Wpływ dodatku bioszkła na własności kompozytów ceramicznych i polimerowych

• Autorzy: Kokoszka J. , Cholewa-Kowalska K. , Bramowska K. , Łączka M. , Pamuła E.

Warianty tytułu

EN

Effect of bioglass additives on the properties of ceramic and polymer composites

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem przeprowadzonych badań było wytworzenie oraz charakterystyka dwóch rodzajów kompozytów: hydroksyapatyt (HA)/bioszkło oraz polimer (PGLA)/bioszkło. Dodatek bioszkła do matryc: polimerowej i hydroksyapatytowej zastosowano w celu modyfikacji własności mechanicznych oraz poprawy bioaktywności wytworzonych kompozytów. Do otrzymania kompozytów zastosowano dwa bioszkła pochodzenia żelowego S2 (80%mol.SiO2, 16%mol.CaO, 4%mol. P2O5) oraz A2 (40%mol.SiO2, 54%mol.CaO, 6%mol. P2O5. Kompozyty hydroksyapatyt/bioszkło zawierały 10% oraz 50%mas. dodatku bioszkła. Za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i analizy rentgenowskiej (XRD) scharakteryzowano mikrostrukturę oraz skład fazowy otrzymanych kompozytów. Metoda ultradźwiękowa posłużyła do wyznaczenia własności mechanicznych (modułu Younga E) kompozytów. Bioaktywność materiałów została oceniona poprzez zmiany morfologii powierzchni próbek po kontakcie przez 7 i 14 dni z płynem SBF. Na podstawie przeprowadzonych badań określono, iż dodatek 10% A2 (E=12,24GPa) oraz 50% S2 (E=15,54GPa) do matrycy hydroksyapatytowej wpłynął na podwyższenie modułu Younga tych kompozytów w porównaniu do samego hydroksyapatytu (E=9,03GPa). Po kontakcie ze sztucznym osoczem oceniono, iż tworzenie się apatytowej warstwy na powierzchniach kompozytów HA/bioszkło było szybsze dla kompozytów z dodatkiem bioszkła A2 niż w przypadku S2. Wytworzono również kompozyty PGLA/bioszkło, w postaci folii otrzymanych poprzez odlewanie na szalki Petriego roztworów rozpuszczonych: PGLA oraz bioszkła (A2 lub S2). Kompozyty te otrzymano przy udziale objętościowym bioszkła 12%, 21% oraz 33%. Przeprowadzono badania w celu określenia własności mechanicznych (wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga) kompozytów oraz testy w płynie SBF przez okres 5 i 10 dni. Wyniki badań parametrów wytrzymałościowych pokazują, że dodatek, bioszkła do matrycy polimerowej powoduje wzrost zarówno modułu Younga jak i wytrzymałości na rozciąganie tych kompozytów. Po teście w SBF zaobserwowano gwałtowne formowanie się warstwy apatytowej na powierzchni kompozytów - co wskazuje na wysoką bioaktywność otrzymanych materiałów.

EN

The aim of this study was to prepare and evaluate both HA/bioactive glass and resorbable polymer PGLA/bioglass composites. The gel- derived bioglasses were added to HA and PGLA matrix in order to modify mechanical properties and improve bioactivity of obtained composite materials. We have developed two different composites made of hydroxyapatite (HA) and gel derived bioglasses designated S2 (80%mol. SiO2, 16%mol.CaO, 4%mol.P2O5) or A2 (40%mol. SiO2, 54% mol.CaO, 6%mol.P2O5). Concentration of added bioglasses were: 10% and 50 wt.%. Scanning electron microscopy and X- ray diffraction were used to characterize microstructure and phase composition of obtained materials. The elastic properties of HA/bioglass composites (Young modulus E) were analyzed with the use of pulse ultrasonic technique. The bioactivity of composites was assessed by determining the changes of surfaces morphology of composites after soaking in simulated body fluid (SBF) for 7 and 14 days (test in vitro in SBF). We have determined that 10%wt. addition of A2 (E=12,24GPa) and 50wt. % addition of S2 (E=15,54GPa) to the HA matrix results in higher Young's modulus of composites in comparison to pure hydroxyapatite (E=9,03GPa). The rate of Ca-P-rich layer formation in SBF was higher for HA/bioglass composites containing A2 compared to the composites containing S2 bioglass. Moreover, PGLA/bioglass composites were manufactured in the form of foils by solvent casting of the mixtures: dissolved PGLA and bioactive glass A2 and S2 particles. Composites containing 12%, 21% and 33%vol. of bioactive glass were manufactured. Mechanical properties (Rm, E) of composites were evaluated as well as in vitro SBF test was conducted at 5 and 10 days periods times of incubation in SBF. The results of tensile tests show that the addition of bioactive glass increases both tensile strength and Young's modulus of the composites. Rapid formation of apatite-layer on composite surface after incubation in SBF indicates high bioactivity of these materials.

Słowa kluczowe

PL

bioszkło; kompozyty ceramiczne; kompozyty polimerowe; hydroksyapatyt; polimer PGLA; polimery

EN

bioglass; ceramic composites; polymer composites; hydroxyapatite; polymers; PGLA polymer

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 12, no. 87
• Strony: 24--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Kokoszka J.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Cholewa-Kowalska K.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Bramowska K.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Łączka M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Pamuła E.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza

Bibliografia

• [1] Karen J.L. Burg, Scott Porter, James F. Kellarn, Biomaterial developments for bone tissue engineering, Biomaterials, 2000, 21 (23), p 2347-2359 (13).
• [2] P. Li, C. Ohtsuki, T. Kokubo et al., Apatite formation induced by silica gel in a simulated body fluid. Journal of the American Ceramics Society, 1992 (75), pp. 2094-2097.
• [3] G. Goller, H. Demirkiran, F.N. Oktar, E. Demirkesen, Processing and characterization of bioglass reinforced hydroxyapatite composites, Ceramics International 2003 (29), pp. 721-724.
• [4] M. Vallet-Regi, A.M. Romero, CV. Ragel, R.Z. LeGeros, XRD, SEM-EDS, and FTIR studies of in vitro growth of an apatite-like layer on sol-gel glasses, Journal of Biomedical Materials Research Part A, 1999 (44), pp. 416-421.
• [5] J.P. Zhong, D.C. Greenspan, J.W. Feng , A microstructural examination of apatite induced by bioglass in vitro , Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2002 (13); pp. 321- 326.
• [6] L. L. Hench and J.Wilson , An Introduction to Bioceramics, World Scientific Publishing, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong 1993.
• [7] D.C. Clupper, J.J. Mecholsky, Jr, G.P. LaTorre, D.C. Greenspan, Bioactivity of Bioglass-steel and Bioglass-titanium laminate composites, Journal of Materials Science Letters, 2001, 20 (10), pp. 959-960.
• [8] Łączka, M.; Cholewa-Kowalska, K.; Dąbrowski, J. R.; Oksiuta, Z., Gel-derived bioglass as a component of composites with metal alloys, Engineering of Biomaterials 2003, 6 (29), pp. 20-23.
• [9] J. A. Roether, A. R. Boccaccini, L. L. Hench, V. Maquet, S. Gautier, R. Jerorne, Development and in vitro characterisation of novel bioresorbable and bioactive composite materials based on polylactide foams and bioglass for tissue engineering applications. Biomaterials 2002; 23(18); pp. 3871-8.
• [10] D. C. Tancred, A. J. Carr B,. A. O. Mccormack The sintering and mechanical behavior of hydroxyapatite with bioglass additions J. of Mat. Sci: Materials in Medicine 2001; 12 pp. 81-93
• [11] J.D. Santos, J.C. Knowles, R.L. Reis, F.J. Monteiro, G.W. Hastings; Microstructural characterization of glass-reinforced hydroxyapatite composites, Biomaterials 1994, 15 (1); pp. 5-10.
• [12] S. Abiraman , H.K. Kumari, P.R. Umashankar, A. John ; Preliminary in vitro and in vivo characterization of a sol-gel derived bioactive glass- ceramic system , Bulletin of Materiał Science, 2002; 25 (5), pp. 419-429.
• [13] M. Łączka, K. Cholewa-Kowalska, K. Kulgawczyk, M. Klisch, W. Mozgawa. Structural examinations of gel-derived materials of the CaO-P2O5-SiO2 system. Journal of Molecular Structure 1999;511-512:pp. 223-231
• [14] K. Cholewa-Kowalska, M. Łączka ; Application of new precursors of CaO and P2O5 to obtain bioactive, gel-derived materials, The sixth conference and exhibition of the European Ceramic Society: 20-24 June 1999 Brighton.
• [15] Dobrzyński P, Kasperczyk J, Janeczek H, Bero M. Synthesis of biodegradable copolymers with the use of low toxic zirconium compounds. 1. Copolymerization of glycolide with L-lactide initiated by Zr(Acac)4. Macromolecules 2001; 34 :pp. 5090-5103.
• [16] W.C. Van. Buskirk, R.B. Ashman, The elastic moduli of bone, Mechanical properties of bone, JointASME-ASCE Applied Mechanics, Fluids Engineering and Bioengineering Conf. (1981).