自组装‘nanotubes’为未来的人工关节提供希望

小“nanotubes”使用与DNA相同的化学成分进行组装,可能是创建更好的人造关节和其他人体植入物的理想选择。普渡大学,阿尔伯塔大学和加拿大的研究人员’美国国家纳米技术研究所发现,称为成骨细胞的骨细胞与纳米管涂层钛的附着力比用于制造人工关节的传统钛更好。 普渡大学 :自组装‘nanotubes’为未来的人工关节提供希望

小“nanotubes”使用与DNA相同的化学成分进行组装,可能是创建更好的人造关节和其他人体植入物的理想选择。

普渡大学,阿尔伯塔大学和加拿大的研究人员’美国国家纳米技术研究所发现,称为成骨细胞的骨细胞与纳米管涂层钛的附着力比用于制造人工关节的传统钛更好。

“We have demonstrated the same improved bone-cell adhesion with other materials, but these 纳米管 are especially promising for biomedical applications because we’可能能够针对身体的特定部位定制它们,”普渡大学生物医学工程学助理教授托马斯·韦伯斯特(Thomas Webster)说。

研究结果在英国物理研究所4月份出版的《纳米技术》上发表的一篇论文中有详细介绍。该论文由普渡大学生物医学工程学博士生艾林·春,普渡大学化学博士生耶稣·G·莫拉雷斯,韦伯斯特和艾伯塔大学化学教授,加拿大纳米技术研究所高级研究员希卡姆·芬尼里撰写。莫拉雷斯也是博士生。

The self-assembling 纳米管 were developed by Fenniri while he was an assistant professor at Purdue.

韦伯斯特在一系列实验中表明,骨细胞和人体其他部位的细胞可以更好地附着在各种材料上,这些材料具有大约100纳米或十亿分之一米的表面凸起。

人造关节中使用的常规钛具有微米或百万分之几米的表面特征,导致人体将其识别为异物并引发排斥反应。身体’排斥反应最终会削弱植入物的附着力,并使它们变得松弛和疼痛,需要进行置换手术。

纳米级的隆起模仿蛋白质和天然组织的表面特征,不仅促使细胞更好地粘附,而且促进新细胞的生长。韦伯斯特说,骨骼和其他组织通过生长附着在植入物上的新细胞而粘附在人造人体部位,因此该实验为开发更长寿和更自然的植入物提供了希望。

Now researchers have discovered that the self-assembling 纳米管 represent an entirely new and potentially superior material to use for artificial body parts.

Fenniri通过使用脱氧核糖核酸或DNA的化学作用创建了一系列自组装结构,“programmed” to link in groups of six to form tiny rosette-shaped rings. Numerous rings then combine to create the rod-like 纳米管, which have widths of only about 3.5 nanometers.

“He had these nice 纳米管, and I had this work that showed nice bone synthesis and other tissue regeneration on nanomaterials, so we said, ‘Wouldn’t it be great to actually combine the two to see if his material can promote new bone growth with these 纳米管?'” Webster said.

One nanometer is roughly the length of 10 hydrogen atoms strung together. A human hair is more than 30,000 times wider than the rosette 纳米管 used in the study.

自组装是生物学中众所周知的原理,其中正确的分子混合自行相互作用,形成从DNA到细胞和器官的独特结构。莲座状环由鸟嘌呤和胞嘧啶制成,它们被称为分子“base pairs”一起形成DNA。

In addition to possible biomedical applications, the 纳米管 offer promise in the design of future materials, electronic devices and drug delivery systems.

研究人员在纳米管上涂了钛,然后将它们放在培养皿中,培养皿中含有悬浮有荧光染料的骨细胞液体悬浮液。几个小时后,清洗纳米管涂层的钛,并用显微镜计数粘附在材料上的染色成骨细胞数量。在悬浮液中的2500个骨细胞中,有2300至2400个粘附在纳米管涂层的金属上。相比之下,约有1,500个粘附在未涂有纳米管的钛上的电池,增加了约三分之一。

骨细胞的快速附着对于在整形外科植入物和身体之间形成牢固的结合至关重要’的天然骨骼。这同样适用于移植到人体其他部位的人造部位,例如动脉和大脑。

“我们如此兴奋的原因是,与普通钛相比,我们看到涂层钛的成骨细胞功能得到改善,” Webster said.

Webster has found similar results with other materials that possess the nano-scale surface bumps, such as ceramics, metals and 纳米管 made of carbon. The rosette 纳米管, however, may provide a major advantage over those materials, he said.

蛋白质成分,例如“signaling peptides,” or amino acids, such as lysine and arginine, can be easily attached to the surface of the 纳米管, making it feasible to tailor the 纳米管 so that they are recognized by specific cells and body parts.

“骨骼细胞可以识别并坚持一定的氨基酸序列,” Webster said. “这些序列之一是精氨酸,甘氨酸和天冬氨酸。现在,在该领域中有很多工作将这一序列整合到材料中。

“我们对此感到非常兴奋的另一个原因是,我们可以将此序列放在这些试管上。”

Attaching the sequence of amino acids onto the 纳米管 will likely increase osteoblast adhesion even more, Webster said.

身体的各个部分识别并依附于不同的序列。

“我认为这确实表明了强大的生物医学应用,” Webster said. “If the cells you are targeting respond to protein sequence XYZ, you just put that sequence on the 纳米管 and you can promote this attachment.”

Another finding in the research is that low concentrations of the 纳米管 provide the same results as higher concentrations.

“这意味着您可以使用非常低的浓度,但统计上仍然可以获得更高的骨细胞附着力,” Webster said. “So it’s cheap. You don’不需要很多就能获得想要的效果。”

Unlike other nano-scale materials Webster has worked with, the rosette 纳米管 automatically arrange themselves into a webbed pattern on the surface of the titanium. The pattern resembles those seen by natural collagen fibers in bones and other tissues.

Future work will focus on further modifying the 纳米管 and conducting additional experiments.

韦伯斯特说,随着使用更多的人造身体部位,对更好的技术的需求正在增长。

例如,2000年在美国进行了约152,000例髋关节置换手术,比1990年增加了33%。由于婴儿潮一代的老龄化,到2030年,仅在这个国家,髋关节置换手术的数量预计将增长到272,000。

该研究已获得美国国家科学基金会,美国化学学会,普渡大学研究基金会,惠特克基金会,3M公司和加拿大的资助。’国家纳米技术研究所。

作家:埃米尔·韦内尔(Emil Venere),(765)494-4709,[email protected]

资料来源:托马斯·韦伯斯特(Thomas Webster),(765)496-7516,[email protected]

Hicham Fenniri,(780)492-8988,[email protected]

普渡大学新闻服务:(765)494-2096; [email protected]

记者须知:该研究论文的电子版或印刷版可从Emil Venere(765)494-4709,venere @ purdue.edu获得。该论文也可以从《纳米技术》杂志网站上下载。



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