Pengembangan dan Karakterisasi Komposit Kaca-Keramik Mengandung Sr Berbasis Hidroksiapatit Biogenik
Abstrak
Material komposit berbasis hidroksiapatit banyak digunakan untuk rekayasa jaringan tulang. Ada bukti efek positif dari kehadiran strontium dalam bahan osteoplastik dalam kasus rasio tertentu Ca/Sr. Untuk menguji pengaruh penambahan Sr
2+
, sebuah penelitian dilakukan dengan memasukkannya ke dalam komposisi bahan berdasarkan hidroksiapatit biogenik dan gelas natrium borosilikat (50/50% berat). Strontium dimasukkan ke dalam komposisi dalam jumlah 1% berat. Material komposit diperoleh pada suhu sintering akhir 780 °C dan waktu sintering 1 jam. Pengaruh penambahan fasa gelas dan strontium terhadap perubahan kisi kristal hidroksiapatit biogenik diselidiki dengan bantuan analisis fasa sinar-X, spektroskopi IR. Juga perilaku komposit in vitro dalam larutan fisiologis dipelajari.
Latar Belakang
Hidroksiapatit (HA) dan bahan kalsium fosfat bioaktif lainnya, termasuk kaca bioaktif, dapat digunakan dalam rekayasa jaringan untuk menggantikan jaringan tulang. Natural biogenic hydroxyapatite (BHA) adalah material berstruktur nano, nano, dan mikro yang dianalogikan dengan komponen mineral jaringan tulang.
Hasil produksi sebelumnya diterima, dan berbagai jenis komposit berdasarkan hidroksiapatit biogenik dan sintetis dan fase kaca dipelajari [1,2,3,4,5]. Diketahui, dalam komposisi kimia natural biogenic hydroxyapatite (BHA), terdapat sejumlah kecil senyawa non-organik lainnya seperti Ca4 O(PO4 )2 , NaCaPO4 , Ca3 (PO4 )2 , CaO, dan MgO, serta jejak Al
3+
, Fe
3+
, Mg
2+
, Pak
2+
, K
+
, Si
4+
, Na
+
, Cu
2+
, Zn
2+
, dan CO3
2−
[6,7,8,9]. Oleh karena itu, komposit BHA/kaca dengan penggunaan berbagai aditif bioaktif yang dapat berkontribusi pada proses osteogenesis dan pembentukan jaringan tulang baru juga dipelajari dan diperoleh. Komposit ini dicampur dengan aditif ion Fe
2+
/Fe
3+
dan Cu
2+
[10, 11], Ce
2+
[12], Si
4+
[13], La
3+
[14], dan lainnya.
Masalah modern di bidang penyakit patologi tulang adalah pengobatan osteoporosis yaitu menipisnya kepadatan jaringan tulang pasien sebagai akibat hormonal atau penyebab lainnya. Itulah mengapa cukup relevan untuk mengembangkan bahan bioaktif baru yang dapat merangsang pembentukan sel-sel baru jaringan tulang dan memperbaiki strukturnya. Dari sudut pandang ini, pengenalan ion strontium ke dalam komposisi bahan kalsium fosfat dapat meningkatkan sifat bioaktifnya [15,16,17].
Pengembangan instrumen yang digunakan untuk regenerasi jaringan tulang in vivo difokuskan pada model seluler dan proses diferensiasi.
Para penulis [15, 18] menunjukkan peran Sr
2+
dalam mempertahankan regenerasi tulang selama proses restorasi tulang secara keseluruhan, dan lebih khusus lagi, dalam penerapan terapi seluler. Sebagai contoh, strontium ranelatere menyajikan sendiri senyawa menarik yang merangsang pembentukan tulang dan menghambat resorpsi tulang. Dalam perkiraan efek berbagai strontium (Sr
2+
) konsentrasi in vitro, penulis menetapkan bahwa Sr
2+
mempromosikan proliferasi sel PA20-h5 serta pembentukan HA dalam proses osteoinduksi in vitro. Data yang disebutkan di atas menunjukkan peran Sr
2+
dalam mempertahankan regenerasi tulang selama proses restorasi tulang secara keseluruhan, dan lebih khusus lagi, dalam penerapan terapi seluler.
Penulis karya ini [17] telah menerima suspensi stabil nanopowders hidroksiapatit yang mengandung strontium (Sr-HA) dengan metode pengendapan dari larutan berair (kandungan strontium dalam jumlah 0 hingga 100 mol%). Studi bahan yang diperoleh menunjukkan kelarutan lengkap strontium dalam kisi hidroksiapatit dalam penggantian isomorfik Ca
2+
untuk Sr
2+
. Penambahan strontium bertanggung jawab atas peningkatan rasio c/a dalam sel dasar triklinik. Sebuah perubahan signifikan dalam bentuk dan ukuran nanopowders diamati, di mana hubungan pertumbuhan yang berlaku dalam arah sepanjang c sumbu dimanifestasikan dalam kasus konten strontium yang lebih tinggi.
Data studi biokompatibilitas suspensi, dari sudut pandang viabilitas sel, apoptosis, proliferasi, dan morfologi dengan penggunaan garis sel osteosarcoma SAOS-2 menunjukkan peningkatan proliferasi sel untuk nanopartikel HA yang mengandung lebih banyak Sr2 +
, dengan demikian, secara praktis, tidak berpengaruh pada morfologi sel.
Dalam pekerjaan [19], butiran berpori multifungsi dikembangkan sebagai pengisi jaringan tulang dan pembawa agen obat. Bubuk dari bahan pengganti stronsium dan magnesium HA/TCP dengan komposisi yang mendekati bagian mineral tulang manusia [(Ca + Sr + Mg)/P = 1,62], telah diperoleh dengan pengendapan, kemudian mengalami perlakuan panas dan deaglomerasi. Pengeringan dan sintering diizinkan untuk menerima butiran berpori yang dijenuhkan dengan larutan antibiotik (levofloxacin), dibekukan, dan kemudian diliofilisasi. Estimasi pelepasan agen obat dan osteokompatibilitas butiran telah menunjukkan bahwa butiran paduan Sr telah menunjukkan tingkat proliferasi dan efektivitas tertinggi dalam pematangan osteoblastik.
Ada beberapa data tentang pengaruh aditif strontium pada perilaku partikel kaca bioaktif 1393 nBG secara in vitro, dari sudut pandang reaksi fisika-kimia yang terjadi pada permukaannya di SBF [20]. Dibandingkan dengan kaca non-paduan 1393 nBG, ditemukan bahwa pembentukan apatit diperlambat dalam pengenalan Sr yang, mungkin, adalah hasil dari aksi penghambatan ion Sr pada kristalisasi HA. Selain itu, terungkap bahwa kristalinitas kalsium fosfat yang diendapkan lebih rendah dalam kasus dengan kaca paduan Sr 1393 nBG dibandingkan dengan bahan standar murni 1393 nBG. Para penulis dari karya tersebut di atas juga menunjukkan bahwa kemampuan untuk membentuk gelas bioaktif HA memberikan gagasan tentang reaktivitas permukaannya yang berhubungan dengan penerapan partikel skala nano dari kaca aktif biologis dalam regenerasi tulang.
Studi yang dilakukan in vivo pada tikus oleh penulis penelitian [21] telah menunjukkan dampak positif dari kaca bioaktif makropori yang mengandung strontium (Sr-MBG) pada proses pembentukan tulang serta pada penurunan resorpsi tulang pada tikus dengan osteoporosis. (tikus osteoporosis). Penyelidikan telah menunjukkan bahwa penggunaan (Sr-MBG) menyebabkan peningkatan pembentukan tulang (46,67%) dibandingkan dengan MBG kaca non-paduan (39,33%) dan kelompok kontrol (17,50%).
Tujuan dari pekerjaan ini adalah persiapan dan penyelidikan bahan bioaktif berbasis komposit hidroksiapatit/kaca biogenik dengan aditif SrО untuk rekayasa jaringan.
Metode/Eksperimental
Persiapan Sampel
Komposit kaca-keramik bioaktif berbasis nanostruktur biogenik hidroksiapatit (BHA) dengan penambahan kaca natrium borosilikat (% massa:46 SiO2; 28 B2 O3; 26 Tidak2 O) disiapkan seperti yang dijelaskan dalam [11]. Untuk mendapatkan sampel komposit kaca-keramik yang mengandung Sr digunakan serbuk komposit kaca-keramik bioaktif berbasis nanostruktur biogenik hidroksiapatit (BHA) dan kaca natrium borosilikat dengan perbandingan 50/50% berat dan disinter pada suhu 1100 °C (mulai sintering ), kemudian dihancurkan. Serbuk komposit yang diperoleh dicampur dengan serbuk strontium oksida (1 wt.%). Sampel komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr dengan diameter 2,5 g dan diameter 11 mm dibentuk dan disinter pada suhu 780 °C.
Metode Karakterisasi
Komposisi fasa dan struktur sampel yang diperoleh dipelajari dengan difraksi sinar-X, spektroskopi IR, dan SEM.
Difraksi sinar-X
Untuk analisis sinar-X, digunakan difraktometer sinar-X DRON-3M yang dilengkapi dengan sistem komputer tambahan untuk pemindaian, tabung sinar-X dengan anoda tembaga dan filter nikel. Dengan demikian, gambar difraksi diperoleh dengan bantuan radiasi Cu–Kα dengan panjang gelombang sedang = 1,54178 Ǻ3.
Spektroskopi IR
Selain itu, bahan dipelajari dengan spektroskopi inframerah (IR) menggunakan spektrofotometer FSM 1202 (TOV Infraspectr, Rusia) pada rentang bilangan gelombang 4000–400 cm
− 1
.
Struktur
Struktur komposit dipelajari dengan memindai mikroskop elektron (SEM) menggunakan REM-106I (PPN SELMI, Ukraina).
Porositas
Sampel komposit diperiksa untuk kepadatan nyata dan porositas total dan terbuka (Θt dan Θop ). Porositas total sampel (%) dihitung menggunakan rumus berikut:
pykn adalah kerapatan piknometrik bahan padat, g/cm
3
.
Untuk BHA ρpykn = 3.00 g/cm
3
.
Untuk menentukan porositas terbuka, sampel ditimbang dan dijenuhkan dengan etilen dalam ruang hampa. Sampel jenuh ditimbang di air dan di udara. Porositas terbuka sampel (%) dihitung dengan rumus:
Penyelidikan kelarutan in vitro sampel berpori dilakukan dalam larutan garam isotonik (0,9% NaCl) pada rasio padat/cair 1:30 setelah 2, 5, dan 7 hari pemaparan dalam termostat pada 36,5 ± 0,5 °C diikuti dengan penentuan kehilangan massa pada neraca analitik “OHAUS Pioneer PA214C” (OHAUS Corporation, China) dengan akurasi 0,0001 g.
Hasil dan Diskusi
Hasil studi komposisi fase BHA awal dan komposit yang disiapkan ditunjukkan pada Gambar. 1, 2, 3, dan 4. Telah ditetapkan bahwa HA mempertahankan komposisi fasenya dalam komposit BHA/kaca.
Pola XRD untuk BHA awal
Pola XRD komposit kaca BHA dengan notasi puncak paling intens dari fase utama
Pola XRD untuk komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr.
Pola XRD untuk komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr untuk bidang (211), (112), (300), dan (202)
BGA bubuk awal menunjukkan gambar difraksi yang sesuai dengan file PDF 72-1243 (Tabel JCPDS) (Gbr. 1). Gambar difraksi standar terindikasi milik kristal dengan kisi kristal primitif heksagonal yang memiliki periode а = 9432 dan с = 6881 Å. Perhitungan periode dilakukan dengan menggunakan puncak (002), (211), (300), (222), dan (213), terletak pada kisaran 2θ = 24
°
–52
°
. Dengan demikian, volume sel kristal dasar dari kristal tersebut sama dengan 530.496 Ǻ
3
, yang sedikit berbeda dari yang ditunjukkan dalam nilai file standar – 530.14 Ǻ
3
.
Dengan mengorbankan adanya fase amorf dalam komposit BHA/kaca, proses sintering fase cair terjadi. Sebagai hasil interaksi aktif komponen fasa kaca dan , terjadi pembentukan fasa kristal baru. Dengan hasil XPA ditentukan fase kristal dasar komposit BHA/kaca (Gbr. 2). Ditetapkan bahwa komposit yang diperoleh adalah material yang heterogen. Fase berikut disajikan dengan puncak paling intensif:Ca10 (PO4 )6 (OH)2 , Na2 Ca3 Si3 O10 , Ca2 SiO4 , Na4 SiO4 , Na2 BO2 .
Volume sel kristal tergantung pada kesempurnaannya, yaitu pengisian yang tepat dengan ion-ion yang membentuk bagian hidroksiapatit. Fitur struktural sel HA dasar dipelajari cukup dalam [9, 22, 23]. Dengan menggunakan data yang ada, kita dapat menyatakan bahwa bidang (004) memiliki komposisi atom fosfor, oksigen, dan kalsium, sedangkan bidang (211) dibentuk dengan atom oksigen dan (202)– dengan ion СаII
2+
. Jumlah utama oksigen ada dalam komposisi tetrahedron РО4
3−
. Karena intensitas relatif tergantung pada faktor atom disipasi (faktor lain identik), intensitas relatif puncak (202)–I(202) /Aku(211) dapat secara tidak langsung memberi kesaksian tentang perubahan jumlah kekosongan ion а
2+
atau ketidakhadiran mereka. Perlu dicatat bahwa faktor hamburan atom untuk Cu-Kα radiasi pada sinθ/λ=0,5 untuk а
2+
ion sama dengan 8.1, dan untuk Sr
2+
ion – 19,6 [24]. Penggantian ion а
2+
untuk Sr
2+
ion meningkatkan periode а dan с kisi kristal di hidroksiapatit [25]. Jadi, jika penggantian di atas menghasilkan rumus larutan padat Ca10−x Srx (PO4 )6 (OH)2 , di mana х = 1, maka volume sel kristal dasar melebihi nilai ~ 540 Ǻ
3
.
Pengenalan strontium oksida dalam jumlah 1% massa ke dalam komposisi BHA/kaca tidak secara substansial mengubah komposisi fasa komposit; hal ini dapat dilihat pada perbandingan gambar difraksi, yang terletak dalam satu diagram tanpa perubahan intensitas (Gbr. 3 dan 4).
Namun, terdapat perbedaan posisi pusat puncak BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr, serta penurunan intensitas puncak dan pergeserannya ke sisi sudut besar pada BHA/kaca-Sr (Gbr. 4). Mungkin, pengenalan strontium ke dalam BHA/kaca menyebabkan penurunan jumlah fase kristal dibandingkan dengan komposit non-paduan, serta berkontribusi pada pembentukan struktur kristal komposit dengan mengorbankan transisi fase kristal ke amorf ( Gambar 3). Pada Gambar. 4, puncak utama diberikan yang diperluas dalam rentang sudut 2θ dan ditunjuk dengan garis vertikal.
Volume internal kristal dihitung sesuai dengan komposisi Ca hidroksiapatit tanpa cacat10 (PO4 )6 (OH)2 , sesuai dengan file PDF 72-1243 (Tabel JCPDS). Dilakukan perhitungan dimensi kisi kristal dengan hasil XPA menunjukkan perubahan periode а dan с , dan juga volume kisi (Tabel 1). Terbukti bahwa dalam kasus interaksi intensif dengan komponen komposit, strontium menyebabkan degradasi struktur kristal, menyebabkan penurunan jarak antar bidang dan, dengan demikian, penurunan volume sel kristal dasar BHA. Data yang diberikan dalam karya penulis [25] menunjukkan peningkatan parameter dasar kisi (periode а dan с , volume kisi kristal) dalam penggantian sol-gel Sr dalam . Namun, seperti yang dinyatakan di atas, bahan yang telah kami pelajari didasarkan pada hidroksiapatit biogenik dan mengandung 50% fase kaca massa. Kemungkinan, dalam interaksi dengan fase gelas terjadi pembentukan fase kristal baru (Gbr. 2), yang secara teoritis dapat menyebabkan perubahan rasio а/Р dan memberikan pengaruh pada pembentukan kekosongan а
2 +
. Perubahan ini dapat menyebabkan perubahan periode а , с , dan volume kisi dasar (Tabel 1). Pengenalan tambahan strontium ke dalam komposit BHA/kaca meningkatkan pengaruh pada parameter kisi dasar HA.
Sebagaimana diketahui [26], spektrum hidroksiapatit dicirikan dengan dua kelompok pita intensif sekitar 1040 dan 570 cm
− 1
.
Analisis spektrum IR penyerapan komposit pada dasar BHA dan kaca natriumborosilikat menunjukkan bahwa untuk sistem seperti itu, superposisi spektrum BHA dan kaca natrium borosilikat adalah tipikal (Gbr. 5). Sebuah tugas lengkap frekuensi IR komposit pada dasar HA dan kaca natrium borosilikat, kami telah dijelaskan dalam pekerjaan [27]. Pengenalan strontium 1% ke dalam komposisi tersebut menyebabkan perluasan yang signifikan dari semua pita serapan spektrum IR yang dipelajari dan perubahan bentuk, frekuensi pita serapan dalam kisaran ν ~ 1050–700 cm
− 1
dan pergeseran pita dari ~ 1045 cm
− 1
ke sisi panjang gelombang panjang dibandingkan dengan BHA awal (Gbr. 5). Perubahan tersebut dapat dikaitkan dengan pengaruh penambahan strontium ke dalam sistem komposisi yang dipelajari. Namun, superposisi area manifestasi pita serapan dalam komposisi yang dipelajari, membuat interpretasi tegas menjadi sulit. Perlu dicatat bahwa keberadaan atom campuran dan cacat lainnya secara substansial mempengaruhi spektrum IR yang berosilasi. Dalam spesimen yang diselidiki, keberadaan 2 dari atmosfer dan sejumlah kecil sisa produk reaksi organik (1900–2000 cm
−1
) diamati.
Spektrum IR untuk komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr.
Hasil penyelidikan porositas total dan fraksi terbuka dan tertutup disajikan pada Gambar 6. Terlihat bahwa porositas total komposit BHА/kaca-Sr praktis 2 kali lipat melebihi komposit BHA/kaca dan dapat mencapai 61% . Porositas tinggi tersebut memungkinkan komposit menjadi analog struktural jaringan tulang, porositas total yang berada di kisaran 55-70% [7]. Di sini, bagian porositas terbuka untuk komposit yang didoping dengan strontium juga lebih tinggi, dibandingkan dengan komposit yang tidak didoping. Dalam pengenalan strontium, porositas terbuka meningkat dari 6 menjadi 10% (Gbr. 6).
Struktur porositas dari kedua komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr.
Dalam kasus kami, strontium dimasukkan ke dalam bahan komposit yang disiapkan yang, mungkin, melibatkan perubahan komposisi fase kaca dengan melemahnya struktur kerangka silikon-oksigen. Akibat dari proses-proses di atas, terjadi penurunan viskositas yang merupakan faktor dasar yang menentukan proses difusi dalam sintering [28] dan menyebabkan pembentukan buih pada komposit kaca kristalin. Dan akibatnya, kemungkinan besar, hal itu menyebabkan peningkatan interaksi pada permukaan /kaca, yaitu, pertukaran ion antara fase dan gelas meningkat. Mungkin, ini mengarah pada penggantian sebagian ion kalsium untuk ion strontium dalam struktur , dengan transisi berikutnya ion kalsium ke fase gelas dengan pembentukan fase kristal baru yang mengarah pada perubahan berikutnya tidak hanya dalam kisi kristal, tetapi juga dalam struktur keseluruhan komposit.
Gambar 7 menunjukkan struktur mikro permukaan dan rekahan komposit yang dipelajari. Dari foto mikro yang diberikan, kita dapat melihat bahwa struktur BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr dapat dicirikan oleh struktur matriks yang terbentuk dengan mengorbankan beberapa fitur sintering fase cair bahan. Di sini, fase gelas natrium borosilikat menciptakan "kerangka", di mana ada partikel kristal hidroksiapatit. Dengan demikian, ukuran pori menyusun rentang yang luas dari 1 hingga 600 . Ketersediaan pori-pori dengan ukuran berbeda dalam bahan BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr dikaitkan, menurut pendapat kami, dengan sifat pembentukan pori yang berbeda:pori-pori dengan ukuran 100–600 μ terbentuk dengan mengorbankan inter-granular ruang kosong; pori-pori dengan ukuran kurang dari 100 μ—dengan mengorbankan pembusaan massa kaca pada sintering akhir [10]. Aglomerat pada struktur komposit terbentuk dari partikel dengan ukuran> 0.2 μ. Di sini, di permukaan, kita dengan jelas melihat formasi aglomerat kristal dengan bentuk dan ukuran yang berbeda dari 1 hingga 4 di bagian melintang, dan yang mencapai panjang 30 untuk BHA/kaca-Sr. Dalam prosesnya, pembentukan aglomerat kristal ini diamati secara eksklusif pada permukaan spesimen komposit.
Struktur mikro dari kedua komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr.
Secara keseluruhan, terbukti bahwa struktur mikro bagian dalam sampel adalah polipori, dengan kata lain, ditandai dengan adanya pori-pori multi-ukuran, yang menjanjikan mengingat pencapaian sifat resorpsi tinggi biokeramik di bawah kontak langsung dengan media organisme manusia.
Investigasi in vitro setelah 2, 5 dan 7 hari paparan garam dari semua komposit yang diteliti mengungkapkan bahwa kelarutan komposit BHA/kaca-Sr lebih tinggi daripada komposit BHA/kaca (Gbr.8). Seperti yang terlihat dari Gambar. 8, laju disolusi spesimen komposit BHA/kaca-Sr dalam larutan fisiologis melebihi 2-4 kali lipat untuk komposit BHA/kaca tergantung pada waktu berada dalam larutan fisiologis. Tingkat disolusi tertinggi tercatat untuk komposit BHA/kaca-Sr setelah 2 hari berada dalam larutan fisiologis dan merupakan 0,19% massa/hari. Sifat dinamika laju disolusi komposit berbeda untuk kedua jenis komposit.
Laju disolusi dalam garam dari kedua komposit BHA/kaca dan BHA/kaca-Sr (2, 5, 7 hari)
Karena kandungan fasa gelas pada kedua jenis komposit tersebut praktis identik, maka pengaruh kuantitasnya terhadap pelarutan juga akan analog. Dengan demikian, hasil yang diperoleh mungkin disebabkan oleh porositas komposit BHA/kaca-Sr yang jauh lebih tinggi, serta porositas terbuka yang lebih besar dibandingkan dengan komposit BHA/kaca.
Komposit yang diperoleh dapat diterapkan dalam pengobatan untuk menggantikan beberapa area yang rusak pada jaringan tulang pasien. Ketersediaan berbagai ukuran pori dalam bahan yang diperoleh memungkinkan untuk digunakan di berbagai wilayah kerangka manusia.
Kesimpulan
Bahan komposit baru yang didoping strontium diperoleh dengan basis hidroksiapatit biogenik dan fase kaca. XPA menunjukkan bahwa komposit yang diperoleh merupakan material yang heterogen. Kandungan fasa gelas dan strontium sebagai alloyed additive pada material komposit BHA/kaca berpengaruh terhadap perubahan parameter sel dasar BHA yaitu menyebabkan penurunan kisi kristal hidroksiapatit. Juga ditetapkan bahwa komposit BHA/glass-Sr memiliki porositas yang lebih tinggi serta tingkat disolusi yang lebih tinggi dalam larutan fisiologis yang membuat komposit diperoleh sebagai bahan perspektif untuk digunakan dalam pengobatan untuk penggantian area yang rusak pada jaringan tulang pasien.
