Effect of doping ions and organic molecules on the precipitation and biological interactions of nanostructured calcium phosphates

Abstract

From a chemical and structural point of view, hydroxyapatite (HA) is a strong candidate in biomedical applications owing to its similarity to the inorganic components of bones and teeth. HA nanoparticles (NPs) as colloidal suspensions are becoming a popular tool in biomedical applications such as gene/drug delivery, bio-imaging etc. Although it is widely acknowledged that ionic substitutions on bulk HA substrates have a strong impact on their biological performance, little is known of their effect on NPs with potential use in gene transfection or drug delivery. In the third chapter carbonate (CO3) and magnesium (Mg) ions, which are the major substitutions in biological apatite, have been explored in the synthesis of ion-doped HA NPs under similar reaction conditions to allow comparison of results. CO3 and Mg ion were incorporated in the crystal lattice of HA and caused various changes mainly in the morphology and solubility of the different nanoparticles. In addition, the impact of ion doping on the interaction of HA NPs with cells was also evaluated under various cell culture conditions: 1) performing the cell culture study on citrate-dispersed NPs and on agglomerated NPs, 2) adding/excluding 10 % of foetal bovine serum (FBS) in the cell culture media and 3) using different types of cells, i.e. osteosarcoma MG-63 cells versus rat mesenchymal stem cells (rMSCs). The in vitro results indicated that Mg-doped HA NPs induced a profound impact on MG63 cells and, in the absence of citrate and FBS these nanoparticles were clearly cytotoxic. However, Mg-doped HA NPs did not alter cell viability in rMSCs under the same conditions. In the fourth chapter, Sr, Zn, Si and Fe(III) ions, which are minor ionic substitutions in biological apatite, were introduced to synthesize additional ion-doped HA NPs. Physicochemical characterization demonstrated that as-synthesized NPs were phase pure and doped ions had little influence on the morphology of NPs as in all cases they kept needle-like structure. Cytotoxicity studies performed using MG63 and rMSCs cells under the conditions of serum-containing and serum-free indicated that all NPs were non-cytotoxic if FBS was present. Interestingly, Zn-doped and Fe-doped HA NPs clearly stimulated MG63 cell proliferation in the absence of FBS. In addition to exploring the effect of ion-doped HA NPs on cell behaviour, it was also the interest of this thesis to investigate calcium phosphate (CaP) mineralization in the presence of organic molecules and also doping ions. In the fifth chapter of this thesis the effect of various organic molecules on CaP precipitation is provided. As shown by transmission electron microscopic studies (TEM) neuron-like CaP structures could be created using organic molecules of diverse nature such as non-ionic surfactant (Tween 80), anionic polymers (sodium polyacrylate) and cationic polymers (polydiallyldimethylammonium chloride). TEM studies through EELS, EFTEM and SAED proved that the neuron-like structures consisting of a dense core and thin filaments surrounding it had calcium, phosphorous and oxygen evenly distributed throughout the dense core as well as the filaments, and were amorphous in nature. Additionally, the co-effect of inorganic additives (i.e. Mg and Sr) together with organic molecules on CaP was also evaluated. It was proved that the addition of small amounts of ions had diverse impact on the stability of the neuron-like structures Mg clearly disrupting them but not Sr. All the findings with organic molecules provide much inspiration not only for the synthesis of more advanced CaP materials with novel structures and useful properties, but also for a better understanding of biomineralization process in nature.

Desde el punto de vista químico y estructural la hidroxiapatita (HA) se considera un gran candidato para aplicaciones biomédicas por su similitud con la fase mineral del hueso y los dientes. Aunque el efecto del dopaje se ha investigado con detalle en la fabricación de implantes viéndose que su presencia tiene un gran impacto en el comportamiento celular, poco se sabe de su efecto en nanopartículas para su uso en terapia génica y liberación de fármacos. En concreto, el tercer capítulo se centra en el dopaje de la apatita con iones carbonato (CO3) y magnesio (Mg) por ser éstas las sustituciones más importantes en la apatita biológica. Para ello todas las reacciones de síntesis se realizan bajo las mismas condiciones con la finalidad de poder comparar resultados. Los resultados muestran que ambas sustituciones acaban incorporando los iones dentro de la estructura del cristal causando diferentes impactos principalmente a nivel de morfología y solubilidad. Con respecto al impacto del dopaje en la caracterización celular, se llevaron a cabo diferentes ensayos: 1) utilizando suspensiones dispersadas con citrato o sin él, 2) en medio de cultivo con o sin 10 % v/v de suero fetal bovino y 3) utilizando dos tipos de células diferentes, células de osteosarcoma (MG63) y células de rata mesenquimales (rMSCs). Los resultados in vitro mostraron que las nanopartículas dopadas con Mg eran claramente citotóxicas a las células MG63 en ausencia de FBS. Sin embargo, las mismas NPs no alteraron la viabilidad celular en rMSCs bajo las mismas condiciones. El capítulo cuarto se centra en la síntesis y caracterización de NPs dopadas con iones Sr, Zn, Si y Fe(III), que representan sustituciones minoritarias en la apatita biológica. Su caracterización fisicoquímica mostró que todas las NPs eran puras con morfología acicular. Los estudios de citotoxicidad con células MG63 y rMSCs, con y sin FBS, mostraron viabilidad en presencia de FBS para todas las NPs. Además, para las NPs dopadas con Zn y Fe se observó un aumento notable en la proliferación celular para las MG63 cultivadas sin FBS. Además de explorar el efecto del dopaje de iones en NP de HA, otro campo de interés en esta tesis ha sido investigar la mineralización de fosfatos de calcio (CaP) en presencia de moléculas orgánicas y de diferentes iones. A través de estudios recientes en el grupo de investigación se ha visto que es posible formar fosfatos de calcio con estructura neuronal con la ayuda de simples moléculas orgánicas. En el quinto capítulo de esta tesis se estudia el efecto de varias moléculas orgánicas en la precipitación de CaP. Estudios por microscopia electrónica de transmisión (TEM) revelaron la presencia de estas estructuras neuronales formadas con la ayuda de moléculas orgánicas de diferente naturaleza: surfactante no iónicos (Tween 80), polímeros aniónicos (poliacrilato sódico) y políremos catiónicos (cloruro de polidialildimetilamonio). Varios estudios por TEM como son EELS, EFTEM y SAED permitieron establecer que las estructuras neuronales consistían de un núcleo denso del cual se extendía una red de filamentos, que en estas estructuras el calcio, fósforo y oxígeno estaba homogéneamente distribuido y que eran de naturaleza amorfa. Además se investigó el efecto simultáneo de añadir aditivos inorgánicos (iones Mg i Sr) junto con moléculas orgánicas. Se observó que la adición de pequeñas cantidades de iones afectaba la estabilidad de las estructuras neuronales. Con Mg las estructuras no eran estables pero sí con Sr. Estos estudios pueden ser fuente no sólo de inspiración en la síntesis de estructuras más avanzadas y con propiedades notablemente diferentes, sino que además proporcionan un mejor conocimiento de los procesos de biomineralización.