oppervlaktecoating van een breed scala aan biodevices die zijn geïmplanteerd in het menselijk lichaam, inclusief kunstmatige gewrichten en implantaten.

Doorgaan, is het team van plan de grenzen van nanobiomaterialen te verleggen, de weg vrij te maken voor baanbrekende innovaties in medisch materiaal en apparaten die een revolutie teweeg kunnen brengen in de gezondheidszorg en de resultaten van de patiënt kan verbeteren.