Biomimetyczny wzrost fosforanów na zmodyfikowanej powierzchni biokompozytu węglowego

• Autorzy: Stoch A. , Brożek A. , Stoch J. , Jastrzębski W. , Długoń E. , Sitko M.

Warianty tytułu

EN

Biomimetic growth of phosphates on modified biocarbon surface

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Postęp w regeneracji kości jest wymuszany przez opracowanie licznych materiałów zastępczych na osnowie meta/u, ceramiki lub polimerów. Bioaktywna ceramika wiąże się z żywą kością poprzez warstwę apatytu podobnego jak w kości, który w otoczeniu biologicznym tworzy się na jej powierzchni, zawierając drobnokrystaliczny, węglanowy hydroksyapatyt o zdefektowanej strukturze. Uważa się, że powstawanie tego apatytu jest nieodzowne dla utworzenia silnych wiązań chemicznych będących „conditio sine qua non" mocnego złącza implantu z kością. Celem pracy było uzyskanie takiej modyfikacji chemicznej implantu, aby in vivo na jego powierzchni można było łatwo wywołać zarodkowanie heterogeniczne i wzrost apatytu z naturalnego osocza. Testy laboratoryjne wykonano na handlowych preparatach czystego tytanu oraz kompozytach węgiel-węgiel. Po wstępnej obróbce, próbki pokrywano roztworami sol-gel tytano-krzemo-wapniowymi, krzemo-wapniowymi lub krzemowymi, a na koniec wygrzewano. Następnie termostatowano je w warunkach fizjologicznych mocząc w sztucznym (SBF) lub w naturalnym (NBF) osoczu do 30 dni. Występuje zgodność poglądów, że w SBF reakcje które in vivo zachodzą w obszarze powierzchni, są równie dobrze przebiegające in vitro. W tych warunkach apatyt podobny do kości odkładał się w procesie biomimetycznym, podobnym jak in vivo na materiałach bioaktywnych. Kolejne etapy wzrostu apatytu na powierzchni tytanu lub zmodyfikowanego węgla były dokumentowane metodą spektroskopii w podczerwieni. Metodą dyfrakcji rentgenowskiej ustalono skład fazowy osadów fosforanowych a morfologię i skład chemiczny badano stosując SEM-EDEX. Na badanych powierzchniach stwierdzono nukleację i wzrost apatytu zawierającego węglany. Był on wydajniejszy na powierzchniach krzemo-wapniowych i na tytano-krzemo-wapniowych niż na krzemowych. Zarodki apatytu zawierającego węglany powstawały i rosły pobierając jony wapniowe i fosforanowe z roztworu SBF. Osadzanie apatytu było wydajniejsze z NBF niź SBF. Ta obserwacja wzmacnia przypuszczenie, że białka również działają jako centra zarodkowania. Uzyskane obrazy powierzchni przypominały kalafior, praktycznie niezależne od użytego powiększenia. To własne podobieństwo mikro i makro kształtów potwierdza fraktalną naturę tej powierzchni, swoją drogą, rodzącej bardzo aktywne obszary powierzchniowe.

EN

Numerous bone substitutes made of metals, ceramics and polymers have been developed to promote bone regeneration. The bioactive ceramics bonds to bone through a layer of bone-like apatite which is formed on their surfaces in the body and is characterised by a carbonate-containing hydroxyapatite with small crystallites and defected structure It is believed that formation of this apatite is inevitable to form strong chemical bonds being conditio sine qua ~ non of the strong implant-bone joint. The aim of this work was to get such a chemical modification of the implant that in vivo conditions on its surface heterogeneous nucleation of apatite from the body fluid could be easily induced and grown. The laboratory experiments were carried on commercial pure titanium or carbon-carbon composite materials. After a preliminary treatment the samples were coated with titania-silica-calcium or silica-calcium or silica from sol-gel solutions and finally heated. Then they were soaked thermostatically under physiological conditions in the simulated body fluid (SBF) or in natural body fluid (NBF) for up to 30 days: it has already been observed that in the SBF reactions that in vivo would take place near the implant surface are in vitro well reproduced. In such conditions a bone-like apatite was deposited by the biomimetic process, similar to that, formed in vivo on bioactive materials. Consecutive steps of the apatite growth on titanium, or carbon-modified surfaces were monitored by infrared spectroscopy. XRD controled a phase state of phosphate precipitates after the soaking course. Morphology and chemical composition of phosphates were studied with SEM-EDEX. It was found that nucleation and growth of carbonate containing apatite took place at the surface: It was more effective on silica-calcium and on titania-silica-calcium than on silica substrates. Apatite nuclei containing carbonates were formed and they grew by uptake of calcium and phosphate ions from the SSF solution. The NBF, comparing with SBF much enhanced the apatite precipitation. This observation supports suggestion that also proteins can act as nucleation centres. The obtained pictures of the surface resembled cauliflower nearly independently of the magnification chosen. This self similarity in macro and micro shapes verifies the fractal nature of the surface which in turn, created very active surface area.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty węglowe; regeneracja kości; fosforany

EN

carbon composites; bone regeneration; phosphates

• Wydawca: Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów
• Czasopismo: Inżynieria Biomateriałów
• Rocznik: 2000
• Tom: R. 3, nr 10
• Strony: 23--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Stoch A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

autor

Brożek A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

autor

Stoch J.

• Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni Polskiej Akademii Nauk w Krakowie

autor

Jastrzębski W.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

autor

Długoń E.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

autor

Sitko M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie