Desarrollo y caracterización de compuestos de vitrocerámica que contienen Sr basados en hidroxiapatita biogénica
Resumen
Los materiales compuestos basados en hidroxiapatita se utilizan ampliamente para la ingeniería de tejidos óseos. Existe evidencia de un efecto positivo de la presencia de estroncio en materiales osteoplásticos en el caso de una cierta relación Ca / Sr. Para examinar el efecto de la adición de Sr 2+ , se realizó un estudio introduciéndolo en la composición del material a base de hidroxiapatita biogénica y vidrio borosilicato de sodio (50/50% p.). El estroncio se introdujo en la composición en una cantidad del 1% en peso. Los materiales compuestos se obtuvieron a temperaturas finales de sinterización de 780 ° C y un tiempo de sinterización de 1 h. Se investigó el efecto de las adiciones de fase vítrea y cambios que afectan el estroncio en la red cristalina de la hidroxiapatita biogénica con la ayuda de análisis de fase de rayos X, espectroscopía IR. También se estudió el comportamiento de composites in vitro en solución fisiológica.
Antecedentes
La hidroxiapatita (HA) y otros materiales de fosfato de calcio bioactivo, incluido el vidrio bioactivo, se pueden usar en ingeniería de tejidos para reemplazar el tejido óseo. La hidroxiapatita biogénica natural (BHA) es un material nanoestructural, cuya nanoestructura y microestructura es análoga al componente mineral del tejido óseo.
Se recibieron resultados de producción anteriores y se estudiaron varios tipos de compuestos a base de hidroxiapatita biogénica y sintética y fase vítrea [1, 2, 3, 4, 5]. Se sabe que, en la composición química de la hidroxiapatita biogénica natural (BHA), existen pequeñas cantidades de otros compuestos no orgánicos como el Ca 4 O (PO 4 ) 2 , NaCaPO 4 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , CaO y MgO, así como trazas de Al 3+ , Fe 3+ , Mg 2+ , Sr 2+ , K + , Si 4+ , Na + , Cu 2+ , Zn 2+ y CO 3 2− [6,7,8,9]. Por ello, también se estudiaron y obtuvieron compuestos de BHA / vidrio con el uso de diversos aditivos bioactivos que pueden contribuir a los procesos de osteogénesis y formación de nuevo tejido óseo. Estos compuestos fueron aleados con aditivos iónicos Fe 2+ / Fe 3+ y Cu 2+ [10, 11], Ce 2+ [12], Si 4+ [13], La 3+ [14] y otros.
Un problema moderno en el campo de las enfermedades de la patología ósea es el tratamiento de la osteoporosis, que es la rarefacción de la densidad del tejido óseo del paciente como resultado de causas hormonales u otras. Por eso es bastante relevante desarrollar nuevos materiales bioactivos que puedan estimular la formación de nuevas células del tejido óseo y mejorar su estructura. Desde este punto de vista, la introducción de iones de estroncio en la composición de los materiales de fosfato de calcio puede mejorar sus propiedades bioactivas [15,16,17].
El desarrollo de instrumentos utilizados para la regeneración de tejido óseo in vivo se centra en modelos celulares y procesos de diferenciación.
Los autores [15, 18] señalan el papel de Sr 2+ en el mantenimiento de la regeneración ósea durante el proceso de restauración esquelética en su conjunto y, más específicamente, en la aplicación de la terapia celular. Por ejemplo, el ranelatere de estroncio se presenta como un compuesto interesante que estimula la formación de hueso e inhibe la resorción ósea. En la estimación del efecto de la amplia gama de estroncio (Sr 2+ ) concentración in vitro , los autores establecieron que Sr 2+ promovió una proliferación de células PA20-h5 así como la formación de HA en el curso de la osteoinducción in vitro. Los datos mencionados anteriormente apuntan al rol de Sr 2+ en el mantenimiento de la regeneración ósea durante el proceso de restauración esquelética en su conjunto y, más específicamente, en la aplicación de la terapia celular.
Los autores de este trabajo [17] han recibido suspensiones estables de nanopolvos de hidroxiapatita que contiene estroncio (Sr-HA) mediante el método de precipitación de una solución acuosa (contenido de estroncio en una cantidad de 0 a 100% en moles). Los estudios de los materiales obtenidos apuntan a la completa solubilidad del estroncio en la red de hidroxiapatita en la sustitución isomórfica de Ca 2+ para Sr 2+ . La adición de estroncio es responsable del aumento de la relación c / a en la celda elemental triclínica. Se observa un cambio significativo en la forma y tamaño de los nanopolvos, en cuya conexión predomina un crecimiento en la dirección a lo largo de c eje manifestado en caso de mayor contenido de estroncio.
Datos de estudios de biocompatibilidad de suspensiones, desde el punto de vista de viabilidad de células, apoptosis, proliferación y morfología con el uso de la línea celular de osteosarcoma SAOS-2 apuntan a un aumento de la proliferación de células para nanopartículas de HA que contienen mayor número de Sr 2 + , al hacerlo, prácticamente no tiene ningún efecto sobre la morfología de las células.
En el trabajo [19], se desarrollaron gránulos porosos multifuncionales como rellenos de tejido óseo y portadores de agentes medicinales. Polvos de material HA / TCP reemplazado con estroncio y magnesio con composiciones cercanas a la parte mineral del hueso humano [(Ca + Sr + Mg) / P =1,62], se obtuvieron por precipitación, luego se sometieron a tratamiento térmico y desaglomeración. El secado y la sinterización permitieron recibir gránulos porosos que se saturaron con una solución de antibiótico (levofloxacina), se congelaron y luego se liofilizaron. La estimación de la liberación de agentes medicinales y la osteocompatibilidad de los gránulos ha demostrado que los gránulos aleados con Sr han demostrado los niveles más altos de proliferación y eficacia en la maduración osteoblástica.
Existen algunos datos sobre la influencia del aditivo de estroncio en el comportamiento de las partículas de vidrio bioactivo 1393 nBG in vitro, desde el punto de vista de las reacciones físico-químicas que ocurren en su superficie en SBF [20]. En comparación con el vidrio no aleado 1393 nBG, se descubrió que la formación de apatita se ralentiza en la introducción de Sr que, probablemente, es el resultado de la acción inhibidora de los iones Sr sobre la cristalización de HA. Además, se reveló que la cristalinidad del fosfato cálcico precipitado era menor en el caso del vidrio aleado con Sr 1393 nBG en comparación con un material estándar puro 1393 nBG. Los autores del trabajo mencionado anteriormente también señalan que la capacidad de formar vidrios bioactivos HA da la noción sobre su reactividad superficial que tiene relación con la aplicación de las partículas nanoescaladas de vidrio biológicamente activo en la regeneración ósea.
Los estudios llevados a cabo in vivo en ratas por los autores del trabajo [21] han demostrado un impacto positivo del vidrio bioactivo macroporoso que contiene estroncio (Sr-MBG) en el proceso de formación ósea, así como en la disminución de la resorción ósea en ratas con osteoporosis. (ratas osteoporóticas). La investigación ha demostrado que el uso de (Sr-MBG) conduce a un aumento de la formación de hueso (46,67%) en comparación con el vidrio no aleado MBG (39,33%) y el grupo de control (17,50%).
El objetivo del trabajo es la preparación e investigación de materiales bioactivos basados en compuestos biogénicos de hidroxiapatita / vidrio con aditivo SrО para ingeniería de tejidos.
Métodos / Experimental
Preparación de la muestra
Compuestos de vitrocerámica bioactivos a base de hidroxiapatita biogénica nanoestructurada (BHA) con adición de vidrio de borosilicato de sodio (% en masa:46 SiO 2 ; 28 B 2 O 3 ; 26 Na 2 O) se prepararon como se describe en [11]. Para la obtención de los composites vitrocerámicos que contienen Sr se utilizaron muestras de polvos de composites vitrocerámicos bioactivos a base de hidroxiapatita biogénica nanoestructurada (BHA) y vidrio borosilicato de sodio con la relación 50/50% en peso y sinterizados a la temperatura 1100 ° C (inicio de sinterización ), luego fueron triturados. Los polvos obtenidos de los compuestos se mezclaron con polvo de óxido de estroncio (1% en peso). Las muestras de compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr de 2,5 gy 11 mm de diámetro se formaron y sinterizaron a temperaturas de 780 ° C.
Métodos de caracterización
La composición de fases y la estructura de las muestras obtenidas se estudiaron mediante difracción de rayos X, espectroscopia IR y SEM.
Difracción de rayos X
Para el análisis de rayos X se utilizó el difractómetro de rayos X DRON-3M equipado con sistema informático adicional de barrido, tubo de rayos X con ánodo de cobre y filtro de níquel. Así, las imágenes de difracción se obtuvieron con la ayuda de radiación Cu-Kα con una longitud de onda media λ =1,54178 Ǻ3.
Espectroscopia IR
Además, los materiales se estudiaron mediante espectroscopía infrarroja (IR) utilizando un espectrofotómetro FSM 1202 (TOV Infraspectr, Rusia) en el rango de número de onda 4000–400 cm - 1 .
Estructura
La estructura de los compuestos se estudió mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un REM-106I (VAT SELMI, Ucrania).
Porosidad
Las muestras compuestas se examinaron para determinar la densidad aparente y la porosidad total y abierta ( Θ t y Θ op ). La porosidad total de las muestras (%) se calculó mediante la siguiente fórmula:
$$ {\ Theta} _ {\ mathrm {t}} =\ left (1 - {\ uprho} _ {\ mathrm {ap}} / {\ uprho} _ {\ mathrm {pykn}} \ right) \ cdotp 100, $$donde ρ ap es la densidad aparente, g / cm 3 ;
ρ pykn es la densidad picnométrica del material compacto, g / cm 3 .
Para BHA ρ pykn =3,00 g / cm 3 .
Para determinar la porosidad abierta, se pesó una muestra y se saturó con etileno al vacío. Las muestras saturadas se pesaron en agua y aire. La porosidad abierta de las muestras (%) se calculó mediante la fórmula:
$$ {\ Theta} _ {\ mathrm {op}} =\ left ({\ mathrm {m}} _ 1- \ mathrm {m} \ right) \ cdotp {\ uprho} _ {\ mathrm {w} /} \ left ({\ mathrm {m}} _ 1 - {\ mathrm {m}} _ 2 \ right) \ cdotp {\ uprho} _ {\ mathrm {liq}}, $$donde m es el peso de la muestra en el aire, g;
m 1 es el peso de la muestra saturada en el aire, g;
m 2 es el peso de la muestra saturada en agua, g;
ρ w es la densidad del agua, g / cm 3 ;
ρ liq es la densidad del líquido saturante (etileno), g / cm 3 .
La porosidad cerrada de las muestras se calculó mediante la siguiente fórmula:
$$ {\ Theta} _ {\ mathrm {cal}} ={\ Theta} _ {\ mathrm {t}} - {\ Theta} _ {\ mathrm {op}} $$Pruebas de bioactividad in vitro
La investigación de solubilidad in vitro de muestras porosas se llevó a cabo en una solución salina isotónica (NaCl al 0,9%) en una relación sólido / líquido de 1:30 después de 2, 5 y 7 días de exposición en un termostato a 36,5 ± 0,5 ° C seguidos. mediante la determinación de la pérdida de masa en una balanza analítica "OHAUS Pioneer PA214C" (OHAUS Corporation, China) con una precisión de 0,0001 g.
Resultados y discusión
Los resultados del estudio de la composición de fase del BHA inicial y los compuestos preparados se muestran en las Figs. 1, 2, 3 y 4. Se estableció que HA mantiene su composición de fase en compuestos BHA / vidrio.
Patrones XRD para BHA inicial
Patrón XRD de compuesto de vidrio BHA con la notación de los picos más intensos de las fases principales
Patrones XRD para ambos compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr.
Patrones XRD para ambos compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr para los planos (211), (112), (300) y (202)
El polvo inicial BGA muestra una imagen de difracción correspondiente al archivo PDF 72-1243 (Tablas JCPDS) (Fig. 1). La imagen de difracción estándar indicada pertenece a cristales con celosía cristalina primitiva hexagonal que tienen períodos de a =9432 y с =6881 Å. El cálculo de períodos se realiza con el uso de picos (002), (211), (300), (222) y (213), que se encuentran en el rango de 2θ =24 ° –52 ° . En consecuencia, el volumen de la celda de cristal elemental de tales cristales es igual a 530,496 Ǻ 3 , que difiere insignificantemente del indicado en el valor de archivo estándar - 530.14 Ǻ 3 .
A expensas de la presencia de fase amorfa en el compuesto BHA / vidrio, se produce un proceso de sinterización en fase líquida. Como resultado de la interacción activa de los componentes de la fase vítrea y ВНА, tiene lugar una formación de nuevas fases cristalinas. Mediante los resultados de XPA se determinaron las fases cristalinas básicas del compuesto BHA / vidrio (Fig. 2). Se estableció que los composites obtenidos son material heterogéneo. Las siguientes fases se presentan con los picos más intensos:Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , Na 2 Ca 3 Si 3 O 10 , Ca 2 SiO 4 , Na 4 SiO 4 , Na 2 BO 2 .
El volumen de la celda de cristal depende de su perfección, es decir, del llenado apropiado con iones que forman parte de la hidroxiapatita. Las características estructurales de la célula HA elemental se estudian con suficiente profundidad [9, 22, 23]. Utilizando los datos existentes, podemos afirmar que un plano (004) tiene en su composición átomos de fósforo, oxígeno y calcio, mientras que un plano (211) se forma con átomos de oxígeno y (202) - con iones Са II 2+ . La principal cantidad de oxígeno está en la composición de los tetraedros РО 4 3− . Dado que la intensidad relativa depende del factor atómico de disipación (otros factores son idénticos), una intensidad relativa de pico (202) - I (202) / Yo (211) puede testificar indirectamente sobre los cambios en el número de vacantes en iones Са 2+ o su ausencia. Cabe señalar que el factor de dispersión atómica para Cu- K α radiación en sinθ / λ =0.5 para Са 2+ iones es igual a 8.1, y para Sr 2+ iones - 19,6 [24]. Reemplazo de iones Са 2+ para Sr 2+ iones aumenta los períodos а y с de red cristalina en hidroxiapatita [25]. Entonces, si el reemplazo anterior conduce a una fórmula de solución sólida Ca 10− x Sr x (PO 4 ) 6 (OH) 2 , donde х =1, entonces un volumen de la celda de cristal elemental excede el valor ~ 540 Ǻ 3 .
La introducción de óxido de estroncio en una cantidad del 1% en masa en la composición de BHA / vidrio no cambia sustancialmente la composición de las fases de los materiales compuestos; esto se puede ver en comparación con las imágenes de difracción, ubicadas en un diagrama sin ningún cambio de intensidad (Figs. 3 y 4).
Sin embargo, existen diferencias en la posición de los centros de los picos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr, así como la disminución en la intensidad de los picos y su desplazamiento hacia el lado de ángulos grandes en BHA / vidrio-Sr (Fig. 4). Probablemente, esa introducción de estroncio en BHA / vidrio conduce a la disminución del número de fases cristalinas en comparación con un compuesto no aleado, así como también contribuye a la formación de la estructura cristalina del compuesto a expensas de la transición de las fases cristalinas a amorfas ( Fig. 3). En la Fig. 4, se dan los picos principales de ВНА que se expanden en el rango angular 2θ y se designan con líneas verticales.
El volumen interno del cristal se calculó de acuerdo con la composición de hidroxiapatita Ca 10 impecable (PO 4 ) 6 (OH) 2 , correspondiente al archivo PDF 72-1243 (Tablas JCPDS). El cálculo realizado de las dimensiones de las celosías cristalinas mediante los resultados de XPA indica los cambios en los períodos а y с , y también el volumen de la celosía (Tabla 1). Es evidente que en caso de interacción intensiva con componentes de material compuesto, el estroncio provoca una degradación de la estructura cristalina, conduce a la disminución de las distancias entre planos y, en consecuencia, a la disminución del volumen de la celda de cristal elemental de BHA. Los datos proporcionados en el trabajo de los autores [25] apuntan al aumento de los parámetros básicos de la celosía (períodos de а y с , volumen de la red cristalina) НА en el reemplazo sol-gel de Sr en НА. Sin embargo, como se indicó anteriormente, el material que hemos estudiado se basa en hidroxiapatita biogénica y contiene un 50% en masa de fase vítrea. Probablemente, en la interacción de ВНА con la fase vítrea ocurre la formación de nuevas fases cristalinas (Fig.2), que, teóricamente, pueden conducir al cambio de la relación Са / Р y ejercen influencia en la formación de vacantes Са 2 + . Estos cambios pueden dar lugar al cambio de períodos a , с y volumen de la celosía elemental (Tabla 1). La introducción adicional de estroncio en el compuesto de vidrio / BHA aumenta la influencia en los parámetros de la celosía elemental de HA.
Como es conocido [26], el espectro de la hidroxiapatita se caracteriza por dos grupos intensivos de bandas alrededor de 1040 y 570 cm - 1 .
El análisis de los espectros de infrarrojos de la absorción de compuestos en la base de BHA y vidrio de borosilicato de sodio muestra que, para tal sistema, es típica una superposición de espectros de BHA y vidrio de borosilicato de sodio (Fig. 5). Una asignación completa de las frecuencias IR de los compuestos sobre la base de HA y vidrio de borosilicato de sodio, que hemos descrito en el trabajo [27]. La introducción de estroncio al 1% en dicha composición conduce a una expansión significativa de todas las bandas de absorción del espectro IR estudiado y al cambio de forma, las frecuencias de las bandas de absorción en el rango de ν ~ 1050–700 cm - 1 y cambio de banda de ν ~ 1045 cm - 1 a un lado de longitud de onda larga en comparación con el BHA inicial (Fig. 5). Tales cambios pueden estar asociados con la influencia de la adición de estroncio en el sistema de composición estudiado. Sin embargo, las superposiciones de las áreas de manifestación de las bandas de absorción en la composición estudiada dificultan la interpretación inequívoca. Cabe señalar que la presencia de átomos mezclados y otros defectos influyen sustancialmente en los espectros IR oscilantes. En los especímenes investigados, presencia de СО 2 de la atmósfera y una pequeña cantidad de productos orgánicos residuales de reacción (1900-2000 cm −1 ) se observan.
Espectros de infrarrojos para compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr.
Los resultados de la investigación para la porosidad total y sus fracciones abierta y cerrada se presentan en la Fig. 6. Se muestra que la porosidad total de los compuestos BHА / vidrio-Sr prácticamente 2 veces excede la de los compuestos BHA / vidrio y puede alcanzar el 61%. . Esta alta porosidad permite que el composite se convierta en un análogo estructural del tejido óseo, cuya porosidad total está en el rango del 55-70% [7]. En este caso, la proporción de porosidad abierta de los compuestos dopados con estroncio también es mayor que la de los compuestos no dopados. En la introducción del estroncio, la porosidad abierta aumenta del 6 al 10% (Fig. 6).
Estructura de porosidad de ambos compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr.
En nuestro caso, se introdujo estroncio en el material compuesto preparado que, probablemente, implicó un cambio en la composición de la fase vítrea con debilitamiento de la estructura de la estructura de silicio-oxígeno. Como resultado de los procesos anteriores, disminuye una viscosidad que es el factor básico que determina los procesos de difusión en la sinterización [28] y provoca la formación de espuma del material compuesto de vidrio cristalino. Y como resultado, probablemente, conduce a un aumento de la interacción en la superficie de ВНА / vidrio, es decir, aumenta el intercambio de iones entre ВНА y la fase vítrea. Probablemente, conduce a un reemplazo parcial de iones de calcio por iones de estroncio en la estructura de ВНА, con la posterior transición de los iones de calcio a la fase vítrea con formación de nuevas fases cristalinas que conducen a los cambios posteriores no solo en la red cristalina, sino en la estructura de todo el compuesto.
La figura 7 representa la microestructura de superficie y fractura de los composites estudiados. De las microfotografías dadas, podemos ver que la estructura de BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr puede caracterizarse por una estructura de matriz que se forma a expensas de algunas características de la sinterización del material en fase líquida. Aquí, la fase de vidrio de borosilicato de sodio crea un "marco", en el que hay partículas de cristal de hidroxiapatita. Al hacerlo así, un tamaño de poro compone un amplio rango de 1 a 600 µ. La disponibilidad de poros de diferentes tamaños en el material de BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr se asocia, en nuestra opinión, con una naturaleza diferente de la formación de poros:los poros con un tamaño de 100-600 μ se forman a expensas de intergranular espacios libres; poros con un tamaño inferior a 100 μ, a expensas de la espumación de la masa de vidrio en la sinterización final [10]. Los aglomerados en la estructura del material compuesto se forman a partir de partículas con un tamaño> 0,2 μ. Aquí, en la superficie, vemos claramente formaciones aglomeradas de cristales con distintas formas y tamaños de 1 a 4 μ en sección transversal, y que alcanzan 30 μ de longitud para BHA / vidrio-Sr. En el proceso, la formación de estos aglomerados de cristales se observa exclusivamente en la superficie de las muestras compuestas.
Microestructura de ambos compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr.
En su conjunto, es evidente que la microestructura de la parte interna de las muestras es poliporosa, es decir, se caracteriza por la presencia de poros de múltiples tamaños, lo cual es prometedor en vista del logro de altas propiedades de reabsorción de las biocerámicas bajo contacto directo con los medios del organismo humano.
La investigación in vitro después de 2, 5 y 7 días de exposición a solución salina de todos los compuestos estudiados reveló que la solubilidad de los compuestos BHA / vidrio-Sr es mayor que la de los compuestos BHA / vidrio (Fig. 8). Como se ve en la figura 8, la velocidad de disolución de las muestras compuestas de BHA / vidrio-Sr en solución fisiológica excede la de los compuestos BHA / vidrio de 2 a 4 veces, dependiendo del tiempo de permanencia en la solución fisiológica. La tasa más alta de disolución se registra para los compuestos BHA / vidrio-Sr después de 2 días de permanecer en solución fisiológica y constituye 0.19% masa / día. La naturaleza de la dinámica de la velocidad de disolución de los compuestos difiere para ambos tipos de compuestos.
Tasa de disolución en solución salina de ambos compuestos BHA / vidrio y BHA / vidrio-Sr (2, 5, 7 días)
Dado que el contenido de fase vítrea en ambos tipos de composites es prácticamente idéntico, la influencia de su cantidad en la disolución también será análoga. Por lo tanto, los resultados obtenidos pueden deberse a una porosidad significativamente mayor de los compuestos BHA / vidrio-Sr, así como a una mayor proporción de porosidad abierta en comparación con los compuestos BHA / vidrio.
Los composites obtenidos se pueden aplicar en medicina para reemplazar algunas áreas defectuosas del tejido óseo de los pacientes. La disponibilidad de la amplia gama de tamaños de poros en los materiales obtenidos permite su uso en varias regiones del esqueleto humano.
Conclusiones
Se obtienen nuevos materiales compuestos dopados con estroncio a base de hidroxiapatita biogénica y fase vítrea. XPA demostró que los composites obtenidos son material heterogéneo. El contenido de fase vítrea y estroncio como aditivo aleado en el material compuesto de BHA / vidrio influye en el cambio de los parámetros de la celda elemental de BHA, es decir, conduce a la disminución de la red cristalina de la hidroxiapatita. También se estableció que el compuesto BHA / vidrio-Sr posee una mayor porosidad así como una mayor tasa de disolución en solución fisiológica que hace que los compuestos obtenidos sean materiales en perspectiva para ser utilizados en medicina para el reemplazo de áreas defectuosas del tejido óseo de los pacientes.
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