Стронциедопированные биогенные гидроксиапатит/стекло-керамические композиты: синтез, структурная характеристика и улучшенная биоактивность

Введение

Биогенный гидроксиапатит (BHA) зеркалит нано-микро архитектуру природного костного минерала и, в комбинации с биоактивными стеклами, формирует композиты, поддерживающие регенерацию кости. Ранние исследования исследовали различные ионные замещения — Fe²⁺/Fe³⁺, Cu²⁺, Ce²⁺, Si⁴⁺, La³⁺ — для усиления остеогенического потенциала [1–14]. Стронций, в частности, демонстрировал двойное действие: стимулирование пролиферации остеобластов при ингибировании остеокластов, что способствует костообразованию [15–18]. Клинический интерес к Sr-содержащим материалам усиливается распространенностью остеопороза, состояния с пониженной костной плотностью [19–21]. Эта работа направлена на разработку Sr-допированного BHA/стекла композита, балансирующего механическую целостность с биоактивностью для потенциального клинического применения.

Методы

Подготовка образцов

Наноструктурированный BHA смешивали с натрий-боросиликатным стеклом (46 % SiO₂, 28 % B₂O₃, 26 % Na₂O) в весовом соотношении 50/50. Смесь сначала спекли при 1100 °C для образования предшественника, затем измельчали. SrO (1 вес.%) вводили, за которым следовала прессовка в таблетки (2,5 г, 11 мм диаметр) и спекание при 780 °C в течение 1 ч.

Характеризация

Фазовый анализ: XRD (DRON-3M, Cu Kα, λ = 1,54178 Å). IR спектры: FSM 1202, 4000–400 см⁻¹. Микроструктура: SEM (REM-106I). Пористость: кажущаяся плотность и открытая/закрытая пористость по ASTM C1701 с насыщением этиленом. In vitro растворимость: 0,9 % NaCl (твердое/жидкое = 1:30) при 36,5 °C на 2, 5, 7 дней; потеря массы фиксировали на балансе OHAUS Pioneer PA214C (0,0001 г).

Результаты и обсуждение

Фазовый состав

Исходный BHA соответствовал образцу JCPDS 72-1243 с решетчатыми параметрами a = 9,432 Å, c = 6,881 Å (V ≈ 530 ų). 50/50 вес. композит сохранил фазу HA, вводя фазы Na₂Ca₃Si₃O₁₀, Ca₂SiO₄, Na₄SiO₄ и Na₂BO₂, подтверждая гетерогенное спекание. Добавление SrO не изменило фазовый состав, но сдвинуло дифракционные пики к более высоким 2θ, указывая на сжатие решетки из-за замещения Ca²⁺ на Sr²⁺ (Sr²⁺ имеет больший рассеивающий фактор).

XRD pristine BHA

XRD BHA/стекло композит

XRD BHA/стекло-Sr композит

Микроструктура и пористость

SEM выявила матричный тип структуры: стекло сформировало непрерывную структуру, встраивающую HA кристаллы. Анализ пористости показал общую пористость Sr-допированного композита ~61 %, почти в два раза выше недопированного материала (~30 %). Открытая пористость выросла с 6 % до 10 %, тогда как закрытая пористость соответственно снизилась (Рисунок 6). Высокая пористость соответствует естественной губчатой кости (55–70 %) и ожидается усилит инфильтрацию клеток и васкуляризацию.

Распределение пористости для BHA/стекло и BHA/стекло-Sr композитов

In vitro растворение

Через 2 дня Sr-допированный композит показал скорость растворения 0,19 % массы/день, в 2–4 раза выше недопированного аналога. Повышенная растворимость коррелирует с увеличенной открытой пористостью и слегка сжатой HA решеткой, облегчающей ионный выход (Рисунок 8).

Потеря массы в солевом растворе для BHA/стекло vs BHA/стекло-Sr (2, 5, 7 дней)

IR спектроскопия

Спектры композитов демонстрировали характерные HA полосы ~1040 и ~570 см⁻¹, с дополнительной абсорбцией из-за стекловой сети. Добавление Sr расширило и сдвинуло полосы в области 700–1050 см⁻¹, указывая на возмущение решетки.

IR спектры BHA/стекло и BHA/стекло-Sr композитов

Заключение

Мы успешно изготовили Sr-допированные BHA/натрий-боросиликатные стекло композиты (50/50 вес., 1 вес.% SrO). XRD подтвердил сохранение HA фазы с сжатием решетки при включении Sr. Добавление Sr заметно увеличило пористость и in vitro растворение, предполагая превосходную остеокондуктивность. Эти материалы обещают для клинического костного репарирования, особенно в остеопоротических контекстах, где желательно усиленное ресорбцирование и новое костообразование.