تأثیر کلاژن بر سنتز نانوذرات کلسیم فسفات

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی (بیومتریال)، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران، دانشکده مهندسی پزشکی،

2 استادیار، پژوهشگاه مواد و انرژی، گروه بیومواد

3 استاد، پژوهشگاه رویان، پژوهشکده زیست شناسی و فناوری سلول‌های بنیادی جهاددانشگاهی، مرکز تحقیقات علوم سلولی، گروه سلول‌های بنیادی و زیست شناسی تکوینی

4 دانشیار، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی

10.22041/ijbme.2013.13120

چکیده

کلاژن و ترکیبات کلسیم فسفاتی، بویژه نانوهیدروکسی آپاتیت ترکیبات اصلی استخوان طبیعی هستند. در سنتز همزمان هیدروکسی آپاتیت در حضور کلاژن، ذرات کلسیم فسفات در امتداد فیبریل کلاژن رشد کرده؛ میکروساختار متفاوتی را ایجاد می‌کنند. از این رو تأثیر کلاژن بر ویژگی‌های میکروساختاری و فازی ذرات کلسیم فسفات، بررسی شد. با توجه به سنتز همزمان هیدروکسی آپاتیت در حضورکلاژن، کلرید کلسیم به عنوان منبع کلسیم  به مخلوط کلاژن و اسید فسفریک به عنوان منبع فسفر اضافه  شد. وغلظت کلاژن در مخلوط نهایی 1% وزنی/حجمی و نسبت وزنی کلسیم به فسفر 67/1 بود. فاز معدنی سنتز شده در حضور کلاژن و بدون کلاژن (نمونه کنترل) به مدت 1 ساعت در دمای 600 درجه سانتی‌گراد قرار داده شد و شکل، ساختار و تغییرات فازی آن با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، تحلیل تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR) و پراش اشعه ایکس (XRD) بررسی شدند. نتایج SEMذرات کلسیم فسفات ریزتر و با ساختاری ورقه‌ای را در نمونه هیدروکسی آپاتیت سنتز شده در حضور کلاژن در مقایسه با نمونه کنترل -که دارای ساختار درشت‌تر وشبه‌کروی است- نشان دادند. تحلیل‌های FTIRو XRDحضور ترکیبات هیدروکسی آپاتیت و اکتاکلسیم فسفات را تأیید کردند. بررسی طیف FTIRنمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی، حضور باند هیدروکسیل و باند فسفاتی مشخصه ترکیبات کلسیم فسفاتی و باندهای آمیدی مشخصه کلاژن را نشان داد. بعد از عملیات حرارتی نیز وجود بلورینگی کمتر درطیفXRD مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Effect of Collagen on the Synthesis of Calcium Phosphate Nanoparticles

نویسندگان [English]

  • Hoda Salemi 1
  • Ali Asghar Behnamghader 2
  • Mohammad Reza Baghaban Eslaminejad 3
  • Mohammad Ataei 4
1 Ph.D student, Biomaterials Department, Faculty of Biomedical Engineering, Science & Research Branch, Islamic Azad University(IAU), Department of biomedical engineering
2 Assistant Professor, Biomaterials group, Materials and Energy Research Center
3 Professor , Department of Stem Cell and Developmental Biology , at Cell Science Research Center, Royan Institute for Stem Cell Biology and Technology, ACECR
4 Associate Professor, Polymer Petrochemical Institute
چکیده [English]

Collagen and Hydroxyapatite (HA) nanoparticles are significant constituent of the natural bone. In this study, the effect of collagen on the morphological and phase characteristics of calcium phosphate nanoparticles was investigated. The synthesis reaction was initiated by mixing H3PO4 as phosphorous source and CaCl2 as calcium source in presence of Collagen Type 1. Collagen concentration in suspension and Ca to P ratio was 1% and 1.67 respectively. The morphology and structure of samples (with collagen and without collagen), heat treated at 600 0C were characterized by X-Ray diffraction (XRD), Fourier transformation infrared (FTIR) and Scanning electron microscopy (SEM). More fine and flake-like shape particles were observed in the SEM images of sample synthesized in the presence of collagen compared to the control sample which was constituted of larger granular particles. The XRD results revealed the powders were composed of hydroxyapatite and octacalcium phosphate and the sample synthesized in the presence of collagen was less crystalline. The amide bands of collagen and P-O and OH characteristic peaks were identified in FT-IR spectra.

کلیدواژه‌ها [English]

  • collagen
  • Calcium phosphate component
  • Hydroxyapatite
  • nanoparticles
  • mineralization of collagen
[1] Murugan R., Ramakrishna S., Development of nanocomposite for bone grafting; Composites Science and Technology, 2005; 65: 2385-2406.

[2] Green D, Walsh D, and Mann S, The potentials of biomimesis in bone tissue engineering: lessons from the design and synthesis of invertebrate skeletons; Bone, 2002; 30: 810-815.

[3] Jens-Hilmar B, et al. Biomimetic mineralization of collagen by combined fibril assembly and calcium phosphate formation; Chem Mater 1999; 11: 2694-2701.

[4] Kikuchi M., IKoma T., Itoh S., et al., Biomimetic synthesis of bone-like nanocomposites using the self-organization mechanism of hydoxyapatite and collagen; Compos. Sci. Technol; 2004; 64:819-825.

[5] Miyamoto Y., Ishikawa K., Takechi M., et al,  Basic properties of calcium phosphate cement containing atelocollagen in its liquid or powder phases; Biomaterials, 1998; 19: 707-715.

[6] Du C., Cui F. Z., Zhu X. D., de Groot K., Three-dimensional nano-Hap/collagen matrix loading with osteogenic cells in organ culture; J  Biomed Mater Res , 1999; 44: 407-415.

[7] Hilmar Bradt J., Mertig M., Biomimetic mineralization of collagen by combined fibril assembly and calcium phosphate formation; Chem. Mater, 1999; 11: 2694-2701.

[8] DA W, Czernuszka JT. Collagen-Hydroxyapatite composites for hard tissue repair; European Cells and Materials, 2006; 11: 43-56.

[9] Li H., Xie Y., Photo-crosslinking polymerization to prepare polyanhydride/needle-like hydroxyapatite biodegradable nanocomposite for orthopedic application; MaterLett, 2003; 57: 28-48.

[10] Lin X., Li X., Fan H., In situ synthesis of bone-like apatite/collagen nano-composite at low temperature; MatLett, 2004; 58: 3569-3572.

[11] Lowenstam H., Weiner S., on biomineralization. Oxford: Oxford University Press, 1989.

[12] Gelinsky M., Welzel P. B., Porous three-dimensional scaffolds made o mineralised collagen: preparation and properties of a biomimetic nanocomposite material for tissue engineering of bone; Chemical Engineering Journal, 2008; 137 :84-96.

[13] Murphy W. L., Messersmith P. B., Compartmenral control of mineral formation: adaption of a biomineralizationstragy for biomedical use; Polyhedron, 2000; 19: 357-363.

[14] Iannotti J.P., Goldstein S., Kuhn J., Lipiello L., Growth plate and bone development. In Simon S. R (ed). Orthopedics Basic Science; American Academy of orthopedics Surgeons, Rosemont. IL., 1992:185-217.

[15] Pederson A. W.,Ruberti J. W., Messersmith P. B., Thermal assembly of a biomimetic mineral/collagen composite; Biomaterials, 2003; 24: 4881-4890.

[16] Gelinsky M, et al. Influence of osteocalcin on in vitro mineralization of collagen type1, 8th ICCBMT, Banff, Alberta, Canada. October 17-22, 2004: 230-233.

[17] Stephan G, Paul W.B, Reaction of octacalcium phosphate to form hydroxyapatite; Journal of Crystal Growth, 1996; 165: 106-115.

[18] Prageeth Rodrigo C, Synthesis and characterization of strontium Fluarapatite, Master of Science Degree in chemistry department of chemistry college of science; gradute college university of Nevada, Las Vegas, 2005.

[19] H. Aoki H., Science and medical applications of hydroxyapatite; Takayama Press System Center, Tokyo, 1991.

[20] Chang M. C., Tanaka J., FTIR study for hydroxyapatite/collagen nanocomposite cross-linked by glutaraldehyde; Biomaterials, 2002; 23: 4811-4818.

[21] Payne K. J., Veis A., Fourier transforms IR spectroscopy of collagen and gelatin solutions: deconvolution of the amide I band for conformationalstudies; Biopolymers, 1988; 27: 1749-1760.

[22] Santos M. H., Dias Heneine L. G., Mansur H. S., Synthesis and characterization of calcium phosphate /collagen biocomposites doped with Zn2+; Mater SciEng C, 2008; 28: 563-571.

[23] Maisara S. M, Pat M. Lee, Lee Kong H., Synthesis and characterization of hydroxyapatite nanoparticles and β-TCP particles; 2nd International conference on Biotech and Food Sci 7, 2011.

[24] Defne B, Cuneyt T, Chemical preparation of carbonated calcium hydroxyapatite powders at 37oC in urea-containing synthetic body fluids; Journal of the Ceramic  Society, 1999; 19: 2573-2579.

[25] Chang M. C.,Ko C-C., Douglas W. H., Preparation of hydroxyapatite-gelatin nanocomposite; Biomaterials, 2003; 24: 2853–2862.

[26] Roveri N, Falini G, Biologically inspired growth of hydroxyapatite nanocrystals inside self- assembled collagen fibers; Mater ScieEng C, 2003; 23:441-446.