Development and mechanical characterization of hydroxyapatite micro/macro-porous scaffolds by an innovative gel-casting process

• Autorzy: Palmero P. , Lombardi M. , Montanaro L. , Tirillo J. , Bartuli C. , Valente T. , Marcassoli P. , Cabrini M.

Warianty tytułu

PL

Rozwój i charakterystyka mechaniczna mikro/makro-porowatych rusztowań hydroksyapatytowych otrzymanych za pomocą innowacyjnego procesu odlewania żelowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An innovative gel-casting process was developed in order to obtain micro and macro porous hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, HA) scaffolds to be used in regenerative medicine for bone tissue reconstruction. The micro-porous materials were prepared using HA suspensions having different solid loadings (in the range of 55 - 60 wt%) and gelling agent contents (in the range of 0.3 - 0.75 wt%). After the set-up of the operative parameters, macro-porous components were also prepared by using commercial polyethylene spheres (PE), sieved in the range 355 - 420 µm, as a fugitive agent, added to the ceramic suspensions before casting. The PE amount was fixed for obtaining a porosity of 60 vol.% in the fired materials. The mechanical investigation was carried out on both dense and porous samples. The compressive tests, 4-point bending tests and micro-hardness measurements were performed in order to determine Young’s modulus, compressive strength, ultimate tensile stress and fracture toughness. Good correlations between mechanical properties were found. The results obtained for micro and macro-porous specimens were related with a model based on the ideal cell. An extensive microstructural characterization was carried out by SEM and coupled to mechanical data in view of the validation of modelling tools based on DIB-FEA (digital image based finite element analysis) procedures.

PL

Rozwinięto innowacyjny proces odlewania żelowego w celu otrzymania mikro i makroporowatych rusztowań hydroksyapatytowych (Ca10(PO4)6(OH)2, HA) przeznaczonych do wykorzystania w medycynie regeneracyjnej do rekonstrukcji tkanki kostnej. Mikro-makro porowate materiały przygotowano przy wykorzystaniu zawiesin HA o różnej zawartości fazy stałej (w zakresie 55-60 % wag.) i czynnika żelującego (w zakresie 0.3-0.75 % wag.). Po ustaleniu obowiązujących parametrów, makrporowate komponenty zostały przygotowane z wykorzystaniem komercyjnych kul polietylenowych (PE), wysianych w przedziale 355 - 420 µm, jako uchodzący składnik, dodawany do zawiesin przed odlewaniem. Ilość PE została ustalona tak, aby w wypalonych materiałach otrzymać porowatość wynoszącą od 60 % obj. Badania właściwości mechanicznych przeprowadzono na próbkach zarówno gęstych, jak i porowatych. Przeprowadzono testy ściskania, 4-punktowego zginania i pomiary mikrotwardości, aby oznaczyć moduł Younga, wytrzymałość na ściskanie, ostateczną wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie. Stwierdzono dobrą korelację pomiędzy właściwościami mechanicznymi. Wyniki uzyskane w przypadku mikro- i makroporowatych próbek powiązano z modelem opartym na komórce idealnej. Przeprowadzono obszerną charakterystykę mikrostrukturalną za pomocą SEM w odniesieniu do wyników badań właściwości mechanicznych w celu oceny poprawności narzędzi modelujących opartych na procedurze DIB-FEA (digital image based finite element analysis – odwzorowanie cyfrowe oparte na analizie elementów skończonych).

Słowa kluczowe

EN

hydroxyapatite; micro/macro-porous scaffolds; mechanical properties; DIB-FEA

PL

hydroksyapatyt; mikro/makroporowate rusztowanie; właściwości mechaniczne; DIB-FEA

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 3
• Strony: 355--362
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Palmero P.

autor

Lombardi M.

autor

Montanaro L.

autor

Tirillo J.

autor

Bartuli C.

autor

Valente T.

autor

Marcassoli P.

autor

Cabrini M.

• Dept. SMIC, Politecnico of Torino, INSTM - R. U. PoliTO - LINCE Lab., Torino, Italy,

Bibliografia

• 1. Ducheyne P., Qiu Q.: „Bioactive ceramics: the effect of surface reactivity on bone formation and one cell function”, Biomaterials, 20, (1999), 2287-2303.
• 2. Ray C.: „Calcium phosphate biomaterials and bone mineral. Differences in composition, structure and properties”, Biomaterials, 11, (1990), 13-15.
• 3. Hench L.: „Bioceramics”, J. Am. Ceram. Soc., 81, (1998), 1705-1728.
• 4. Chen B., Zhang Z., Zhang J., Lin Q., Jiang D.: „Fabrication and mechanical properties of -TCP pieces by gel-casting method”, Mater. Sci. Eng. C, 28, (2008), 1052-1056.
• 5. Padilla S., Garia-Carrodeguas R., Vallet-Regi M.: „Hydroxyapatite suspensions as precursors of pieces obtained by gelcasting method”, J. Eur. Ceram. Soc., 24, (2004), 2223-2232.
• 6. Sanchez-Salcedo S., Nieto A., Vallet-Regi M.: “Hydroxyapatite/-tricalcium phosphate/agarose macroporous scaffolds for bone tissue engineering”, Chem. Eng. J., 137, (2008), 62-71.
• 7. Nissan B.B.: „Nanoceramics in biomedical applications”, MRS Bull., 29, (2004), 28-32.
• 8. Charriere E., Lemaitre J., Zysset Ph.: „Hydroxyapatite cement scaffolds with controlled macroporosity: fabrication protocol and mechanical properties”, Biomaterials, 24, (2003), 809-817.
• 9. Tulliani J.-M., Naglieri V., Lombardi M., Montanaro L.: „Gel casting of porous alumina and zirconia bodies”, Adv. Tech. Mat. Mat. Proc. J., 11, (2009), 9-18.
• 10. Lombardi M., Montanaro L., Gremillard L., Chevalier J.: „A modified gelcasting procedure to prepare alumina porous components: process optimization and preliminary mechanical tests”, Ceram. Eng. Sci. Proc., 29, (2008), 287-298.
• 11. Lombardi M., Naglieri V., Tulliani J.-M., Montanaro L.: „Gelcasting of dense and porous ceramics by using a natural gelatine”,. J. Porous Mat., 16, 4, (2009), 393-400.
• 12. Labropoulos K.C., Niesz D.E., Danfforth S.C., Kevrekidis P.G.: „Dynamic rheology of agar gels: theory and experiments. Part I. Development of a rheological model”, Carbohydrate Polymers, 50, (2002), 393-406.
• 13. www.plasmabiotal.com
• 14. Fischer H., Marx R.: „Fracture toughness of dental ceramics: comparison of bending and indentation method”, Dental Mater., 18, (2002), 12-19.
• 15. Hollister S.J., Kikuchi N.: „Homogenization theory and digital imaging: A basis for studying the mechanics and design principles of bone tissue”, Biotechnol. Bioeng., 43, (1994), 586-596.
• 16. Terada K., Miura T., Kikuchi N.: „Digital image-based modeling applied to the homogenization analysis of composite materials”, Comp. Mechan., 20, (1997), 331-346.
• 17. Terada K., Hori M., Kyoya T., Kikuchi N.: „Simulation of the multi-scale convergence in computational homogenization approach”, Int. J. Sol. Struct., 37, 16, (2000), 2285-2311.
• 18. Lopes M.A., Silvia R.F., Monteiro F.J., Santos J.D.: „Microstructural dependence of Young’s and shear moduli of P2O5 glass reinforced hydroxyapatite for biomedical applications”, Biomaterials, 21, (2000), 749-754.
• 19. Lopes M.A., Monteiro F.J., Santos J.D.: „Glass reinforced hydroxyapatite composites: fracture toughness and hardness dependence on microstructural characterization”, Biomaterials, 20, (1999), 2085-2090.
• 20. Lopes M.A., Knowles J.C., Santos J.D., Monteiro F.J., Olsen I.: „Biological evaluation of glass reinforced hydroxyapatite by flow cytometry”, Bioceramics, 10, (1998), 575-578.
• 21. Olhero S.M., Tarì G., Coimbra M.A., Ferreira J.M.F.: „Synergy of polysaccharide mixtures in gelcasting of alumina”, J. Eur. Ceram. Soc., 20, (2000), 423-429.
• 22. JCPDF n° 09-0169.
• 23. Gibson L.J., Ashby M.F.: Cellular Solids: Structure and Properties, Pergamon Press, New York, 1988.
• 24. Brezny R., Green D.J.: „Mechanical behavior of cellular solids”, Mater. Sci. Tech., 11, (1992), 467-516.
• 25. Reid A.C.E., Langer S.A., Lua R.C., Coffman V.R., Haan S.I., Garcia E.: „Image-based finite element mesh construction for material microstructures”, Comp. Mater. Sci., 43, (2008), 989-999.
• 26. Carter W.C., Langer S.A., Fuller E.R.: The OOF Manual: version 1.0, National Institute of Standards and Technology, NISTIR No. 6256, 1998.