تاثیر ترکیب شیمیایی بر رفتار زینترینگ و خواص ریزساختاری، مکانیکی و بیولوژیکی کامپوزیت‌های هیدروکسی آپاتیت/شیشه بوراتی

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 8، دوره 33، شماره 2 - شماره پیاپی 26، شهریور 1401، صفحه 111-132   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2022.73523.1032

نویسندگان

زینب ابراهیمی کاهو¹؛ نگار اکرمی¹؛ مهرنوش قناد¹؛ سیمین نظرنژاد²؛ سعید کارگذار³؛ سحر ملازاده^{* 1}

¹گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.

²تخصصی مهندسی بافت، گروه علوم تشریح و بیولوژی سلولی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی مشهد.

³گروه علوم تشریح و بیولوژی سلولی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی مشهد.

چکیده

در پژوهش حاضر، از روش احتراقی در محلول جهت سنتز ترکیب آمورف بوراتی زیست‌فعال.استفاده شد. آنالیز XRD، FTIR و PSA با هدف مشخصه‌یابی فازی، تشخیص پیوند‌ و تعیین اندازه ذرات انجام شد. از آزمایش‌های MTT و Migration به منظور تعیین زیست‌سازگاری پودرها استفاده شد. پودر سنتز شده دارای ابعاد نانو، ساختار آمورف و تاثیر مثبت بر تکثیر و مهاجرت سلول‌ها است. ترکیب آمورف بوراتی با نانوذرات هیدروکسی آپاتیت به منظور ایجاد داربست‌های کامپوزیتی، در درصدهای وزنی متفاوت ترکیب شده و در دماهای 600، 650 و oC700 به مدت زمان‌های 0.5 و 1 ساعت زینتر شدند. مطالعه الگوی تفرق اشعه ایکس به منظور تشخیص فازها و تست استحکام کششی قطری به منظور سنجش استحکام مکانیکی انجام شد. تصویربرداری FESEM از نمونه‌های شکسته شده در تست استحکام کششی قطری به منظور مشاهده‌ی مسیر ترک، میزان تخلخل و نحوه تاثیر شیشه بوراتی بر زینتر انجام شد. نمونه با wt.% 20 هیدروکسی آپاتیت و wt.% 80 شیشه بوراتی، زینتر شده در oC700 به مدت 1 ساعت، دارای بالاترین استحکام به مقدار 0.02±4.87 است. آنالیز ICP-OES نمونه با wt.% 20 هیدروکسی آپاتیت زینتر شده در oC700 به مدت 1 ساعت بعد از 7 روز غوطه‌وری در مایع شبیه سازی شده‌ی بدن، نشان دهنده افزایش رهایش یون در مقایسه با هیدروکسی آپاتیت خالص زینتر شده است. همچنین کنترل و کاهش رهایش یونی قابل ملاحظه شیشه بوراتی از طریق کامپوزیت و زینتر شدن در مشاهده شد. کامپوزیت ساخته شده دارای قابلیت پیوند با بافت نرم و سخت است.

کلیدواژه‌ها

هیدروکسی آپاتیت؛ شیشه زیست فعال؛ شیشه بوراتی؛ زینتر؛ داربست؛ کامپوزیت؛ نانوذره؛ استحکام کششی؛ رهایش یون

مراجع

1. Zhao, S., et al., "Wound dressings composed of copper-doped borate bioactive glass microfibers stimulate angiogenesis and heal full-thickness skin defects in a rodent model", Biomaterials, Vol. 53, pp. 379-391, (2015).
2. Rizwan, M., Hamdi, M., Basirun, W. J., Kondoh, K., and Umeda, J., "Low pressure spark plasma sintered hydroxyapatite and Bioglass® composite scaffolds for bone tissue repair", Ceramics International, Vol. 44, pp. 23052-23062, No. 18, (2018).
3. Bellucci, D., et al., "Bioglass and bioceramic composites processed by Spark Plasma Sintering (SPS): Biological evaluation Versus SBF test", Biomedical Glasses, Vol. 4, pp. 21-31, No. 1, (2018).
4. Canillas, M., Pena, P., De Aza, A. H., and Rodríguez, M. A., "Calcium phosphates for biomedical applications", Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio, Vol. 56, pp. 91-112, No. 3. (2017).
5. Yaszemski, M. J., Payne, R. G., Hayes, W. C., Langer, R., and Mikos, A. G., "Evolution of bone transplantation: Molecular, cellular and tissue strategies to engineer human bone", Biomaterials, Vol. 17, pp. 175-185, No. 2, (1996).
6. Spivak, J. M., and Hasharoni, A., "Use of hydroxyapatite in spine surgery", European Spine Journal, Vol. 10, pp. S197-S204, No. SUPPL. 2, (2001).
7. Bellucci, D., Desogus, L., Montinaro, S., Orrù, R., Cao, G., and Cannillo, V., "Innovative hydroxyapatite/bioactive glass composites processed by spark plasma sintering for bone tissue repair", J Eur Ceram Soc, Vol. 37, No. 4, pp. 1723-1733, (2017).
8. Burg, K. J. L., Porter, S., and Kellam, J. F., "Biomaterial developments for bone tissue engineering", Biomaterials, Vol. 21, No. 23, pp. 2347-2359, (2000).
9. Mollazadeh, S., Javadpour, J., and Khavandi, A., "In situ synthesis and characterization of nano-size hydroxyapatite in poly(vinyl alcohol) matrix", Ceramics International, Vol. 33, No. 8, pp. 1579-1583, (2007).
10. Tampieri, A., Celotti, G., Szontagh, F., and Landi, E., "Sintering and characterization of HA and TCP bioceramics with control of their strength and phase purity", Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 8, No. 1, pp. 29-37, (1997).
11. Bellucci, D., Sola, A., and Cannillo, V., "Hydroxyapatite and tricalcium phosphate composites with bioactive glass as second phase: State of the art and current applications", Journal of Biomedical Materials Research - Part A, Vol. 104, No. 4, pp. 1030-1056, (2016).
12. Liao, C. J., Lin, F. H., Chen, K. S., and Sun, J. S., "Thermal decomposition and reconstitution of hydroxyapatite in air atmosphere", Biomaterials, Vol. 20, No. 19, pp. 1807-1813, (1999).
13. Liu, Y., and Shen, Z., "Dehydroxylation of hydroxyapatite in dense bulk ceramics sintered by spark plasma sintering", J Eur Ceram Soc, Vol. 32, No. 11, pp. 2691-2696, (2012).
14. Gerhardt, L. C., and Boccaccini, A. R., "Bioactive glass and glass-ceramic scaffolds for bone tissue engineering", Materials, Vol. 3, No. 7, pp. 3867-3910, (2010).
15. Hench, L. L., "The story of Bioglass®", in Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 17, No. 11, pp. 967-978, (2006).
16. Schuhladen, K., Wang, X., Hupa, L., and Boccaccini, A. R., "Dissolution of borate and borosilicate bioactive glasses and the influence of ion (Zn, Cu) doping in different solutions", Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 502, pp. 22-34, (2018).
17. Brown, R. F., et al., "Effect of borate glass composition on its conversion to hydroxyapatite and on the proliferation of MC3T3-E1 cells", Journal of Biomedical Materials Research - Part A, Vol. 88, No. 2, pp. 392-400, (2009).
18. Zhou, J., et al., "In vivo and in vitro studies of borate based glass micro-fibers for dermal repairing", Materials Science and Engineering C, Vol. 60, pp. 437-445, (2016).
19. Huang, W., Day, D. E., Kittiratanapiboon, K., and Rahaman, M. N., "Kinetics and mechanisms of the conversion of silicate (45S5), borate, and borosilicate glasses to hydroxyapatite in dilute phosphate solutions", Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 17, No. 7, pp. 583–596, (2006).
20. Balasubramanian, P., Hupa, L., Jokic, B., Detsch, R., Grünewald, A., and Boccaccini, A. R., "Angiogenic potential of boron-containing bioactive glasses: in vitro study", Journal of Materials Science, Vol. 52, No. 15, pp. 8785-8792, (2017).
21. Balasubramanian, P., et al., "Ion Release, Hydroxyapatite Conversion, and Cytotoxicity of Boron-Containing Bioactive Glass Scaffolds", International Journal of Applied Glass Science, Vol. 7, No. 2, pp. 206-215, (2016).
22. Guo, X., Xiao, P., Liu, J., and Shen, Z., "Fabrication of nanostructured hydroxyapatite via hydrothermal synthesis and spark plasma sintering", Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88, No. 4, pp. 1026–1029, (2005).
23. Ali, A., et al., "Studies on effect of CuO addition on mechanical properties and in vitro cytocompatibility in 1393 bioactive glass scaffold", Materials Science and Engineering C, Vol. 93, pp. 341-355, (2018).
24. Zaytsev, D., and Panfilov, P., "Deformation behavior of human enamel under diametral compression", Materials Letters, Vol. 136, pp. 130-132, (2014).
25. Horabik, J., Wiącek, J., Parafiniuk, P., Stasiak, P., Bańda, M., and Molenda, M., "Tensile strength of pressure-agglomerated potato starch determined via diametral compression test: Discrete element method simulations and experiments", Biosystems Engineering, Vol. 183, pp. 95-109, (2019).
26. Barfi Sistani, P., Mollazadeh Beidokhti, S., and Kiani-Rashid, A., "Crystallization Behavior and Mechanical Properties of In-situ Alumina-Zirconia Composite Bodies", Advanced Ceramics Progress, Vol. 4, No. Issue 3-4, pp. 36–42, (2018).
27. Kermani, F., Gharavian, A., Mollazadeh, A., Kargozar, S., Youssefi, A., and Vahdati Khaki, J., "Silicon-doped calcium phosphates; the critical effect of synthesis routes on the biological performance", Materials Science and Engineering C, Vol. 111, pp. 110828, (2020).
28. Kokubo, T., and Takadama, H., "How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?", Biomaterials, Vol. 27, No. 15, pp. 2907-2915, (2006).
29. "CRC handbook of chemistry and physics: 1st student edition: Editor-in-chief: R C Weast. CRC Press, Inc, Boca Raton, Florida and Wolfe Medical Publications, London. 1988. £19.95 ISBN 0-8493-0740-6", Biochemical Education, Vol. 17, No. 2, pp. 103, (1989).
30. Kumar, V., Manhas, M., Bedyal, A. K., and Swart, H. C., "Synthesis, spectral and surface investigation of novel CaMgB2O5:Dy3+ nanophosphor for UV based white LEDs", Materials Research Bulletin, Vol. 91, pp. 140-147, (2017).
31. Deliormanli, A. M., "In vitro assessment of degradation and mineralisation of V2O5 substituted borate bioactive glass scaffolds", Materials Technology, Vol. 29, No. 6, pp. 358–365, Nov. (2014).
32. Jung, S., "Borate Based Bioactive Glass Scaffolds for Hard and Soft Tissue Engineering", (2010).
33. Kermani, F., Mollazadeh, S., Kargozar, S., and Vahdati Khakhi, J., "Solution combustion synthesis (SCS) of theranostic ions doped biphasic calcium phosphates; kinetic of ions release in simulated body fluid (SBF) and reactive oxygen species (ROS) generation", Materials Science and Engineering C, Vol. 118, pp. 111533, (2021).
34. Gu, Y., Xiao, W., Lu, L., Huang, W., Rahaman, M. N., and Wang, D., "Kinetics and mechanisms of converting bioactive borate glasses to hydroxyapatite in aqueous phosphate solution", Journal of Materials Science, Vol. 46, No. 1, pp. 47-54, (2011).
35. Hu Y., and Miao, X., "Comparison of hydroxyapatite ceramics and hydroxyapatite/borosilicate glass composites prepared by slip casting", in Ceramics International, Vol. 30, No. 7, pp. 1787-1791, (2004).
36. Rekhi, S., Saxena, S. K., Atlas, Z. D., and Hu, J., "Effect of particle size on the compressibility of MgO", Solid State Communications, Vol. 117, No. 1, pp. 33-36, (2000).
37. Gu, Y., Huang, W., Rahaman, M. N., and Day, D. E., "Bone regeneration in rat calvarial defects implanted with fibrous scaffolds composed of a mixture of silicate and borate bioactive glasses", Acta Biomaterialia, Vol. 9, No. 11, pp. 9126-9136, (2013).
38. Paupler, P., "G. E. Dieter. Mechanical Metallurgy. 3rd ed., Mc Graw-Hill Book Co., New York 1986. XXIII + 751 p., DM 138.50, ISBN 0–07–016893–8", Crystal Research and Technology, Vol. 23, No. 2, Chap. 8, (1988).
39. Haghighi, F. D., Beidokhti, S. M., Najaran, Z. T., and Sahebian Saghi, S., "Highly improved biological and mechanical features of bioglass-ceramic/ gelatin composite scaffolds using a novel silica coverage", Ceramics International, Vol. 47, No. 10, pp. 14048-14061, (2021).
40. Liu, X., Rahaman, M. N., and Day, D. E., "Conversion of melt-derived microfibrous borate (13-93B3) and silicate (45S5) bioactive glass in a simulated body fluid", Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 24, No. 3, pp. 583-595, (2013).
41. Gu, Y. W., Khor, K. A., and Cheang, P., "Bone-like apatite layer formation on hydroxyapatite prepared by spark plasma sintering (SPS)", Biomaterials, Vol. 25, No. 18, pp. 4127-4134, (2004).
42. Fathi, M. H., Hanifi, A., and Mortazavi, V., "Preparation and bioactivity evaluation of bone-like hydroxyapatite nanopowder", Journal of Materials Processing Technology, Vol. 202, No. 1–3, pp. 536–542, (2008)