Bioaktywne kompozyty włókno węglowe/pseudowolastonit dla zastosowań w chirurgii kostnej

• Autorzy: Gumuła T. , Błażewicz M. , Paluszkiewicz Cz.

Warianty tytułu

EN

Bioactive carbon fibres/pseudowollastonite composites for bone surgery application

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono wstępne wyniki badań nad kompozytami o osnowie pseudowolastonitowej Ca3(SiO3)3 wzmacnianej włóknami węglowymi, których zastosowaniem będzie chirurgia kostna. Kompozyty otrzymano techniką ciekłej impregnacji włókien węglowych polimerem polisiloksanowym (tzw. preceramem), zawierającym aktywne wypełniacze. Tak otrzymany kompozyt poddano procesowi obróbki termicznej w 1000°C. Wykonano dwa rodzaje kompozytów różniących się sposobem ułożenia włókien; kompozyt o jednokierunkowym ułożeniu włókien (1D) oraz wielokierunkowym (2D/1D/2D). Kompozyty badano za pomocą spektroskopii w zakresie środkowej podczerwieni (FTIR) metodą absorpcyjną. Badania struktury zostały wykonane za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego. W celu określenia właściwości mechanicznych - wytrzymałości na zginanie oraz modułu Younga - wykonano testy trójpunktowego zginania. Bioaktywność kompozytów określano w warunkach in vitro poprzez przetrzymywanie materiałów w sztucznym osoczu (SBF) w temperaturze 37°C przez 8 i 16 dni. Po tym okresie prowadzono obserwacje mikroskopowe za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i wykonywano mikroanalizę rentgenowską powierzchni próbek za pomocą mikroanalizatora dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Badania za pomocą spektroskopii w podczerwieni próbek po obróbce termicznej w 1000°C wykazały, że jednym ze składników tak otrzymanych kompozytów jest pseudowolastonit Ca3(Si3O9). Analiza rentgenowska wykazała, że produktami obróbki termicznej włókien węglowych i żywicy, zawierającej aktywne wypełniacze, są węgiel i pseudowolastonit Ca3(Si3O9). Średni rozmiar krystalitów pseudowolastonitu, obliczony z równania Scherrera wynosi w przypadku kompozytu 1D 52 +/- 21 nm, natomiast w przypadku kompozytu 2D/1D/2D - 47 +/- 11 nm. Wytrzymałości na zginanie kompozytów są niskie. Kompozyt 1D ma wyższą wytrzymałość na zginanie i mógłby znaleźć zastosowanie w chirurgii twarzowo-szczękowej. Oba kompozyty mają wartość modułu Younga zbliżoną do wartości tego parametru dla kości. Różny sposób ułożenia włókien węglowych ma wpływ na mechanizm pękania kompozytu. Kompozyty wykazały cechy bioaktywne w warunkach in vitro. Zaobserwowano krystalizację apatytu na powierzchniach obu kompozytów, przy czym wcześniej następowała jego krystalizacja w przypadku kompozytu 2D/1D/2D. Badania wykazały, że kontrolowana obróbka termiczna w 1000°C kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi, których osnowy otrzymano z polimeru polisiloksanowego zawierającego aktywne wypełniacze, pozwala na otrzymanie bioaktywnych kompozytów włókno węglowe/pseudowolastonit. Dalsze badanie nad tego typu kompozytami powinny być skoncentrowane na analizie ich właściwości biologicznych oraz na podwyższeniu ich wytrzymałości, co pozwoliłoby na zastosowanie ich jako implanty konstrukcyjne.

EN

In this work pseudowollastonite Ca3(SiO3)3 matrix composites reinforced with carbon fibres, which may be used for bone reconstruction, were investigated. The composites were obtained by new way, namely impregnation of carbon fibres with active fillers-containing polysiloxane polymer (so-called preceram). As received composites were then subjected to controlled heat treatment at 1000°C. Two types of composites differing in fibres spatial arrangement, namely unidirectional (1D) and multidirectional (2D/1D/2D), were prepared. The ceramic composites were analysed by means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Their structure was carried out on XRD diffractometer. Mechanical properties, namely bending strength and Young's modulus of the composite samples were investigated in three point bending test. The bioactivity was determined in in vitro conditions, by immersing of composite samples in simulated body fluid (SBF) during the time of 8 and 16 days. After that test surfaces of composites were studied by scanning electron microscope (SEM) and EDS point analysis. FTIR spectra of composites indicate that after heating process, in both cases, pseudowollastonite i.e. ring silicate of the formula Ca3(Si3O9), is formed. XRD analysis reveals that heat treatment products of carbon fibres and active fillers-containing polysiloxane precursor, contain carbon and pseudowollastonite Ca3(Si3O9). The crystallite sizes of pseudowollastonite, calculated from diffraction peak using the Scherrer's equation, are in case of 1D composite 52 +/- 21 nm and in case of 2D/1D/2D composite - 47 +/- 11 nm. Bending strengths of as received composites are rather low. Higher bending strength represents 1D composite. This composite can be applied as an implant in maxilofacial surgery. Both composites posses Young's modulus values adequate for bone surgery applications. Different spatial arrangement of carbon fibres influences on fracture toughness of composites. Such obtained composites demonstrate bioactivity in in vitro conditions. On 2D/1D/2D composite surface already after 8 days of immersing in SBF calcium phosphate precipitated. The results presented in this work indicate that heat treatment at 1000°C of composites reinforced with carbon fibres, which matrices were obtained from active fillers-containing polysiloxane polymer, is a new method leading to receiving of bioactive carbon fibres/pseudowollastonite composites. Future studies on such composites should be focused on investigation of their biological properties and on further improvement of their bending strength, what could widen their application as constructive implants.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt węglowo-ceramiczny; prekursor polimerowy; polisiloksany; pseudowolastonit; włókno węglowe; bioaktywność

EN

carbon-ceramic composite; polymeric precursor; polysiloxanes; pseudowollastonite; carbon fibre; bioactivity

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 1
• Strony: 41--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Gumuła T.

autor

Błażewicz M.

autor

Paluszkiewicz Cz.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Hench L.L., Bioactive materials: The potential for tissue regeneration, J. Biomed. Mater. Research 1998, 41, 511-518.
• [2] Kokubo T., A/W glass-ceramic: processing and properties, (w:) L.L. Hench, J. Wilson (Eds.), An Introduction to Bioceramics, World Scientific, Singapore 1993, 75-88.
• [3] Błażewicz S., Stoch L., Biomateriały, Tom VI edycji Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, Warszawa 2003.
• [4] Li P., Kokubo T., Nakanishi K., Soga N., de Grot K., Induction and morphology of hydroxyapatite, precipitated from metastable simulated body fluids, on sol-gel prepared silica, Biomaterials 1993, 14, 963-968.
• [5] Hench L.L., Ethridge E., Biomaterials. An interfacial approach, Academic Press, New York 1975.
• [6] De Aza P.N., Luklinska Z.B., Anseau M.R., Guitian F., Aza S. De, Bioactivity of pseudowollastonite in human saliva, Journal of Dentistry 1999, 27, 107-113.
• [7] Long L.H., Chen L.D., Bai S.Q., Chang J., Lin K.L., Preparation of dense _-CaSiO3 ceramic with high mechanical strength and HAp formation ability in simulated body fluid, Journal of the European Ceramic Society 2006, 26, 1701-1706.
• [8] Błażewicz M., Węgiel jako biomateriał: badania nad biozgodnością włókien węglowych, Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2001.
• [9] Gumula T., Podporska J., Paluszkiewicz C, Błażewicz M, New bioactive ceramics obtained by heat treatment of modified polymeric precursors, Macromol. Symp. 2007, 253, 109-114.
• [10] Paluszkiewicz C, Gumula T., Podporska J., Błażewicz M., Structure and bioactivity studies new polysiloxane-derived materials for orthopedic applications, J. Mol. Struct. 2006, 792-793, 176-181.
• [11] Gumuła T., Podporska J., Błażewicz M., Bioceramics obtained from polymer precursors as a bone tissue substitute, Engineering of Biomaterials 2005, 47-53, 85-88.
• [12] Łączka M., Cholewa K., Mozgawa W., Glass-crystalline materials of CaO-P2O5-SiO2 system obtained by sol-gel method, J. Mater. Sci. Lett. 1995, 14, 1417-1420.
• [13] Sitarz M., Mozgawa W., Handke M., Vibrational spectra of complex ring silicate anions - method of recognition, J. Mol. Struct. 1997, 404, 193-197.