Crystallization of 45S5 during isothermal heat treatment

• Autorzy: Fagerlund S. , Hupa L.

Warianty tytułu

PL

Krystalizacja bioszkła 45S5 w trakcie izotermicznego wygrzewania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Bioglass 45S5 has been shown inter alia to enhance bone growth, making it an interesting material for implants and scaffolds. Scaffolds are sintered from powdered glasses, and are partially crystalline. Crystallization of powdered 45S5 is well reported in the literature. 45S5 easily crystallizes also during hot-working to various implants. Crystallization of 45S5 plates at isothermal treatments was studied systematically for up to six hours at ten different temperatures (600-1000°C). The samples were inserted into a preheated furnace, and after the treatment the samples were rapidly cooled in the nitrogen flow. XRD, SEM, and optical microscope were used to identify the phase changes. According to the optical microscope images, the phase separation commenced around 600°C. The phase separated regions became more apparent at 700°C, and above 800°C a uniform crystal structure was observed. According to SEM, the crystal aggregates in the bulk showed truncated cube-like morphology (10-40 žm). At higher temperatures two different crystal structures could be identified on the surface. The X-ray diffraction pattern evolution was followed as the functions of time and temperature. The first peaks were observed at 650°C and the best match was obtained with Na2CaSi2O6. An evident broadening of the main peak (at 20 ≈ 34°), leading to a separation into two peaks, was observed around 700°C; the separation of the peaks increased linearly as the function of temperature. On plate surfaces the crystallization was similar to the reported results with powdered samples, while in the cross-sectional surface only one crystalline phase was observed.

PL

W przypadku bioszkła 45S5 inter alia pokazano, że sprzyja wzrostowi kości, co czyni go interesującym materiałem na wszczepy i rusztowania. Rusztowania spieka się ze sproszkowanego szkła i są one częściowo krystaliczne. Krystalizacja sproszkowanego szkła 45S5 jest dobrze opisana w literaturze. Szkło 45S5 łatwo krystalizuje również podczas obróbki na gorąco prowadzącej do wykonania różnych wszczepów. Krystalizację płytek ze szkła 45S5 podczas izotermicznej obróbki badano systematycznie aż do sześciu godzin w dziesięciu różnych temperaturach (600-1000°C). Próbki umieszczano we wcześniej nagrzanym piecu, a po obróbce, próbki szybko schładzano w strumieniu azotu. Metody XRD, SEM i mikroskopii optycznej wykorzystano do zidentyfikowania zmian fazowych. Zgodnie z obrazami mikroskopii optycznej, rozdzielenie fazowe rozpoczęło się w około 600°C. Obszary rozdzielenia faz stały się bardziej widoczne w 700°C, zaś powyżej 800°C zaobserwowano jednorodną strukturę krystaliczną. Zgodnie z obserwacjami SEM, agregaty krystaliczne w objętości materiału pokazały morfologię podobną do ściętego sześcianu (10-40 žm). W wyższych temperaturach dwie różniące się struktury krystaliczne można było zidentyfikować na powierzchni. Ewolucja dyfraktogramów rentgenowskich śledzona była w funkcji czasu i temperatury. Pierwsze piki zaobserwowano w 650°C i najlepsze dopasowanie uzyskano dla Na2CaSi2O6. Widoczne poszerzenie głównego piku (przy 20 ≈ 34°), prowadzące do rozdzielenia na dwa piki, zaobserwowano w 700°C; rozdzielenie pików zwiększało się liniowo w funkcji temperatury. Na powierzchniach płytkowych krystalizacja przebiegała podobnie do opisanej w próbkach proszkowych, podczas gdy na powierzchni przekroju zaobserwowano tylko jedną fazę krystaliczną.

Słowa kluczowe

EN

45S5; crystallization; XRD

PL

45S5; krystalizacja; XRD

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 3
• Strony: 349--354
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Fagerlund S.

autor

Hupa L.

• The Process Chemistry Centre, Abo Akademi University, Turku, Finland,

Bibliografia

• 1. Chen Q.Z., Thompson I.D., Boccaccini A.: „45S5 Bioglass®-derived glass–ceramic scaffolds for bone tissue engineering”, Biomaterials, 27, (2006), 2414-2425.
• 2. Boccaccini A.R., Chen Q.Z., Lefebvre L., Gremillard L., Chevalier J.: „Sintering, crystallisation and biodegradation behaviour of Bioglass®-derived glass-ceramics”, Faraday Discuss., 136, (2007), 27-44.
• 3. Ochoa I., Sanz-Herrera JA., García-Aznar J., Doblaré M., Yunos D., Boccaccini A.: „Permeability evaluation of 45S5 Bioglass®-based scaffolds for bone tissue engineering”, J. Biomech., 42, (2009), 257-260.
• 4. Arstila H., Hupa L., Karlsson K., Hupa M.: „Influence of heat treatment on crystallization of bioactive glasses, J. Non-Cryst. Solids. 354 (2008) 722-728.
• 5. Filho O., La Torre G., Hench L.: Effect of crystallization on apatite-layer formation of bioactive glass 45S5”, J. Biomed. Mater. Res., 30, (1996), 509-514.
• 6. Lefebvre L., Chevalier J., Gremillard L., Zenati R., Thollet G., Bernache-Assolant D.: „Structural transformations of bioactive glass 45S5 with thermal treatments”, Acta Mater., 55, (2007), 3305-3313.
• 7. Clupper D., Hench L.: „Crystallization kinetics of tape cast bioactive glass 45S5”, J. Non-Cryst. Solids., 318, (2003), 43-48.
• 8. El Batal H., Azooz M., Khalil E., Soltan Monem A., Hamdy Y.: „Characterization of some bioglass–ceramics”, Mater. Chem. Phys., 80, (2003), 599-609.
• 9. Lin C., Huang L., Shen P.: „Na2CaSi2O6–P2O5 based bioactive glasses. Part 1: Elasticity and structure”, J. Non-Cryst. Solids., 351, (2005), 3195-3203.
• 10. Huang L., Lin C., Shen P.: „Crystallization and stoichiometry of crystals in Na2CaSi2O6–P2O5 based bioactive glasses”, Mater. Sci. Eng. A, 452-453, (2007), 326-333.
• 11. Chatzistavrou X., Zorba T., Kontonasaki E., Chrissafis K., Koidis P., Paraskevopoulos K. M.: „Following bioactive glass behavior beyond melting temperature by thermal and optical methods”, Phys. Status Solidi A, 201, (2004), 944-951.
• 12. Li P., Yang Q., Zhang F., Kokubo T.: „The effect of residual glassy phase in a bioactive glass-ceramic on the formation of its surface apatite layer in vitro”, J. Mater. Sci. - Mater. Med., 3, (1992), 452-456.
• 13. Arstila H., Vedel E., Hupa L., Hupa M.: „Factors affecting crystallization of bioactive glasses”, J. Eur. Ceram. Soc., 27, (2007), 1543-1546.
• 14. Arstila H., Tukiainen M., Taipale S., Kellomäki M., Hupa L.: „Liquidus temperatures of bioactive glasses”, Adv. Mater. Res., 39-40, (2008), 287-292.
• 15. Clupper D., Mecholsky J., LaTorre G., Greenspan D.: „Bioactivity of tape cast and sintered bioactive glass-ceramic in simulated body fluid”, Biomaterials, 23, (2002), 2599-2606.