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생체 수산화인회석을 기반으로 한 Sr 함유 유리-세라믹 합성물의 개발 및 특성화

초록

수산화인회석을 기반으로 한 복합 재료는 뼈 조직 공학에 널리 사용됩니다. Ca/Sr 특정 비율의 경우 골형성 재료에 존재하는 스트론튬의 긍정적인 효과의 증거가 있습니다. Sr 2+ 추가 효과를 조사하려면 , 생체 수산화인회석 및 붕규산 나트륨 유리(50/50% wt.)를 기반으로 하는 재료 구성에 이를 도입하여 연구가 이루어졌습니다. 스트론튬은 1중량%의 양으로 조성물에 도입되었다. 복합 재료는 780°C의 최종 소결 온도와 1시간의 소결 시간에서 얻어졌습니다. 유리상과 스트론튬 첨가가 생체 수산화인회석의 결정 격자 변화에 미치는 영향을 X선 위상 분석, IR 분광기를 이용하여 조사하였다. 또한 생리학적 용액에서 시험관 내 복합재의 거동을 연구했습니다.

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배경

수산화인회석(HA) 및 생리활성 유리를 포함한 기타 생리활성 인산칼슘 재료는 조직 공학에서 뼈 조직을 대체하는 데 사용할 수 있습니다. 천연 바이오제닉 하이드록시아파타이트(BHA)는 나노구조 물질로, 나노 및 미세구조가 뼈 조직의 미네랄 성분과 유사합니다.

조기 생산 결과가 접수되었고, 생체 및 합성 수산화인회석과 유리상을 기반으로 한 다양한 유형의 복합재가 연구되었습니다[1,2,3,4,5]. 천연 바이오제닉 하이드록시아파타이트(BHA)의 화학적 조성에는 Ca4와 같은 기타 비유기 화합물이 소량 존재하는 것으로 알려져 있습니다. O(PO4 )2 , NaCaPO4 , Ca3 (PO4 )2 , CaO, MgO 및 Al 3+ 의 흔적 , Fe 3+ , 마그네슘 2+ , Sr 2+ , K + , 시 4+ , 나 + , Cu 2+ , Zn 2+ 및 CO3 2− [6,7,8,9]. 따라서 골 형성 과정과 새로운 뼈 조직 형성에 기여할 수 있는 다양한 생리 활성 첨가제를 사용하는 BHA/유리 복합 재료도 연구하고 얻었습니다. 이 합성물은 이온 첨가제 Fe 2+ 로 합금되었습니다. /Fe 3세 이상 및 Cu 2+ [10, 11], Ce 2+ [12], Si 4+ [13], 라 3+ [14] 및 기타.

골병리 질환 분야의 현대적 문제는 호르몬 또는 기타 원인의 결과로 환자의 골 조직 밀도가 희박해지는 골다공증의 치료입니다. 그렇기 때문에 뼈 조직의 새로운 세포 형성을 자극하고 그 구조를 개선할 수 있는 새로운 생리 활성 물질을 개발하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 관점에서 인산칼슘 재료의 조성에 스트론튬 이온을 도입하면 생물 활성 특성을 향상시킬 수 있습니다[15,16,17].

생체 내 뼈 조직 재생에 사용되는 기기의 개발은 세포 모델 및 분화 과정에 중점을 두고 있습니다.

저자[15, 18]는 Sr 2+ 의 역할을 지적합니다. 전체적으로 골격 회복 과정에서 뼈 재생을 유지하는 데, 보다 구체적으로는 세포 치료에 적용합니다. 예를 들어, 스트론튬 라넬라테레는 골 형성을 자극하고 골 흡수를 억제하는 흥미로운 화합물입니다. 광범위한 스트론튬(Sr 2+ ) 시험관내 농도, 저자는 Sr 2+ 시험관 내 골유도 과정에서 PA20-h5 세포의 증식과 HA 형성을 촉진했습니다. 위에서 언급한 데이터는 Sr 2+ 의 역할을 나타냅니다. 전체적인 골격 회복 과정에서 뼈 재생을 유지하는데, 보다 구체적으로는 세포 치료에 적용됩니다.

이 연구의 저자[17]는 수용액에서 침전하는 방법에 의해 스트론튬 함유 수산화인회석(Sr-HA) 나노분말의 안정적인 현탁액을 받았습니다(스트론튬 함량은 0~100mol%). 얻은 물질에 대한 연구는 Ca 2+ 의 동형 대체에서 수산화인회석 격자에서 스트론튬의 완전한 용해도를 나타냅니다. Sr 2+ 용 . 스트론튬을 추가하면 c/a 비율이 증가합니다. triclinic 기본 세포에서. 나노분말의 형태와 크기에서 상당한 변화가 관찰되며, 여기서 c 방향으로 우세한 성장이 이루어집니다. 스트론튬 함량이 높을 경우 축이 나타납니다.

현탁액 생체 적합성 연구 데이터는 골육종 SAOS-2의 세포주를 사용한 세포의 생존력, 세포자멸사, 증식 및 형태의 관점에서 더 많은 수의 Sr을 함유하는 HA 나노입자에 대한 세포 증식 증가를 나타냅니다.>2 + , 그렇게 함으로써 실질적으로 세포의 형태에 영향을 미치지 않습니다.

이 연구에서 [19] 다기능 다공성 과립은 뼈 조직의 충전제 및 약제의 운반체로 개발되었습니다. 인간 뼈의 미네랄 부분에 가까운 조성을 가진 스트론튬 및 마그네슘 대체 물질 HA/TCP 분말 [(Ca + Sr + Mg)/P =1,62], 침전에 의해 얻은 후 열처리 및 응집해제를 거친다. 건조 및 소결은 항생제(레보플록사신) 용액으로 포화된 다공성 과립을 수용하도록 허용하고 동결시킨 다음 동결건조시켰다. 과립의 약제 방출 및 골적합성 평가는 Sr-합금 과립이 골아세포 성숙에서 가장 높은 수준의 증식 및 효과를 입증한 것으로 나타났습니다.

SBF의 표면에서 발생하는 물리-화학적 반응의 관점에서 생체 활성 유리 1393 nBG 입자의 시험관 내 거동에 대한 스트론튬 첨가제의 영향에 대한 일부 데이터가 있습니다[20]. 비합금 유리 1393 nBG와 비교하여, Sr 도입에서 인회석 형성이 느려지는 것으로 밝혀졌으며, 이는 아마도 HA 결정화에 대한 Sr 이온의 작용을 억제한 결과일 것입니다. 또한, 침전된 인산칼슘의 결정화도는 순수한 표준물질 1393 nBG에 비해 Sr 합금유리 1393 nBG의 경우 더 낮은 것으로 나타났다. 위에서 언급한 연구의 저자는 또한 HA 생리활성 유리를 형성하는 능력이 뼈 재생에서 생물학적 활성 유리의 나노 크기 입자의 적용과 관련된 표면 반응성에 대한 개념을 제공한다고 지적합니다.

연구 저자[21]가 쥐를 대상으로 생체 내에서 수행한 연구에 따르면 스트론튬 함유 거대다공성 생체 활성 유리(Sr-MBG)가 골다공증이 있는 쥐의 뼈 형성 과정과 골 흡수 감소에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. (골다공증 쥐). 조사 결과, 비합금 유리 MBG(39.33%) 및 대조군(17.50%)에 비해 (Sr-MBG)의 사용이 골 형성 증가(46.67%)로 이어지는 것으로 나타났습니다.

이 작업의 목표는 조직 공학을 위한 SrO 첨가제가 포함된 생체 수산화인회석/유리 복합 재료를 기반으로 하는 생리 활성 물질의 준비 및 조사입니다.

방법/실험

샘플 준비

붕규산 나트륨 유리(질량%:46 SiO2)가 첨가된 나노구조의 생체 수산화인회석(BHA)을 기반으로 하는 생리활성 유리-세라믹 복합재; 28 B2 O3; 26 나2 O) [11]에 설명된 대로 준비했습니다. Sr 함유 유리-세라믹 복합재를 얻기 위해 나노구조의 생체 수산화인회석(BHA)과 붕규산 나트륨 유리를 기반으로 하는 생리활성 유리-세라믹 복합재 분말을 50/50% wt의 관계로 사용하고 온도 1100°C에서 소결했습니다(소결 시작 ), 다음으로 분쇄되었습니다. 얻어진 복합재 분말을 산화스트론튬 분말(1wt.%)과 혼합하였다. 2.5g 및 11mm 직경의 BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 복합재 샘플을 형성하고 온도 780°C에서 소결했습니다.

특성화 방법

얻어진 시료의 상 조성과 구조는 X선 회절, IR 분광법, SEM으로 조사하였다.

X선 회절

X-ray 분석을 위해 X-ray diffractometer DRON-3M은 추가적인 스캐닝 컴퓨터 시스템, 구리 양극이 있는 X-ray 튜브 및 니켈 필터가 장착되어 사용되었습니다. 따라서 회절 이미지는 중간 파장 λ =1,54178 Ǻ3의 Cu-Kα 방사선의 도움으로 얻어졌습니다.

적외선 분광기

또한 파수 범위 4000–400cm − 1 에서 분광광도계 FSM 1202(TOV Infraspectr, Russia)를 사용하여 적외선(IR) 분광법으로 물질을 연구했습니다. .

구조

복합재료의 구조는 REM-106I(VAT SELMI, Ukraine)를 사용하여 주사전자현미경(SEM)으로 연구하였다.

다공도

복합 샘플의 겉보기 밀도와 전체 및 개방 다공성(Θ 그리고 Θ 작업 ). 샘플의 총 다공성(%)은 다음 공식을 사용하여 계산되었습니다.

$$ {\Theta}_{\mathrm{t}}=\left(1-{\uprho}_{\mathrm{ap}}/{\uprho}_{\mathrm{pykn}}\right)\cdotp 100, $$

여기서 ρ ap 겉보기 밀도, g/cm 3 ;

ρpykn 는 압축 재료의 비중병 밀도, g/cm 3 입니다. .

BHA ρ의 경우 pykn =3.00g/cm 3 .

개방 다공성을 결정하기 위해 샘플을 칭량하고 진공에서 에틸렌으로 포화시켰다. 포화된 샘플은 물과 공기 중에서 칭량되었습니다. 샘플의 개방 다공성(%)은 다음 공식으로 계산되었습니다.

$$ {\Theta}_{\mathrm{op}}=\left({\mathrm{m}}_1-\mathrm{m}\right)\cdotp {\uprho}_{\mathrm{w}/} \left({\mathrm{m}}_1-{\mathrm{m}}_2\right)\cdotp {\uprho}_{\mathrm{liq}}, $$

m 공기 중 샘플 중량, g;

1 공기 중 포화 샘플 중량, g;

2 물에 포화된 샘플 무게, g;

ρ 는 물의 밀도, g/cm 3 입니다.;

ρ 포화 액체(에틸렌)의 밀도, g/cm 3 .

샘플의 닫힌 다공성은 다음 공식으로 계산되었습니다.

$$ {\Theta}_{\mathrm{cal}}={\Theta}_{\mathrm{t}}-{\Theta}_{\mathrm{op}} $$

체외 생체 활성 테스트

다공성 샘플의 시험관 내 용해도 조사는 36.5 ± 0.5°C의 온도 조절 장치에 2, 5, 7일 노출 후 1:30의 고체/액체 비율로 등장성 식염수(0.9% NaCl)에서 수행되었습니다. 0.0001g의 정확도로 분석 저울 "OHAUS Pioneer PA214C"(OHAUS Corporation, 중국)의 질량 손실 측정에 의해.

결과 및 토론

초기 BHA와 준비된 복합재료의 상조성에 대한 연구 결과는 Fig. 1, 2, 3 및 4. HA가 BHA/유리 복합 재료에서 상 구성을 유지한다는 것이 확인되었습니다.

<사진>

초기 BHA에 대한 XRD 패턴

<그림>

BHA-유리 합성물의 XRD 패턴과 주요 상의 가장 강렬한 피크 표기

<사진>

BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 합성물에 대한 XRD 패턴

<그림>

평면 (211), (112), (300) 및 (202)에 대한 BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 복합재에 대한 XRD 패턴

초기 분말 BGA는 PDF 파일 72-1243(표 JCPDS)에 해당하는 회절 이미지를 보여줍니다(그림 1). 표시된 표준 회절 이미지는 주기가 а인 육각형 기본 결정 격자를 갖는 결정에 속합니다. =9432 및 с =6881 Å. 기간 계산은 2θ =24 ° 범위에 있는 피크 (002), (211), (300), (222) 및 (213)을 사용하여 수행됩니다. –52 ° . 따라서 이러한 결정의 기본 결정 셀의 부피는 530,496 Ǻ 3 과 같습니다. , 표준 파일 값에 표시된 것과 미미하게 다릅니다. – 530.14 Ǻ 3 .

복합 BHA/유리에 비정질상의 존재를 희생시키면서 액상 소결 과정이 발생합니다. 유리상 성분과 ВНА의 활성 상호 작용의 결과로 새로운 결정상의 형성이 발생합니다. XPA의 결과에 의해 BHA/유리 복합체의 기본 결정상이 결정되었습니다(그림 2). 얻어진 복합재료가 이질적인 재료임을 확인하였다. 다음 단계는 가장 집중적인 피크로 표시됩니다. Ca10 (PO4 )6 (OH)2 , 나2 Ca33 O10 , Ca2 SiO4 , 나4 SiO4 , 나2 BO2 .

결정 셀의 부피는 완전성에 따라 달라집니다. 즉, 수산화인회석의 일부를 형성하는 이온으로 적절하게 채워집니다. 기초 HA 세포의 구조적 특징은 충분히 깊이 연구된다[9, 22, 23]. 기존 데이터를 사용하여 평면(004)은 구성에 인, 산소 및 칼슘 원자를 포함하는 반면 평면(211)은 산소 원자 및 (202)- 이온 СаII로 구성되어 있다고 말할 수 있습니다. 2+ . 주요 산소량은 정사면체 РО4의 구성에 있습니다. 3− . 상대 강도는 소산의 원자 인자에 의존하기 때문에(다른 요소는 동일), 피크의 상대 강도(202)-I (202) / (211) 이온의 공석 수의 변화를 간접적으로 증언할 수 있습니다. Са 2+ 또는 그들의 부재. Cu-K에 대한 원자 산란 인자는 α Са 2+ 에 대해 sinθ/λ=0.5에서의 복사 이온은 8.1과 같고 Sr 2+ 의 경우 이온 – 19.6 [24]. 이온 교체 Са 2+ Sr 2+ 용 이온은 기간을 늘립니다 а 그리고 с 수산화인회석의 결정 격자 [25]. 따라서 위의 대체가 고용체 Ca10−x의 공식으로 이어진다면 Sr x (PO4 )6 (OH)2 , 여기서 х =1, 기본 결정 셀의 부피는 ~ 540 Ǻ 3 값을 초과합니다. .

BHA/유리 조성에 1질량%의 스트론튬 산화물을 도입하면 복합재의 상 조성이 실질적으로 변화하지 않습니다. 이것은 강도의 변화 없이 하나의 다이어그램에 있는 회절 이미지를 비교하여 알 수 있습니다(그림 3 및 4).

그러나 BHA/유리와 BHA/유리-Sr 피크의 중심 위치에 차이가 있을 뿐만 아니라 BHA/유리-Sr에서 피크 강도의 감소와 큰 각도의 측면으로의 이동이 있습니다(그림 2a). 4). 아마도 BHA/유리에 스트론튬을 도입하면 비합금 복합재에 비해 결정상의 수가 감소할 뿐만 아니라 결정상이 비정질( 그림 3). 그림 4에서 ВНА의 주요 피크는 각도 범위 2θ에서 확장되고 수직선으로 지정됩니다.

결정의 내부 부피는 무결함 수산화인회석 Ca10의 조성에 따라 계산되었습니다. (PO4 )6 (OH)2 , PDF 파일 72-1243(표 JCPDS)에 해당합니다. XPA 결과에 의한 결정 격자 치수 계산은 기간 а의 변화를 나타냅니다. 그리고 с , 그리고 격자의 부피도 포함됩니다(표 1). 복합재 성분과의 상호작용이 심할 경우 스트론튬은 결정구조의 열화를 유발하여 면간 거리를 감소시키고 이에 따라 BHA 소결정질 셀의 부피를 감소시킴을 알 수 있다. 저자의 작업[25]에 제공된 데이터는 격자의 기본 매개변수(а 기간)의 증가를 가리킵니다. 그리고 с , 결정 격자의 부피) НА에서 Sr의 졸-겔 대체에서 НА. 그러나 위에서 언급했듯이 우리가 연구한 물질은 생체 수산화인회석을 기반으로 하며 50%의 유리상을 포함합니다. 아마도 유리상과 ВНА의 상호 작용에서 새로운 결정상의 형성이 일어나며(그림 2), 이론적으로 Са/Р 비율의 변화로 이어질 수 있고 공석 형성에 영향을 미칠 수 있습니다. Са 2 + . 이러한 변경으로 마침표가 변경될 수 있습니다. а , с , 및 기본 격자의 부피(표 1). BHA/유리 합성물에 스트론튬을 추가로 도입하면 HA 기본 격자의 매개변수에 대한 영향이 증가합니다.

알려진 바와 같이 [26] 수산화인회석 스펙트럼은 약 1040 및 570cm − 1 밴드의 두 집중 그룹으로 특징지어집니다. .

BHA와 붕규산 나트륨 유리 기반의 복합재 흡수에 대한 IR 스펙트럼 분석은 이러한 시스템에서 BHA와 붕규산 나트륨 유리의 스펙트럼이 중첩되는 것이 일반적임을 보여줍니다(그림 5). HA 및 붕규산 나트륨 유리를 기반으로 하는 복합 재료의 IR 주파수의 완전한 할당은 작업 [27]에서 설명했습니다. 이러한 조성에 1% 스트론튬을 도입하면 ν ~ 1050–700 cm − 1 범위에서 연구된 IR 스펙트럼 및 형태의 변화, 흡수 대역의 주파수의 모든 흡수 대역이 크게 확장됩니다. 및 ν ~ 1045cm − 1 에서 밴드 이동 초기 BHA에 비해 장파장 측으로 이동합니다(그림 5). 이러한 변화는 연구된 구성 시스템에 스트론튬을 첨가한 영향과 관련될 수 있습니다. 그러나 연구된 구성에서 흡수 밴드 발현 영역의 중첩은 명확한 해석을 어렵게 만듭니다. 혼합 원자 및 기타 결함의 존재는 진동하는 IR 스펙트럼에 실질적으로 영향을 미친다는 점에 유의해야 합니다. 조사된 표본에서 СО2의 존재 대기 및 소량의 잔류 유기 반응 생성물(1900–2000cm −1 )가 관찰됩니다.

<그림>

BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 합성물에 대한 IR 스펙트럼

총 기공률과 그 개방 및 폐쇄 분획에 대한 조사 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 복합 BHA/유리-Sr의 총 기공률은 복합 BHA/유리의 총 기공률을 실질적으로 2배 초과하고 61%에 도달할 수 있음을 보여줍니다. . 이러한 높은 다공성은 복합재가 뼈 조직의 구조적 유사체가 되도록 하며, 전체 다공성은 55-70% 범위입니다[7]. 여기에서 스트론튬으로 도핑된 복합 재료의 개방 다공성 비율도 도핑되지 않은 복합 재료보다 높습니다. 스트론튬을 도입하면 개방 다공성이 6%에서 10%로 증가합니다(그림 6).

<그림>

BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 복합재의 다공성 구조

우리의 경우, 스트론튬이 준비된 복합 재료에 도입되었는데, 이는 아마도 실리콘-산소 프레임워크의 구조가 약화되면서 유리상의 조성 변화를 수반했을 것입니다. 위와 같은 과정의 결과 소결에서 확산과정을 결정짓는 기본인자인 점도를 감소시켜[28], 결정성 유리복합체의 발포를 유발한다. 그리고 그 결과 아마도 ВНА/유리 표면의 상호작용 증가로 이어질 것입니다. 즉, ВНА와 유리 상 사이의 이온 교환이 증가합니다. 아마도 그것은 ВНА의 구조에서 스트론튬 이온에 대한 칼슘 이온의 부분적인 대체로 이어지며, 칼슘 이온이 유리 상으로 후속적으로 전이되어 새로운 결정상이 형성되어 결정 격자뿐만 아니라 전체 합성물의 구조.

그림 7은 연구된 복합재의 표면과 파괴의 미세 구조를 나타냅니다. 주어진 현미경 사진에서 우리는 BHA/유리 및 BHA/유리-Sr의 구조가 물질의 액상 소결의 일부 특성을 희생하여 형성되는 매트릭스 구조를 특징으로 할 수 있음을 알 수 있습니다. 여기에서 붕규산나트륨 유리상은 수산화인회석의 결정 입자가 있는 "프레임워크"를 만듭니다. 이때 기공 크기는 1~600μ의 넓은 범위를 구성합니다. BHA/유리 및 BHA/유리-Sr의 재료에서 크기가 다른 기공의 가용성은 기공 형성의 다른 특성과 관련이 있다고 생각합니다. 여유 공간; 크기가 100μ 미만인 기공—최종 소결에서 유리 덩어리 발포를 희생[10]. 복합재 구조의 덩어리는 크기가 0.2μ보다 큰 입자로 형성됩니다. 여기 표면에서 횡단면이 1~4μ이고 BHA/유리-Sr의 경우 길이가 30μ에 달하는 뚜렷한 모양과 크기를 가진 결정의 덩어리 형태를 명확하게 볼 수 있습니다. 이 과정에서 이러한 결정 덩어리의 형성은 복합 시편의 표면에서만 관찰됩니다.

<그림>

BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 복합재의 미세구조

전체적으로 시료 내부의 미세구조가 다공성임이 분명하다. 즉, 다중 크기의 기공이 존재하는 것이 특징이며, 이는 인간 유기체 매체와의 직접적인 접촉.

연구된 모든 복합 재료의 식염수 노출 2, 5, 7일 후 시험관 내 조사에서 BHA/유리-Sr 복합 재료의 용해도가 BHA/유리 복합 재료보다 높은 것으로 나타났습니다(그림 8). 그림 8에서 보는 바와 같이 BHA/유리-Sr 복합재 시편의 생리용해율은 BHA/유리복합재의 생리용해시간에 따라 2~4배 이상 차이가 난다. BHA/유리-Sr 복합재는 생리학적 용액에 2일 체류한 후 가장 높은 용해율을 기록하며 0.19% 질량/일을 구성합니다. 복합 재료에 대한 용해 속도의 역학 특성은 두 유형의 복합 재료에 따라 다릅니다.

<그림>

BHA/유리 및 BHA/유리-Sr 복합재의 염수 용해율(2, 5, 7일)

따라서 두 가지 유형의 복합 재료에서 유리상의 함량이 실질적으로 동일하기 때문에 용해에 대한 양의 영향도 유사합니다. 따라서 얻은 결과는 BHA/유리-Sr 복합 재료의 훨씬 더 높은 다공성뿐만 아니라 BHA/유리 복합 재료에 비해 개방 다공성의 더 큰 비율로 인해 발생할 수 있습니다.

얻은 복합 재료는 환자 뼈 조직의 일부 결함 영역을 대체하기 위해 의학에 적용할 수 있습니다. 얻어진 물질의 광범위한 기공 크기의 가용성으로 인해 인간 골격의 다양한 영역에서 사용할 수 있습니다.

결론

새로운 스트론튬 도핑 복합 재료는 생체 수산화인회석과 유리 상을 기반으로 합니다. XPA는 얻어진 복합재료가 이질적인 재료임을 보여주었다. BHA/유리 복합재료에서 합금첨가제인 유리상과 스트론튬의 함량은 BHA 소세포의 매개변수 변화에 영향을 미치며, 이는 수산화인회석의 결정격자의 감소로 이어진다. 또한 BHA/glass-Sr 복합재는 환자의 뼈 조직의 결함 부위를 대체하기 위한 의약에서 사용되는 원근법 재료로 얻은 복합재를 만드는 생리학적 용액에서 더 높은 다공성과 더 높은 용해율을 갖는다는 것이 확인되었습니다.


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