Doped hydroxyapatite ultra-long nanofibres

Abstract

Human bone is a composite material composed of a mineral and organic phase. It is a living tissue that, when damaged, regenerates spontaneously and naturally to allow reconstruction or replacement of lost or damaged bone tissue. In cases of critical-sized bone defects in the maxillofacial region, spontaneous regeneration becomes impossible, necessitating guided bone regeneration (GBR) to reconstruct the defect surrounding dental implants. This surgical procedure involves the use of a bone graft and a barrier membrane to create a suitable environment for new bone cell formation. Despite this widely used process, commercially available GBR membranes exhibit numerous disadvantages and fail to be active in the bone regeneration process. This research project aims to develop an innovative GBR membrane utilizing hydroxyapatite doped with therapeutic ions to enhance its bioactivity. The production of this membrane involves the synthesis of hydroxyapatite ultra-long nanofibres doped with therapeutic ions in order to obtain a flexible and bioactive GBR membrane. The primary focus of the project is to establish a synthesis mechanism for doping hydroxyapatite ultralong nanofibres with strontium, zinc and magnesium. Two distinct mechanisms were employed, both derived from the synthesis of hydroxyapatite ultra-long nanofibres through a hydrothermal treatment of a calcium oleate precursor. The parameters studied during this project encompassed the synthesis time, the content of doping ions and the type of therapeutic ions. The first mechanism, the one-step synthesis, involves mixing all reagents to form a calcium oleate precursor with therapeutic ions, followed by high-temperature and high-pressure hydrothermal treatment. This process successfully yielded Sr-doped hydroxyapatite ultra-long nanofibres. However, further studies are required to assess the extent of doping of the fibres with magnesium and zinc as the introduction of the doping ion into the hydroxyapatite crystal lattice was less obvious. The second doping mechanism, named two-step synthesis, corresponds to a first synthesis to obtain pure hydroxyapatite nanofibres from a calcium phosphate precursor. Following the initial hydrothermal treatment, a second hydrothermal treatment was conducted in the presence of the HA nanofibre slurry and therapeutic ions. This approach resulted in two-phase compounds, incorporating hydroxyapatite (doped) ultra-long nanofibres with either strontium chlorapatite, a zinc phosphate compound, or (Mg-doped) β-tricalcium phosphate. Further studies are needed to confirm the extent of doping within the fibres.

El hueso humano es un material constituido por una fase mineral y otra orgánica. Es un tejido vivo que, cuando se daña, se regenera de forma espontánea y natural para permitir la reconstrucción o sustitución del tejido óseo perdido o dañado. En casos de defectos óseos de tamaño crítico en la región maxilofacial, la regeneración espontánea resulta imposible, por lo que es necesaria la regeneración ósea guiada para reconstruir el defecto que rodea a los implantes dentales. Este procedimiento quirúrgico implica el uso de un injerto óseo y una membrana de barrera para crear un entorno adecuado para la formación de nuevas células óseas. A pesar de tratarse de un proceso ampliamente utilizado, las membranas GBR disponibles en el mercado presentan numerosos inconvenientes y no consiguen ser activas en el proceso de regeneración ósea. Este proyecto de investigación pretende desarrollar una membrana GBR innovadora que utilice hidroxiapatita dopada con iones terapéuticos para mejorar su bioactividad. La producción de esta membrana implica la síntesis de nanofibras ultralargas de hidroxiapatita dopadas con iones terapéuticos para obtener una membrana GBR flexible y bioactiva. El objetivo principal del proyecto es establecer un mecanismo de síntesis para dopar nanofibras ultralargas de hidroxiapatita con estroncio, zinc y magnesio. Se emplearon dos mecanismos distintos, ambos derivados de la síntesis de nanofibras ultralargas de hidroxiapatita mediante un tratamiento hidrotérmico de un precursor de oleato de calcio. Los parámetros estudiados durante este proyecto involucraron el tiempo de síntesis, el contenido de iones dopantes y el tipo de iones terapéuticos. El primer mecanismo, la síntesis en un solo paso, consiste en mezclar todos los reactivos para formar un precursor de oleato de calcio con iones terapéuticos, seguido de un tratamiento hidrotérmico a alta temperatura y alta presión. Este proceso produjo con éxito nanofibras ultralargas de hidroxiapatita dopada con Sr. Sin embargo, son necesarios más estudios para evaluar el grado de dopaje de las fibras con magnesio y zinc, ya que la introducción del ion dopante en la red cristalina de la hidroxiapatita fue menos evidente. El segundo mecanismo de dopaje, denominado síntesis en dos etapas, corresponde a una primera síntesis para obtener nanofibras de hidroxiapatita pura a partir de un precursor de fosfato de calcio. Tras el tratamiento hidrotermal inicial, se llevó a cabo un segundo tratamiento hidrotermal en presencia de la pasta de nanofibras de HA y de iones terapéuticos. Este enfoque dio lugar a compuestos bifásicos, que incorporan nanofibras ultralargas de hidroxiapatita (dopada) con apatita de estroncio, un compuesto de fosfato de zinc o fosfato β-tricálcico (dopado con Mg). Se necesitan más estudios para confirmar el grado de dopaje dentro de las fibras.

L'os humain est un matériau composite composé d'une phase minérale et organique. C'est un tissu vivant qui, lorsqu'il est endommagé, se régénère spontanément et naturellement pour permettre la reconstruction ou le remplacement du tissu osseux perdu ou endommagé. Dans les cas de défauts osseux de taille critique dans la région maxillo-faciale, la régénération spontanée devient impossible, ce qui nécessite une régénération osseuse guidée pour reconstruire le défaut afin de pouvoir visser un implant dentaire. Cette procédure chirurgicale implique l'utilisation d'un greffon osseux et d'une membrane barrière afin de créer un environnement propice à la formation de nouvelles cellules osseuses. Malgré ce processus de régénération osseuse guidée, les membranes actuellement disponibles dans le commerce pour la régénération osseuse guidée présentent de nombreux inconvénients et ne parviennent pas à être actives dans le processus de régénération osseuse. Ce projet de recherche vise ainsi à développer une membrane GBR innovante utilisant de l'hydroxyapatite dopée avec des ions thérapeutiques pour améliorer sa bioactivité. Ainsi, la fabrication de cette membrane implique la synthèse de nanofibres d’hydroxyapatite ultra-longues dopées avec des ions thérapeutiques afin d’obtenir une membrane flexible et bioactive. L'objectif principal du projet est d'établir un mécanisme de synthèse pour le dopage des nanofibres ultra-longues d'hydroxyapatite avec du strontium, du zinc et du magnésium. Deux mécanismes distincts ont été utilisés, tous deux dérivés de la synthèse de nanofibres ultra-longues d'hydroxyapatite par traitement hydrothermique d'un précurseur d'oléate de calcium. Les paramètres étudiés au cours de ce projet comprennent le temps de synthèse, la teneur en ions dopants et le type d'ions thérapeutiques. Le premier mécanisme, correspondant à une synthèse en une étape, implique le mélange de tous les réactifs pour former un précurseur d'oléate de calcium avec des ions thérapeutiques, suivi d'un traitement hydrothermal à haute température et à haute pression. Ce processus a permis d'obtenir des nanofibres ultra-longues d'hydroxyapatite dopée au Sr. Toutefois, des études supplémentaires sont nécessaires pour évaluer l'ampleur du dopage des fibres avec du magnésium et du zinc, car l'introduction de ces ions dopants dans le réseau cristallin de l'hydroxyapatite était moins évidente. Le deuxième mécanisme de dopage, appelé synthèse en deux étapes, correspond à une première synthèse visant à obtenir des nanofibres d'hydroxyapatite pure. Après le traitement hydrothermal initial, un second traitement hydrothermal a été effectué en présence de la suspension de nanofibres d'HA et d'ions thérapeutiques. Cette approche a permis d'obtenir des composés à deux phases, incorporant des nanofibres ultra-longues d'hydroxyapatite (dopée) avec soit de l'apatite de strontium, soit un composé de phosphate de zinc, soit du β-phosphate tricalcique (dopé au Mg). D'autres études sont nécessaires pour confirmer l'étendue du dopage dans les fibres.