Разработка и характеристика Sr-содержащих стеклокерамических композитов на основе биогенного гидроксиапатита

Фон

Гидроксиапатит (ГА) и другие биоактивные материалы из фосфата кальция, включая биоактивное стекло, могут использоваться в тканевой инженерии для замены костной ткани. Природный биогенный гидроксиапатит (БГА) - наноструктурный материал, нано- и микроструктура которого аналогична минеральной составляющей костной ткани.

Ранее были получены производственные результаты и изучены различные типы композитов на основе биогенного и синтетического гидроксиапатита и стеклофазы [1,2,3,4,5]. Известно, что в химическом составе природного биогенного гидроксиапатита (BHA) есть небольшие количества других неорганических соединений, таких как Ca ₄ O (PO ₄ ) ₂ , NaCaPO ₄ , Ca ₃ (ЗП ₄ ) ₂ , CaO и MgO, а также следы Al ³⁺ , Fe ³⁺ , Mg ²⁺ , Sr ²⁺ , K ⁺ , Si ⁴⁺ , Na ⁺ , Cu ²⁺ , Zn ²⁺ , и CO ₃ ^2– [6,7,8,9]. Поэтому также были изучены и получены композиты КНБК / стекло с использованием различных биоактивных добавок, которые могут способствовать процессам остеогенеза и формированию новой костной ткани. Эти композиты легированы ионными добавками Fe ²⁺ / Fe ³⁺ и Cu ²⁺ [10, 11], Ce ²⁺ [12], Si ⁴⁺ [13], Ла ³⁺ [14] и другие.

Современной проблемой в области заболеваний костной патологии является лечение остеопороза, то есть уменьшения плотности костной ткани пациента в результате гормональных или иных причин. Поэтому актуальна разработка новых биоактивных материалов, способных стимулировать образование новых клеток костной ткани и улучшать ее структуру. С этой точки зрения введение ионов стронция в состав кальций-фосфатных материалов может улучшить их биоактивные свойства [15,16,17].

При разработке инструментов, используемых для регенерации костной ткани in vivo, основное внимание уделяется клеточным моделям и процессам дифференцировки.

Авторы [15, 18] указывают на роль Sr ²⁺ в поддержании регенерации костей в процессе восстановления скелета в целом, а точнее, при применении клеточной терапии. Например, стронций ранелатер представляет собой интересное соединение, которое стимулирует образование костей и подавляет резорбцию костей. При оценке действия широкого спектра стронция (Sr ²⁺ ) концентрация in vitro , авторы установили, что Sr ²⁺ способствует пролиферации клеток PA20-h5, а также образованию НА в процессе остеоиндукции in vitro. Упомянутые выше данные указывают на роль Sr ²⁺ в поддержании регенерации костей в процессе восстановления скелета в целом и, в частности, при применении клеточной терапии.

Авторами данной работы [17] получены стабильные суспензии нанопорошков стронцийсодержащего гидроксиапатита (Sr-HA) методом осаждения из водного раствора (содержание стронция в количестве от 0 до 100 мол.%). Исследования полученных материалов указывают на полную растворимость стронция в решетке гидроксиапатита при изоморфном замещении Са ²⁺ для Sr ²⁺ . Добавление стронция отвечает за увеличение отношения c / a в элементарной ячейке триклиники. Наблюдается существенное изменение формы и размера нанопорошков, в связи с чем преимущественный рост идет в направлении вдоль c ось проявляется при повышенном содержании стронция.

Данные исследований биосовместимости суспензий с точки зрения жизнеспособности клеток, апоптоза, пролиферации и морфологии с использованием линии клеток остеосаркомы SAOS-2 указывают на повышенную пролиферацию клеток для наночастиц ГК, содержащих большее количество Sr 2 + при этом практически не влияет на морфологию клеток.

В работе [19] были разработаны многофункциональные пористые гранулы как наполнители костной ткани и носители лекарственных средств. Порошки из замещенного стронцием и магнием материала HA / TCP с составом, близким к минеральной части человеческой кости [(Ca + Sr + Mg) / P =1,62], были получены осаждением, затем подвергнуты термообработке и деагломерации. Сушка и спекание позволили получить пористые гранулы, пропитанные раствором антибиотика (левофлоксацина), замороженные, а затем лиофилизированные. Оценка высвобождения лекарственного средства и остеосовместимости гранул показала, что гранулы, легированные Sr, продемонстрировали самые высокие уровни пролиферации и эффективности в созревании остеобластов.

Имеются данные о влиянии добавки стронция на поведение частиц биоактивного стекла 1393 nBG in vitro с точки зрения физико-химических реакций, протекающих на их поверхности в SBF [20]. По сравнению с нелегированным стеклом 1393 nBG было обнаружено, что образование апатита замедляется при введении Sr, что, вероятно, является результатом ингибирующего действия ионов Sr на кристаллизацию ГА. Кроме того, было обнаружено, что кристалличность осажденного фосфата кальция была ниже в случае стекла 1393 nBG, легированного Sr, по сравнению с чистым стандартным материалом 1393 nBG. Авторы вышеупомянутой работы также отмечают, что способность образовывать биоактивные стекла из ГК дает представление об их поверхностной реакционной способности, которая связана с применением наноразмерных частиц биологически активного стекла для регенерации костей.

Исследования, проведенные на крысах in vivo авторами работы [21], показали положительное влияние стронцийсодержащего макропористого биоактивного стекла (Sr-MBG) на процесс костеобразования, а также на снижение резорбции костной ткани у крыс с остеопорозом. (крысы с остеопорозом). Исследование показало, что использование (Sr-MBG) приводит к увеличению костеобразования (46,67%) по сравнению с MBG из нелегированного стекла (39,33%) и контрольной группой (17,50%).

Целью работы является получение и исследование биоактивных материалов на основе биогенного композита гидроксиапатит / стекло с добавкой SrО для тканевой инженерии.

Методы / экспериментальные

Подготовка образца

Биоактивные стеклокерамические композиты на основе наноструктурированного биогенного гидроксиапатита (БГА) с добавлением натриево-боросиликатного стекла (мас.%:46 SiO ₂ ; 28 млрд ₂ О ₃ ; 26 Na ₂ O) готовили, как описано в [11]. Для получения образцов Sr-содержащих стеклокерамических композитов использовались порошки биоактивных стеклокерамических композитов на основе наноструктурированного биогенного гидроксиапатита (БГА) и натриево-боросиликатного стекла в соотношении 50/50 мас.%, Спеченных при температуре 1100 ° C (начало спекания). ), затем были раздавлены. Полученные порошки композитов смешивали с порошком оксида стронция (1 мас.%). Образцы композитов КНБК / стекло и КНБК / стекло-Sr диаметром 2,5 г и 11 мм были сформированы и спечены при температуре 780 ° C.

Методы характеризации

Фазовый состав и структура полученных образцов были изучены методами рентгеновской дифракции, ИК-спектроскопии и СЭМ.

Дифракция рентгеновских лучей

Для рентгеноструктурного анализа использовался рентгеновский дифрактометр ДРОН-3М, оснащенный дополнительной компьютерной системой сканирования, рентгеновской трубкой с медным анодом и никелевым фильтром. Таким образом, дифракционные изображения были получены с помощью излучения Cu – Kα со средней длиной волны λ =1,54178 3.

ИК-спектроскопия

Кроме того, материалы были исследованы методом инфракрасной (ИК) спектроскопии на спектрофотометре ФСМ 1202 (ТОВ Инфраспектр, Россия) в диапазоне волновых чисел 4000–400 см ^{- 1} .

Структура

Структуру композитов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе РЭМ-106И (ВАТ СЭЛМИ, Украина).

Пористость

Композитные образцы были исследованы на кажущуюся плотность, общую и открытую пористость ( Θ _т и Θ _op ). Общая пористость образцов (%) рассчитывалась по следующей формуле:

где ρ _ap - кажущаяся плотность, г / см ³ ;

ρ _pykn - пикнометрическая плотность компактного материала, г / см ³ .

Для КНБК ρ _pykn =3,00 г / см ³ .

Для определения открытой пористости образец взвешивали и насыщали этиленом в вакууме. Насыщенные образцы взвешивали в воде и на воздухе. Открытая пористость образцов (%) рассчитывалась по формуле:

где м - масса образца в воздухе, г;

м ₁ - масса насыщенного образца в воздухе, г;

м ₂ - масса насыщенного образца в воде, г;

ρ _w - плотность воды, г / см ³ ;

ρ _liq - плотность насыщающей жидкости (этилена), г / см ³ .

Закрытая пористость образцов рассчитывалась по следующей формуле:

Тестирование биоактивности in vitro

Исследование растворимости пористых образцов in vitro проводили в изотоническом солевом растворе (0,9% NaCl) при соотношении твердой и жидкой фазы 1:30 после 2, 5 и 7 дней выдержки в термостате при 36,5 ± 0,5 ° C с последующей путем определения потери массы на аналитических весах «OHAUS Pioneer PA214C» (OHAUS Corporation, Китай) с точностью до 0,0001 г.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования фазового состава исходной КНБК и приготовленных композитов представлены на рис. 1, 2, 3 и 4. Было установлено, что ГК сохраняет свой фазовый состав в композитах КНБК / стекло.

Диаграммы XRD для начальной BHA

Рентгенограмма композита BHA-стекло с обозначением наиболее интенсивных пиков основных фаз

Диаграммы XRD для обоих композитов BHA / стекло и BHA / стекло-Sr.

Картины XRD для обоих композитов BHA / стекло и BHA / стекло-Sr для плоскостей (211), (112), (300) и (202)

Исходный порошковый BGA демонстрирует дифракционное изображение, соответствующее PDF-файлу 72-1243 (таблицы JCPDS) (рис. 1). Указанное стандартное дифракционное изображение относится к кристаллам с гексагональной примитивной кристаллической решеткой с периодами а =9432 и с =6881 Å. Расчет периодов выполняется с использованием пиков (002), (211), (300), (222) и (213), лежащих в диапазоне 2θ =24 ^° –52 ^° . Соответственно, объем элементарной кристаллической ячейки таких кристаллов равен 530 496 Ǻ ³ , что незначительно отличается от указанного в стандартном значении файла - 530,14 Ǻ ³ .

За счет наличия аморфной фазы в композите КНБК / стекло происходит процесс жидкофазного спекания. В результате активного взаимодействия компонентов стеклофазы и ВНА происходит образование новых кристаллических фаз. По результатам РФА определены основные кристаллические фазы композита КНБК / стекло (рис. 2). Установлено, что полученные композиты являются неоднородным материалом. Следующие фазы представлены с наиболее интенсивными пиками:Ca ₁₀ (ЗП ₄ ) ₆ (ОН) ₂ , Na ₂ Ca ₃ Si ₃ О ₁₀ , Ca ₂ SiO ₄ , Na ₄ SiO ₄ , Na ₂ БО ₂ .

Объем кристаллической ячейки зависит от ее совершенства, т.е. от правильного заполнения ионами, входящими в состав гидроксиапатита. Структурные особенности элементарной клетки ГА изучены достаточно глубоко [9, 22, 23]. Используя имеющиеся данные, можно утверждать, что плоскость (004) имеет в своем составе атомы фосфора, кислорода и кальция, а плоскость (211) образована атомами кислорода и (202) - ионами Са _II. ²⁺ . Основное количество кислорода находится в составе тетраэдров РО ₄ ^3– . Поскольку относительная интенсивность зависит от атомного фактора рассеяния (другие факторы идентичны), относительная интенсивность пика (202) - I ₍₂₀₂₎ / Я ₍₂₁₁₎ косвенно может свидетельствовать об изменении количества вакансий в ионах Са ²⁺ или их отсутствие. Следует отметить, что атомный фактор рассеяния для Cu- K _α излучение при sinθ / λ =0,5 для Са ²⁺ ионов равно 8.1, а для Sr ²⁺ ионы - 19,6 [24]. Замена ионов Са ²⁺ для Sr ²⁺ ионов увеличивает периоды а и с кристаллической решетки гидроксиапатита [25]. Итак, если вышеуказанная замена приводит к формуле твердого раствора Ca _{10− x} Sr _x (ЗП ₄ ) ₆ (ОН) ₂ , где х =1, то объем элементарной кристаллической ячейки превышает значение ~ 540 Ǻ ³ .

Введение оксида стронция в количестве 1% по массе в состав КНБК / стекло существенно не меняет фазовый состав композитов; это можно увидеть при сравнении дифракционных изображений, расположенных на одной диаграмме, без изменения интенсивности (рис. 3 и 4).

Однако существуют различия в положении центров пиков КНБК / стекло и КНБК / стекло-Sr, а также уменьшение интенсивности пиков и их смещение в сторону больших углов в КНБК / стекло-Sr (рис. 4). Вероятно, что введение стронция в КНБК / стекло приводит к уменьшению количества кристаллических фаз по сравнению с нелегированным композитом, а также способствует формированию кристаллической структуры композита за счет перехода кристаллических фаз в аморфные ( Рис.3). На рис. 4 приведены основные пики ВНА, развернутые в угловом диапазоне 2θ и обозначенные вертикальными линиями.

Внутренний объем кристалла рассчитан по составу безупречного гидроксиапатита Ca ₁₀ (ЗП ₄ ) ₆ (ОН) ₂ , соответствующий PDF-файлу 72-1243 (Таблицы JCPDS). Проведенный расчет размеров кристаллических решеток по результатам РФА свидетельствует об изменении периодов а и с , а также объем решетки (табл. 1). Очевидно, что при интенсивном взаимодействии с компонентами композита стронций вызывает деградацию кристаллической структуры, приводит к уменьшению межплоскостных расстояний и, соответственно, уменьшению объема элементарной кристаллической ячейки КНБК. Данные, приведенные в работе авторов [25], указывают на увеличение основных параметров решетки (периодов а и с , объем кристаллической решетки) НА в золь-гель замещении Sr в НА. Однако, как указывалось выше, исследуемый нами материал основан на биогенном гидроксиапатите и содержит 50% по массе стеклофазы. Вероятно, при взаимодействии ВНА со стекловидной фазой происходит образование новых кристаллических фаз (рис. 2), что теоретически может приводить к изменению соотношения Са / Р и оказывать влияние на образование вакансий Са ^{2. +} . Эти изменения могут привести к смене периодов а , с , и объем элементарной решетки (таблица 1). Дополнительное введение стронция в композит КНБК / стекло увеличивает влияние на параметры элементарной решетки ГА.

Как известно [26], спектр гидроксиапатита характеризуется двумя интенсивными группами полос около 1040 и 570 см ^{- 1} .

Анализ ИК-спектров поглощения композитов на основе ВНА и боросиликатного стекла показывает, что для такой системы характерно наложение спектров ВНА и боросиликатного стекла (рис. 5). Полное отнесение ИК-частот композитов на основе ГК и натрийборосиликатного стекла мы описали в работе [27]. Введение в такой состав 1% стронция приводит к значительному расширению всех полос поглощения исследуемого ИК-спектра и изменению формы, частот полос поглощения в диапазоне ν ~ 1050–700 см ^{- 1} и сдвиг полосы от ν ~ 1045 см ^{- 1} в сторону длинных волн по сравнению с исходной КНБК (рис. 5). Такие изменения могут быть связаны с влиянием добавления стронция в исследуемую композиционную систему. Однако наложение областей проявления полос поглощения в исследуемом составе затрудняет однозначную интерпретацию. Следует отметить, что наличие примесных атомов и других дефектов существенно влияет на осциллирующие ИК-спектры. В исследованных образцах присутствие СО ₂ из атмосферы и небольшое количество остаточных органических продуктов реакции (1900–2000 см ⁻¹ ) наблюдаются.

ИК-спектры для обоих композитов BHA / стекло и BHA / стекло-Sr.

Результаты исследования общей пористости, ее открытой и закрытой фракций представлены на рис. 6. Показано, что суммарная пористость композитов БГА / стекло-Sr практически в 2 раза превышает пористость композитов ВНА / стекло и может достигать 61%. . Такая высокая пористость позволяет композиту стать структурным аналогом костной ткани, общая пористость для которой находится в пределах 55–70% [7]. Здесь доля открытой пористости у композитов, легированных стронцием, также выше, чем у нелегированных композитов. При введении стронция открытая пористость увеличивается с 6 до 10% (рис. 6).

Структура пористости обоих композитов BHA / стекло и BHA / стекло-Sr.

В нашем случае в приготовленный композиционный материал был введен стронций, что, вероятно, повлекло за собой изменение состава стеклофазы с ослаблением структуры кремний-кислородного каркаса. В результате описанных выше процессов снижается вязкость, которая является основным фактором, определяющим диффузионные процессы при спекании [28], и вызывает вспенивание композитного кристаллического стекла. И как результат, вероятно, это приводит к усилению взаимодействия на поверхности ВНА / стекло, то есть увеличивается ионный обмен между ВНА и стеклянной фазой. Вероятно, это приводит к частичной замене ионов кальция на ионы стронция в структуре ВНА с последующим переходом ионов кальция в стеклофазу с образованием новых кристаллических фаз, что приводит к последующим изменениям не только кристаллической решетки, но и структура всего композита.

На рис.7 представлена ​​микроструктура поверхности и разрушение исследованных композитов. Из приведенных микрофотографий видно, что структуру КНБК / стекло и КНБК / стекло-Sr можно охарактеризовать матричной структурой, которая формируется за счет некоторых особенностей жидкофазного спекания материала. Здесь фаза боросиликатного натриевого стекла создает «каркас», в котором находятся кристаллические частицы гидроксиапатита. При этом размер пор составляет от 1 до 600 мкм. Наличие пор разного размера в материале КНБК / стекло и КНБК / стекло-Sr, на наш взгляд, связано с разной природой порообразования:поры размером 100–600 мкм образуются за счет межгранулярного взаимодействия. свободные места; поры размером менее 100 мкм - за счет вспенивания стекломассы при окончательном спекании [10]. Агломераты в структуре композита образуются из частиц размером> 0,2 мкм. Здесь, на поверхности, мы четко видим агломератные образования кристаллов различной формы и размеров от 1 до 4 мкм в поперечном сечении, которые достигают 30 мкм в длину для КНБК / стекло-Sr. При этом образование этих агломератов кристаллов наблюдается исключительно на поверхности композитных образцов.

Микроструктура обоих композитов BHA / стекло и BHA / стекло-Sr.

В целом очевидно, что микроструктура внутренней части образцов полипористая, иными словами, для нее характерно наличие многоразмерных пор, что перспективно с точки зрения достижения высоких резорбционных свойств биокерамики при прямой контакт со средой человеческого организма.

Исследование in vitro после 2, 5 и 7 дней воздействия физиологического раствора на все изученные композиты показало, что растворимость композитов BHA / стекло-Sr выше, чем композитов BHA / стекло (рис. 8). Как видно из рис. 8, скорость растворения композитных образцов КНБК / стекло-Sr в физиологическом растворе превышает таковую для композитов КНБК / стекло в 2–4 раза в зависимости от времени нахождения в физиологическом растворе. Наибольшая скорость растворения зафиксирована для композитов BHA / стекло-Sr после 2 суток пребывания в физиологическом растворе и составляет 0,19% масс / сутки. Характер динамики скорости растворения композитов различается для обоих типов композитов.

Скорость растворения в физиологическом растворе обоих композитов BHA / стекло и BHA / стекло-Sr (2, 5, 7 дней)

Поскольку содержание стеклофазы в обоих типах композитов практически одинаково, то влияние ее количества на растворение также будет аналогичным. Таким образом, полученные результаты могут быть обусловлены значительно более высокой пористостью композитов КНБК / стекло-Sr, а также большей долей открытой пористости по сравнению с композитами КНБК / стекло.

Полученные композиты могут быть использованы в медицине для замещения некоторых дефектных участков костной ткани пациентов. Наличие в полученных материалах широкого диапазона размеров пор позволяет использовать их в различных областях скелета человека.

Выводы

Получены новые композиционные материалы, легированные стронцием, на основе биогенного гидроксиапатита и стеклофазы. РФА показала, что полученные композиты являются неоднородным материалом. Содержание стеклофазы и стронция в качестве легированной добавки в композиционном материале КНБК / стекло влияет на изменение параметров элементарной ячейки КНБК, а именно приводит к уменьшению кристаллической решетки гидроксиапатита. Также установлено, что композит BHA / стекло-Sr обладает более высокой пористостью, а также более высокой скоростью растворения в физиологическом растворе, что делает полученные композиты перспективными материалами для использования в медицине для замещения дефектных участков костной ткани пациентов.