Resorbowalne pokrycia polimerowe na drutach ze stopu magnezu modyfikowane TCP i ZnO

• Autorzy: Morawska-Chochół A. , Domalik-Pyzik P. , Sikora O. , Reczyński W. , Rzewuska M. , Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Resorbable polymer coatings modified with tricalcium phosphate and zinc oxide for magnesium alloy wires

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Magnez i jego stopy mogą stanowić obiecującą alternatywę dla tradycyjnie stosowanych biomateriałów metalicznych. Główne zalety materiałów na bazie Mg to: biozgodność, biodegradowalność, osteokonduktywność, antybakteryjność oraz gęstość i moduł Younga zbliżone do naturalnej kości. Największą wadą jest ich zbyt gwałtowna degradacja, która może prowadzić do gromadzenia się wodoru oraz znacznego wzrostu pH w okolicznych tkankach; a także do przedwczesnej redukcji parametrów mechanicznych. Naukowcy próbują rozwiązać ten problem na różne sposoby: przez dobór pierwiastków stopowych, obróbkę powierzchniową, czy stosowanie pokryć. Przedstawiona praca dotyczy zastosowania resorbowalnych materiałów polimerowych na pokrycia drutów ze stopu magnezu. Powłoki otrzymano metodą zanurzeniową z roztworów polilaktydu (PLA) i polikaprolaktonu (PCL) o różnych stężeniach. Otrzymane materiały inkubowano w buforze fosforanowym i wodzie destylowanej przez 7 tygodni. Monitorowano zmiany pH, przewodnictwa jonowego oraz uwalnianie kationów Mg2+. Wykazano wpływ stężenia roztworu polimeru na jakość pokrycia i skuteczność ochrony antykorozyjnej oraz korzystniejsze parametry powłoki PCL. W drugiej części pracy zaproponowano modyfikację wybranego pokrycia fosforanem trójwapnia (TCP) i tlenkiem cynku (ZnO), które zostały wprowadzone do matrycy polimerowej. Badania właściwości mechanicznych wykazały, że w rezultacie równoczesnego zastosowania TCP i ZnO wzrasta moduł Younga, a spada wytrzymałość i odkształcalność folii PCL/TCP/ ZnO, jednak nie powinno to wpłynąć niekorzystnie na skuteczność pokrycia. Analizy SEM i EDS powierzchni próbek inkubowanych w SBF potwierdziły potencjalną bioaktywność opracowanych układów.

EN

Magnesium and its alloys can be a promising alternative for traditionally used metallic biomaterials due to their: biocompatibility, biodegradability, osteoconductivity, antibacterial activity, and resemblance of density and Young’s modulus to the natural bone. Rapid corrosion, Mg alloys main disadvantage, causes hydrogen accumulation, harmful pH level increase in surrounding tissues, and premature loss of mechanical parameters. In order to solve those issues, scientists select appropriate alloying elements and apply different surface treatments or coatings. This research considers application of resorbable polymers as coating materials for magnesium alloy wires. Samples were dip-coated with various concentration polylactide (PLA) and polycaprolactone (PCL) solutions. Immersion tests were conducted for 7 weeks in phosphate buffered saline and distilled water; pH and ionic conductivity changes, and release of Mg2+ ions were monitored. We show the influence of polymer solution concentration on the coating quality and effectiveness of anticorrosive protection, as well as superior parameters of polycaprolactone. In the second part of the study, selected coating was modified with tricalcium phosphate (TCP) and zinc oxide (ZnO), that were incorporated into the polymer matrix. Mechanical studies revealed that after modification with those two types of particles Young’s modulus increased, while tensile strength and elasticity of the foils decreased, however it should not affect the effectiveness of the coating. SEM and EDS analysis confirmed potential bioactivity of investigated materials.

Słowa kluczowe

PL

stopy magnezu; polikaprolakton; polilaktyd; fosforan trójwapnia; bioaktywność; pokrycia polimerowe

EN

magnesium alloys; polycaprolactone; polylactide; tricalcium phosphate; bioactivity; polymer coatings

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 19, no. 136
• Strony: 28--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Morawska-Chochół A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Domalik-Pyzik P.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Sikora O.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Reczyński W.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Chemii Analitycznej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rzewuska M.

• Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Medycyny Weterynaryjnej, Katedra Nauk Przedklinicznych, ul. Ciszewskiego 8, 02-786 Warszawa

autor

Chłopek J.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Witte F.: The history of biodegradable magnesium implants: A review, Acta Biomater. 6 (2010) 1680-1692.
• [2] Persaud-Sharma D., McGoron A.: Biodegradable Magnesium Alloys: A Review of Material Development and Applications., J. Biomimetics, Biomater. Tissue Eng. 12 (2012) 25-39. doi:10.4028/ www.scientific.net/JBBTE.12.25.
• [3] Cifuentes S.C., Frutos E., González-Carrasco J.L., Muñoz M., Multigner M., Chao J., et al.: Novel PLLA/magnesium composite for orthopedic applications: A proof of concept, Mater. Lett. 74 (2012) 239-242. doi:10.1016/j.matlet.2012.01.134.
• [4] Li N., Zheng Y.: Novel Magnesium Alloys Developed for Biomedical Application: A Review, J. Mater. Sci. Technol. 29 (2013) 489-502. doi:10.1016/j.jmst.2013.02.005.
• [5] Iskandar M.E., Aslani A., Tian Q., Liu H.: Nanostructured calcium phosphate coatings on magnesium alloys: characterization and cytocompatibility with mesenchymal stem cells, J. Mater. Sci. Med. 26 (2015) 189. doi:10.1007/s10856-015-5512-5.
• [6] Staiger M.P., Pietak A.M., Huadmai J., Dias G.: Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: a review., Biomaterials. 27 (2006) 1728-34. doi:10.1016/j.biomaterials.2005.10.003.
• [7] Cifuentes S.C., Bensiamar F., Gallardo-Moreno A.M., Osswald T.A., González-Carrasco J.L., Benavente R., et al.: Incorporation of Mg particles into PDLLA regulates mesenchymal stem cell and macrophage responses, J. Biomed. Mater. Res. Part A. 104A (2016) 866-878. doi:10.1002/jbm.a.35625.
• [8] Cifuentes S.C., Gavilán R., Lieblich M., Benavente R., González- -Carrasco J.L.: In vitro degradation of biodegradable polylactic acid/ magnesium composites: Relevance of Mg particle shape., Acta Biomater. 32 (2016) 348-357. doi:10.1016/j.actbio.2015.12.037.
• [9] Drynda A., Hassel T., Hoehn R., Perz A., Bach F.W., Peuster M.: Development and biocompatibility of a novel corrodible fluoride- -coated magnesium-calcium alloy with improved degradation kinetics and adequate mechanical properties for cardiovascular applications, J. Biomed. Mater. Res. - Part A. 93 (2010) 763-775. doi:10.1002/jbm.a.32582.
• [10] Xu L., Yamamoto A.: Characteristics and cytocompatibility of biodegradable polymer film on magnesium by spin coating, Colloids Surfaces B Biointerfaces. 93 (2012) 67-74. doi:10.1016/j. colsurfb.2011.12.009.
• [11] Witecka A., Yamamoto A., Idaszek J., Chlanda A., Świeszkowski W.: Influence of biodegradable polymer coatings on corrosion, cytocompatibility and cell functionality of Mg-2.0Zn-0.98Mn magnesium alloy, Colloids Surfaces B Biointerfaces. 144 (2016) 284-292. doi:10.1016/j.colsurfb.2016.04.021.
• [12] Johnson I., Michelle Wang S., Silken C., Liu H.: A systemic study on key parameters affecting nanocomposite coatings on magnesium substrates, Acta Biomater. 36 (2016) 332-349. doi:10.1016/j. actbio.2016.03.026.
• [13] Woodruff M.A., Hutmacher W.: The return of a forgotten polymer - Polycaprolactone in the 21st century, Prog. Polym. Sci. 35 (2010) 1217-1256. doi:10.1016/j.progpolymsci.2010.04.002.
• [14] Morawska-Chochol A., Domalik-Pyzik P., Szaraniec B., Chlopek J.: The effect of magnesium alloy wires and tricalcium phosphate particles on apatite mineralization on polylactide-based composites, Mater. Lett. 180 (2016) 1-5. doi:10.1016/j.matlet.2016.05.046.
• [15] Sirelkhatim A., Mahmud S., Seeni A., Kaus N.H.M., Ann L.C., Bakhori S.K.M., et al.: Review on zinc oxide nanoparticles: Antibacterial activity and toxicity mechanism, Nano-Micro Lett. 7 (2015) 219-242. doi:10.1007/s40820-015-0040-x.
• [16] Domalik-Pyzik P., Morawska-Chochół A., Rzewuska M., Szaraniec B., Chłopek J.: Antibacterial activity study of poly(L- -lactide) composites for novel biodegradable intramedullary nails, Eng. Biomater. 133 (2015) 7-13.
• [17] Morawska-Chochół A., Domalik-Pyzik P., Chłopek J., Szaraniec B., Sterna J., Rzewuska M., et al.: Gentamicin release from biodegradable poly-l-lactide based composites for novel intramedullary nails, Mater. Sci. Eng. C. 45 (2014) 15-20. doi:10.1016/j. msec.2014.08.059.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).