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Title: Effect of the Electric field on the Biomineralization of Collagen
Authors: Díaz Barrios, Antonio
Ortiz Mosquera, Fiorella Paulet
Keywords: Collagen
Biomineralization
Hydroxyapatite
Electric field
Double-diffusion
Colágeno
Biomineralización
Hidroxiapatita
Campo eléctrico
Doble difusión
Issue Date: Jun-2022
Publisher: Universidad de Investigación de Tecnología Experimental Yachay
Abstract: Collagen/hydroxyapatite hybrids are promising biomimetic materials that can replace or temporarily substitute bone tissues. The present work is focused on evaluating an electric field's effect on collagen biomineralization using a double-diffusion system. The methodological principle consisted in applying an electric field on the incubation medium to promote the opposite migration of ions into collagen membranes and produce hydroxyapatite (HA). Two physically separated solutions were used for the incubation medium, one rich in phosphate ions (solution A) and the other in calcium ions (solution B), and their effect was evaluated against the use of Simulated Body Fluid (SBF). Moreover, taking advantage of the polarizability properties of collagen, the benefits of pre-polarizing the organic membranes and the effect of incubation time were also assessed. Our results proved that the electric field, the membrane pre-polarization, and the ion's physical separation significantly accelerate the mineralization process of collagen. FTIR and Raman structure analysis confirmed the formation of HA after biomineralization and allowed to determine the mineralization degree of the synthesized samples quantitatively. It was found that the application of the electric field influenced the collagen structure and its interactions with the mineral phase. The increment of the mineralization degrees proved to enhance the photoluminescence properties of the collagen/HA materials. However, the electric properties, including the dielectric constant and conductivity, were reduced with the increment of the mineral deposition. These results might provide a useful approach for future applications in manufacturing biomimetic bone-like materials.
Description: Los híbridos de colágeno/hidroxiapatita son materiales biomiméticos prometedores que pueden reemplazar o sustituir temporalmente los tejidos óseos. El presente trabajo se enfoca en evaluar el efecto de un campo eléctrico sobre la biomineralización del colágeno utilizando un sistema de doble difusión. El principio metodológico consistió en aplicar un campo eléctrico sobre el medio de incubación para promover la migración opuesta de iones hacia las membranas de colágeno y producir hidroxiapatita (HA). Para el medio de incubación se utilizaron dos soluciones físicamente separadas, una rica en iones fosfato (solución A) y la otra en iones calcio (solución B), y se evaluó su efecto frente al uso del Simulated Body Fluid (SBF). Además, aprovechando las propiedades de polarizabilidad del colágeno, también se evaluaron los beneficios de prepolarizar las membranas orgánicas y el efecto del tiempo de incubación. Nuestros resultados demostraron que el campo eléctrico, la prepolarización de la membrana y la separación física de los iones aceleran significativamente el proceso de mineralización del colágeno. El análisis de estructura FTIR y Raman confirmó la formación de HA después de la biomineralización y permitió determinar cuantitativamente el grado de mineralización de las muestras sintetizadas. Se encontró que la aplicación del campo eléctrico influyó en la estructura del colágeno y sus interacciones con la fase mineral. El incremento de los grados de mineralización demostró mejorar las propiedades fotoluminiscentes de los materiales de colágeno/HA. Sin embargo, las propiedades eléctricas, incluyendo la constante dieléctrica y la conductividad, se redujeron con el incremento de la deposición mineral. Estos resultados podrían proporcionar un enfoque útil para futuras aplicaciones en la fabricación de materiales biomiméticos similares a los huesos.
URI: http://repositorio.yachaytech.edu.ec/handle/123456789/532
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