Polepszenie właściwości kompozytów krótkie włókna Ca-P/polilaktyd poprzez modyfikację powierzchni włókien kwasem laurylowym

• Autorzy: Biernat M. , Jaegermann Z. , Tymowicz-Grzyb P. , Wiśniewski Z.

Warianty tytułu

EN

Improvement of short Ca-P whiskers/polylactide composites by surface modification with lauric acid

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Kompozyty polimerowo-ceramiczne są powszechnie stosowane w medycynie regeneracyjnej, zwłaszcza w ortopedii, gdyż istnieje wiele metod modyfikowania ich właściwości w zależności od przewidywanego zastosowania. Jedną z nich jest wypełnianie matrycy polimerowej wypełniaczami, które nadają kompozytom pożądane właściwości mechaniczne. Bardzo ważny jest wówczas dobór rodzaju i ilości wypełniacza, a także środka poprawiającego adhezję pomiędzy wypełniaczem a polimerem. Wypełniaczem poprawiającym wytrzymałość mechaniczną mogą być krótkie włókna (whiskersy) apatytowe (Ca-P). Jako środki proadhezyjne do materiałów implantacyjnych dobiera się natomiast związki nietoksyczne, wzmacniające połączenie polimer-wypełniacz. Przy wyborze bierze się również pod uwagę inne cechy, korzystne dla kompozytu, np. właściwości przeciwbakteryjne. W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu modyfikacji powierzchni włókien Ca-P kwasem laurylowym (LA) na właściwości kompozytów, uzyskanych metodą prasowania na gorąco. Kwas laurylowy zastosowano w celu poprawy chemicznej kompatybilności pomiędzy włóknami a matrycą polimerową, a wytypowano go ze względu na jego nietoksyczność i właściwości przeciwbakteryjne. W celu przygotowania kompozytów zmieszano polilaktyd PLA - RESOMER® LR 706 S (Evonik) i zsyntezowane trójfazowe włókna Ca-P (niezmodyfikowane i zmodyfikowane LA). Właściwości otrzymanych kompozytów określano poprzez pomiar wytrzymałości na rozciąganie oraz pomiar kąta zwilżania. Analizowano również obrazy mikroskopowe przełamów. Uzyskane wyniki badań wykazują, że modyfikacja powierzchni włókien Ca-P kwasem laurylowym pozwala na uzyskanie lepszego połączenia międzyfazowego pomiędzy tymi włóknami a matrycą z polilaktydu. W rezultacie daje to lepszą wytrzymałość na rozciąganie niż w przypadku kompozytów z udziałem włókien niezmodyfikowanych. Istotne jest również, że zastosowanie kwasu laurylowego jako modyfikatora powierzchni włókien pozwala uzyskać kompozyty o zwiększonej hydrofilowości, co ma znaczenie dla przyłączania i wzrostu komórek.

EN

Polymer-ceramic composites are widely used in regenerative medicine, especially in orthopedics, as there are many methods of modifying their properties depending on the intended use. One of them is filling the polymer matrix with fillers, giving the composite adequate mechanical strength. It is very important then to choose the type and amount of the filler, as well as the agent improving the adhesion between filler and polymer. Short apatite whiskers (Ca-P) are interesting fillers improving mechanical strength. As the proadhesive agents for implant materials, non-toxic compounds which strengthen the polymer-filler connection are chosen. Other features that are beneficial to the composite, e.g. antibacterial properties, are also contemplated in the selection. The paper presents results of research on the effect of Ca-P whiskers surface modification with lauric acid (LA) on the properties of composites obtained by hot pressing. Lauric acid was used to improve the chemical compatibility between whiskers and polymer matrix, and it was selected due to antibacterial properties and non-toxicity. The polylactide PLA - RESOMER® LR 706 S (Evonik) and the synthesized triphasic Ca-P whiskers (unmodified and LA modified) were mixed to prepare the composites. The properties of the obtained composites were determined by measuring the tensile strength and the contact angle. Microscopic images of fractures were also analyzed. The obtained tests results show that modification of the Ca-P whiskers surface with lauric acid allows to obtaining a better interfacial connection between these whiskers and the polylactide matrix. It results in better tensile strength than in the case of composites with unmodified whiskers. It is also important that the use of lauric acid as a surface modifier of the whiskers allows to obtain composites with increased hydrophilicity, which is important for the attachment and growth of cells.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty; kwas laurylowy; modyfikacja powierzchni

EN

composites; calcium-phosphate whiskers; lauric acid; surface modification

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 21, no. 145
• Strony: 20--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35., rys., tab., zdj.

Twórcy

autor

Biernat M.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Ceramiki i Betonów, ul. Postępu 9, 02-676 Warszawa 1, Zakład Biomateriałów

autor

Jaegermann Z.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Ceramiki i Betonów, ul. Postępu 9, 02-676 Warszawa 1, Zakład Biomateriałów

autor

Tymowicz-Grzyb P.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Ceramiki i Betonów, ul. Postępu 9, 02-676 Warszawa 1, Laboratorium Badawcze

autor

Wiśniewski Z.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Ceramiki i Betonów, ul. Postępu 9, 02-676 Warszawa 1, Zakład Biomateriałów

Bibliografia

• [1] Yu H., Huang N., Wang C., Tang Z.: Modeling of poly(L-lactide) thermal degradation: Theoretical prediction of molecular weight and polydispersity index. J. Appl. Polym. Sci. 88 (2003) 2557-2562.
• [2] Teo W.E., Liao S., Chan C., Ramakrishna S.: Fabrication and characterization of hierarchically organized nanoparticle-reinforced nanofibrous composite scaffolds. Acta Biomater. 7 (2011) 193-202.
• [3] Suganuma J., Alexander H.: Biological response of intramedullary bone to poly-L-lactic acid. J. Appl. Biomater. 4 (1993) 13-27.
• [4] Emadi R., Tavangarian F., Roohani Esfahani S.I., Sheikhhosseini A., Kharaziha M.: Nanostructured Forsterite Coating Strengthens Porous Hydroxyapatite for Bone Tissue Engineering. J. Am. Ceram. Soc. 93 (2010) 2679-2683.
• [5] Hasegawa S., Ishii S., Tamura J., Furukawa T., Neo M., Matsusue Y., Shikinami Y., Okuno M., Nakamura T.: A 5-7 year in vivo study of high-strength hydroxyapatite/poly(L-lactide) composite rods for the internal fixation of bone fractures. Biomaterials 27 (2006) 1327-1332.
• [6] Kikuchi M., Koyama Y., Yamada T., Imamura Y., Okada T., Shirahama N., Akita K., Takakuda K., Tanaka J.: Development of guided bone regeneration membrane composed of β-tricalcium phosphate and poly(l-lactide-co-glycolide-co-ε-caprolactone) composites. Biomaterials 25 (2004) 5979-5986.
• [7] Liao S., Watari F., Zhu Y., Uo M., Akasaka T., Wang W., Xu G., Cui F.: The degradation of the three layered nano-carbonated hydroxyapatite/collage/PLGA composite membrane in vitro. Dent. Mater. 23 (2007) 1120-1128.
• [8] Fang Z., Feng Q.: Improved mechanical properties of hydroxyapatite whisker-reinforced poly(l-lactic acid) scaffold by surface modification of hydroxyapatite. Mat. Sci. Eng. C 35 (2014) 190-194.
• [9] LeGeros R.Z., Lin S., Rohanizadeh R., Mijares D., LeGeros J.P.: Biphasic calcium phosphate bioceramics: preparation, properties and applications. J. Mater. Sci. Mater. Med. 14 (2003) 201-209.
• [10] Kobayashi S., Yamadi S.: Strain rate dependency of mechanical properties of TCP/PLLA composites after immersion in simulated body environments. Compos. Sci. Technol. 70 (2010) 1820-1825.
• [11] Dupraz A.M.P., van der Meer S.A.T., de Wijn J.R., Goedemoed J.H.: Biocompatibility screening of silane-treated hydroxyapatite powders for use as filler in resorbable composites. J. Mater. Sci. Mater. Med. 7 (1996) 731-738.
• [12] Deb S., Wang M., Tanner K.E., Bonfield W.: Hydroxyapatite polyethylene composites: effect of grafting and surface treatment of hydroxyapatite. J. Mater. Sci. Mater. Med. 7 (1996) 191-193.
• [13] Yang C.L., Cheng K., Weng W.J., Yang C.Y.:OTS-modified HA and its toughening effect on PLLA/HA porous composite. J. Mater. Sci. Mater. Med. 20 (2009) 667-672.
• [14] Liu Q., de Wijn J.R., Bakker D., van Blitterswijk C.A.: Surface modification of hydroxyapatite to introduce interfacial bonding with polyactivet 70/30 in a biodegradable composite. J. Mater. Sci. Mater. Med. 7 (1996) 51-57.
• [15] Liu Q., de Wijn J.R., Bakker D., van Toledo M., van Blitterswijk C.A.: Polyacids as bonding agents in hydroxyapatite polyester-ether (polyactivet 30/70) composites. J. Mater. Sci. Mater. Med. 9 (1998) 23-30.
• [16] Wang Y., Dai J., Zhang Q.C., Xiao Y., Lang M.: Improved mechanical properties of hydroxyapatite/poly(ε-caprolactone) scaffolds by surface modification of hydroxyapatite. Appl. Surf. Sci. 256 (2010) 6107-6112.
• [17] Beare-Rogers J., Dieffenbacher A., Holm J.V.: Lexicon of lipid nutrition (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 73(4) (2001) 685-744.
• [18] Arpornmaeklong P., Suwatwirote N., Pripatnanot P., Oungbho K.: Growth and differentiation of mouse osteoblasts on chitosan– collagen sponges. Int. J. Oral Maxillofac. Surg. 36 (2007) 328-337.
• [19] Nakatsuji T., Kao M.C., Fang J.Y., Zouboulis C.C., Zhang L., Gallo R.L., Huang C.M.: Antimicrobial property of lauric acid against Propionibacterium acnes: its therapeutic potential for inflammatory acne vulgaris. J. Invest. Dermatol. 129(10) (2009) 2480-2488.
• [20] Yang D., Pornpattananangkul D., Nakatsuji T., Chan M., Carson D., Huang C.M., Zhang L.: The antimicrobial activity of liposomal lauric acids against Propionibacterium acnes. Biomaterials 30 (2009) 6035-6040.
• [21] Petschow B., Batema R., Ford L.: Susceptibility of Helicobacter pylori to bactericidal properties of medium – chain monoglycerides and free fatty acids. Antimicrob. Agents Chemother. 40 (2) (1996) 302-306.
• [22] Huang C.B., Alimova Y., Myers T.M., Ebersole J.L.: Short- and medium-chain fatty acids exhibit antimicrobial activity for oral microorganisms. Arch. Oral. Biol. 56 (2011) 650-654.
• [23] Nobmann P., Bourke P., Dunne J., Henehan G.: In vitro antimicrobial activity and mechanism of action of novel carbohydrate fatty acid derivatives against Staphylococcus aureus and MRSA. J. Appl. Microbiol. 108 (2010) 2152-2161.
• [24] Biernat M. Jaegermann Z., Tymowicz-Grzyb P., Konopka G., Ciołek L., Pęczkowski P., Taźbierski P.: Short calcium phosphate whiskers for medical applications. Engineering of Biomaterials 143 ( 2017) 17.
• [25] Jalota S., Bhaduri S.B., Tas A.C.: In vitro testing of calcium phosphate (HA, TCP and biphasic HA-TCP) whiskers. J. Biomed. Mater. Res. A 78(3) (2006) 481-490.
• [26] Roeder R.K., Converse G.L., Kane R.J., Yue W.: Hydroxyapatite- reinforced polymer biocomposites for synthetic bone substitutes. JOM. 60(3) (2008) 38-45.
• [27] Mendelson B.C., Jacobson S.R., Lavoipierre A.M., Huggins R.J.: The fate of porous hydroxyapatite granules used in facial skeletal augmentation. Aesthetic Plast.Surg. 34(4) (2010) 455-461.
• [28] Liu Q., de Wijn J.R., van Blitterswijk C.A.: Composite biomaterials with chemical bonding between hydroxyapatite filler particles and PEG/PBT copolymer matrix. J. Biomed. Mater. Res. 40 (1998) 490-497.
• [29] Liu X.M., Lim J.Y., Donahue H.J., Dhurjati R., Mastro A.M., Vogler E.A.: Influence of substratum surface chemistry/energy and topography on the human fetal osteoblastic cell line hFOB 1.19: phenotypic and genotypic responses observed in vitro. Biomaterials 28 (2007) 4535-4550.
• [30] Manoudis N.P., Karapanagiotis I.: Modification of the wettability of polimer surfaces using nanoparticles. Prog. Org. Coat. 77 (2014) 331-338.
• [31] Chibowski E., Hołysz L., Terpilowski K., Jurak M.: Investigation of super-hydrophobic effect of PMMA layers with different fillers deposited on glass support. Colloids Surf. A 291(1-3) (2006) 181-190.
• [32] Tiwari M.K., Bayer I.S., Jursich G.M., Schutzius T.M., Megaridis C.M.: Highly liquid-repellent, large-area, nanostructured poly(vinylidene fluoride)/poly(ethyl 2-cyanoacrylate) composite coatings: Particle filler effects. ACS Appl. Mater. Interfaces 2 (2010) 1114-1119.
• [33] Manoudis P.N., Karapanagiotis I., Tsakalof A., Zuburtikudis I., Panayiotou C.: Superhydrophobic composite films produced on various substrates. Langmuir 24 (2008) 11225-11232.
• [34] Viveta L., Joudrierb A.L., Tana K.L., Morellea J.M., Etcheberryb A., Chalumeau L.: Influence of nickel-phosphorous surface roughness on wettability and pores formation in solder joints for high power electronic applications. Appl. Surf. Sci. 287 (2013) 13-21.
• [35] Belaud V., Valette S., Stremsdoerfer G., Bigerelle M., Benayoun S.: Wettability versus roughness: Multi-scales approach. Tribol. Int. 82 (2015) 343-349.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).