Desenvolvimento e caracterização de compostos de cerâmica de vidro contendo Sr com base em hidroxiapatita biogênica

Resumo

Os materiais compostos à base de hidroxiapatita são amplamente usados para a engenharia de tecido ósseo. Há evidências de um efeito positivo da presença de estrôncio em materiais osteoplásticos no caso de uma certa relação Ca / Sr. Para examinar o efeito da adição de Sr ²⁺ , foi feito um estudo introduzindo-o na composição do material à base de hidroxiapatita biogênica e vidro de borossilicato de sódio (50/50% wt.). O estrôncio foi introduzido na composição em uma quantidade de 1% em peso. Os materiais compósitos foram obtidos em temperaturas finais de sinterização de 780 ° C e um tempo de sinterização de 1 h. O efeito das adições de fase vítrea e estrôncio afetam as mudanças na estrutura cristalina da hidroxiapatita biogênica foi investigado com o auxílio da análise de fase de raios-X, espectroscopia de infravermelho. Também foi estudado o comportamento de compósitos in vitro em solução fisiológica.

Histórico

A hidroxiapatita (HA) e outros materiais de fosfato de cálcio bioativo, incluindo vidro bioativo, podem ser usados na engenharia de tecidos para substituir o tecido ósseo. A hidroxiapatita biogênica natural (BHA) é um material nanoestrutural, nano, e sua microestrutura é análoga ao componente mineral do tecido ósseo.

Os primeiros resultados da produção foram recebidos, e vários tipos de compósitos à base de hidroxiapatita biogênica e sintética e fase de vidro foram estudados [1,2,3,4,5]. Sabe-se que, na composição química da hidroxiapatita biogênica natural (BHA), existem pequenas quantidades de outros compostos não orgânicos, como Ca ₄ O (PO ₄ ) ₂ , NaCaPO ₄ , Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ , CaO e MgO, bem como traços de Al ³⁺ , Fe ³⁺ , Mg ²⁺ , Sr ²⁺ , K ⁺ , Si ⁴⁺ , Na ⁺ , Cu ²⁺ , Zn ²⁺ e CO ₃ ²⁻ [6,7,8,9]. Portanto, compósitos de BHA / vidro com a utilização de diversos aditivos bioativos que podem contribuir nos processos de osteogênese e formação de novo tecido ósseo também foram estudados e obtidos. Esses compostos foram ligados por aditivos iônicos Fe ²⁺ / Fe ³⁺ e Cu ²⁺ [10, 11], Ce ²⁺ [12], Si ⁴⁺ [13], La ³⁺ [14], e outros.

Um problema moderno no campo das doenças da patologia óssea é o tratamento da osteoporose, que é a rarefação da densidade do tecido ósseo do paciente como resultado de causas hormonais ou outras. Por isso, é bastante relevante o desenvolvimento de novos materiais bioativos que possam estimular a formação de novas células do tecido ósseo e melhorar sua estrutura. Deste ponto de vista, a introdução de íons de estrôncio na composição de materiais de fosfato de cálcio pode melhorar suas propriedades bioativas [15,16,17].

O desenvolvimento de instrumentos usados para regeneração do tecido ósseo in vivo está focado em modelos celulares e processos de diferenciação.

Os autores [15, 18] apontam para o papel do Sr ²⁺ na manutenção da regeneração óssea durante o processo de restauração do esqueleto como um todo e, mais especificamente, na aplicação da terapia celular. Por exemplo, o estrôncio ranelatere apresenta-se como um composto interessante que estimula a formação óssea e inibe a reabsorção óssea. Na estimativa do efeito da ampla faixa de estrôncio (Sr ²⁺ ) concentração in vitro , os autores estabeleceram que Sr ²⁺ promoveu a proliferação de células PA20-h5, bem como a formação de HA no decorrer da osteoindução in vitro. Os dados mencionados acima apontam para a função de Sr ²⁺ na manutenção da regeneração óssea durante o processo de restauração do esqueleto como um todo e, mais especificamente, na aplicação da terapia celular.

Os autores deste trabalho [17] receberam suspensões estáveis de nanopós de hidroxiapatita contendo estrôncio (Sr-HA) pelo método de precipitação em solução aquosa (teor de estrôncio na quantidade de 0 a 100 mol%). Estudos de materiais obtidos apontam para a completa solubilidade do estrôncio em rede de hidroxiapatita em substituição isomórfica de Ca ²⁺ para Sr ²⁺ . A adição de estrôncio é responsável pelo aumento da proporção c / a na célula elementar triclínica. Uma mudança significativa na forma e no tamanho dos nanopós é observada, em que um crescimento predominante é na direção ao longo de c eixo manifestado em caso de maior conteúdo de estrôncio.

Os dados dos estudos de biocompatibilidade das suspensões, do ponto de vista da viabilidade das células, apoptose, proliferação e morfologia com o uso da linha celular do osteossarcoma SAOS-2 apontam para o aumento da proliferação de células por nanopartículas de HA contendo maior número de Sr ^{2 +} , ao fazê-lo, praticamente não tem efeito na morfologia das células.

No trabalho [19], grânulos porosos multifuncionais foram desenvolvidos como preenchedores de tecido ósseo e carreadores de agentes medicinais. Pós de estrôncio e material substituído por magnésio HA / TCP com composições próximas à parte mineral do osso humano [(Ca + Sr + Mg) / P =1,62], foram obtidos por precipitação, depois submetidos a tratamento térmico e desaglomeração. A secagem e sinterização permitiram o recebimento de grânulos porosos saturados com solução de antibiótico (levofloxacina), congelados e posteriormente liofilizados. A estimativa da liberação do agente medicinal e da osteocompatibilidade dos grânulos mostrou que os grânulos com liga de Sr demonstraram os níveis mais elevados de proliferação e eficácia na maturação osteoblástica.

Existem alguns dados sobre a influência do aditivo de estrôncio no comportamento das partículas de vidro bioativo 1393 nBG in vitro, do ponto de vista das reações físico-químicas que ocorrem em sua superfície no SBF [20]. Em comparação com o vidro não ligado 1393 nBG, descobriu-se que a formação de apatita é retardada na introdução de Sr que, provavelmente, é o resultado da ação inibidora de íons de Sr na cristalização de HA. Além disso, foi revelado que a cristalinidade do fosfato de cálcio precipitado era menor no caso de vidro com liga de Sr 1393 nBG em comparação com um material padrão puro 1393 nBG. Os autores do trabalho supracitado também apontam que a capacidade de formar vidros bioativos HA dá a noção sobre sua reatividade superficial que tem relação com a aplicação das nanopartículas de vidro biologicamente ativo na regeneração óssea.

Estudos realizados in vivo em ratos pelos autores do trabalho [21] demonstraram impacto positivo do vidro bioativo macroporoso contendo estrôncio (Sr-MBG) no processo de formação óssea, bem como na diminuição da reabsorção óssea em ratos com osteoporose (ratos osteoporóticos). A investigação demonstrou que o uso de (Sr-MBG) leva ao aumento da formação óssea (46,67%) em comparação com o vidro não ligado MBG (39,33%) e o grupo controle (17,50%).

O objetivo do trabalho é a preparação e investigação de materiais bioativos à base de hidroxiapatita biogênica / compósito de vidro com aditivo SrО para engenharia de tecidos.

Métodos / Experimental

Preparação da amostra

Compósitos de vitrocerâmica bioativos baseados em hidroxiapatita biogênica nanoestruturada (BHA) com adição de vidro de borosilicato de sódio (% em massa:46 SiO ₂; 28 B ₂ O ₃; 26 Na ₂ O) foram preparados conforme descrito em [11]. Para a obtenção de amostras de compósitos vitrocerâmicos contendo Sr foram utilizados pós de compósitos vitrocerâmicos bioativos à base de hidroxiapatita biogênica nanoestruturada (BHA) e vidro de borosilicato de sódio na relação 50/50% em peso e sinterizado na temperatura de 1100 ° C (início da sinterização ), então foram esmagados. Os pós obtidos dos compósitos foram misturados com pó de óxido de estrôncio (1% em peso). As amostras de compósitos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr de 2,5 ge 11 mm de diâmetro foram formadas e sinterizadas nas temperaturas de 780 ° C.

Métodos de caracterização

A composição de fase e a estrutura das amostras obtidas foram estudadas por difração de raios X, espectroscopia de infravermelho e MEV.

Difração de raios-X

Para análise de raios X, foi utilizado o difratômetro de raios X DRON-3M equipado com sistema computacional adicional de varredura, tubo de raios X com ânodo de cobre e filtro de níquel. Assim, imagens de difração foram obtidas com o auxílio da radiação Cu – Kα com comprimento de onda médio λ =1,54178 Ǻ3.

Espectroscopia IV

Além disso, os materiais foram estudados por espectroscopia de infravermelho (IR) usando um espectrofotômetro FSM 1202 (TOV Infraspectr, Rússia) na faixa de número de onda de 4000–400 cm ^{- 1} .

Estrutura

A estrutura dos compósitos foi estudada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) usando um REM-106I (VAT SELMI, Ucrânia).

Porosidade

As amostras compostas foram examinadas quanto à densidade aparente e porosidade total e aberta ( Θ _t e Θ _op ) A porosidade total das amostras (%) foi calculada usando a seguinte fórmula:
$$ {\ Theta} _ {\ mathrm {t}} =\ left (1 - {\ uprho} _ {\ mathrm {ap}} / {\ uprho} _ {\ mathrm {pykn}} \ right) \ cdotp 100, $$
onde ρ _ap é a densidade aparente, g / cm ³ ;

ρ _pykn é a densidade picnométrica de material compacto, g / cm ³ .

Para BHA ρ _pykn =3,00 g / cm ³ .

Para determinar a porosidade aberta, uma amostra foi pesada e saturada com etileno em vácuo. As amostras saturadas foram pesadas na água e no ar. A porosidade aberta das amostras (%) foi calculada pela fórmula:
$$ {\ Theta} _ {\ mathrm {op}} =\ left ({\ mathrm {m}} _ 1- \ mathrm {m} \ right) \ cdotp {\ uprho} _ {\ mathrm {w} /} \ left ({\ mathrm {m}} _ 1 - {\ mathrm {m}} _ 2 \ right) \ cdotp {\ uprho} _ {\ mathrm {liq}}, $$
onde m é o peso da amostra no ar, g;

m ₁ é o peso da amostra saturada no ar, g;

m ₂ é o peso da amostra saturada em água, g;

ρ _w é a densidade da água, g / cm ³ ;

ρ _liq é a densidade do líquido saturante (etileno), g / cm ³ .

A porosidade fechada das amostras foi calculada pela seguinte fórmula:
$$ {\ Theta} _ {\ mathrm {cal}} ={\ Theta} _ {\ mathrm {t}} - {\ Theta} _ {\ mathrm {op}} $$

Teste de bioatividade in vitro

A investigação da solubilidade in vitro de amostras porosas foi realizada em solução salina isotônica (NaCl 0,9%) na proporção sólido / líquido de 1:30 após 2, 5 e 7 dias de exposição em um termostato a 36,5 ± 0,5 ° C seguido por determinação da perda de massa em uma balança analítica “OHAUS Pioneer PA214C” (OHAUS Corporation, China) com uma precisão de 0,0001 g.

Resultados e discussão

Os resultados do estudo da composição da fase do BHA inicial e dos compósitos preparados são mostrados nas Figs. 1, 2, 3 e 4. Foi estabelecido que o HA mantém sua composição de fases em BHA / compósitos de vidro.

Padrões de XRD para BHA inicial

Padrão de XRD do compósito de vidro BHA com a notação dos picos mais intensos das fases principais

Padrões de XRD para os compostos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr.

Padrões de XRD para ambos os compostos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr para planos (211), (112), (300) e (202)

O pó inicial BGA demonstra uma imagem de difração correspondente ao arquivo PDF 72-1243 (Tabelas JCPDS) (Fig. 1). A imagem de difração padrão indicada pertence a cristais com estrutura cristalina hexagonal primitiva com períodos de à =9432 e с =6881 Å. O cálculo dos períodos é realizado com o uso dos picos (002), (211), (300), (222) e (213), situando-se na faixa de 2θ =24 ^° –52 ^° . Consequentemente, o volume da célula de cristal elementar de tais cristais é igual a 530.496 Ǻ ³ , que difere insignificantemente do indicado no valor do arquivo padrão - 530.14 Ǻ ³ .

À custa da presença de fase amorfa no compósito BHA / vidro, ocorre um processo de sinterização em fase líquida. Como resultado da interação ativa de componentes da fase de vidro e ВНА, uma formação de novas fases de cristal ocorre. Pelos resultados do XPA foram determinadas as fases básicas do cristal de BHA / compósito de vidro (Fig. 2). Foi estabelecido que os compósitos obtidos são materiais heterogêneos. As seguintes fases são apresentadas com os picos mais intensos:Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ , Na ₂ Ca ₃ Si ₃ O ₁₀ , Ca ₂ SiO ₄ , Na ₄ SiO ₄ , Na ₂ BO ₂ .

O volume da célula cristalina depende da sua perfeição, isto é, o enchimento adequado com iões que fazem parte da hidroxiapatite. As características estruturais das células elementares de HA são estudadas suficientemente profundamente [9, 22, 23]. Usando os dados existentes, podemos afirmar que um plano (004) possui em sua composição átomos de fósforo, oxigênio e cálcio, enquanto um plano (211) é formado com átomos de oxigênio e (202) - com íons Са _II ²⁺ . A principal quantidade de oxigênio está na composição dos tetraedros РО ₄ ³⁻ . Uma vez que a intensidade relativa depende do fator atômico de dissipação (outros fatores são idênticos), uma intensidade relativa de pico (202) - I ₍₂₀₂₎ / eu ₍₂₁₁₎ pode testemunhar indiretamente sobre as mudanças no número de vagas em íons Са ²⁺ ou sua ausência. Deve-se notar que o fator de espalhamento atômico para Cu- K _α radiação em senθ / λ =0,5 para Са ²⁺ íons é igual a 8,1 e para Sr ²⁺ íons - 19,6 [24]. Substituição de íons Са ²⁺ para Sr ²⁺ íons aumentam os períodos а e с de rede cristalina em hidroxiapatita [25]. Então, se a substituição acima levar a uma fórmula de solução sólida Ca _{10− x} Sr _x (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ , onde х =1, então um volume da célula de cristal elementar excede o valor ~ 540 Ǻ ³ .

A introdução de óxido de estrôncio na quantidade de 1% em massa na composição de BHA / vidro não altera substancialmente a composição de fase dos compósitos; isso pode ser visto na comparação das imagens de difração, localizadas em um diagrama sem qualquer alteração de intensidade (Figs. 3 e 4).

No entanto, existem diferenças na posição dos centros dos picos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr, bem como a diminuição na intensidade dos picos e seu deslocamento para o lado de grandes ângulos em BHA / vidro-Sr (Fig. 4). Provavelmente, essa introdução de estrôncio em BHA / vidro leva à diminuição do número de fases de cristal em comparação com um compósito não ligado, bem como contribui para a formação da estrutura cristalina do compósito em detrimento da transição das fases de cristal para amorfo ( Fig. 3). Na Fig. 4, os principais picos de ВНА são dados, os quais são expandidos na faixa angular 2θ e designados com linhas verticais.

O volume interno do cristal foi calculado de acordo com a composição de hidroxiapatita perfeita Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ , correspondendo ao arquivo PDF 72-1243 (Tabelas JCPDS). Cálculo realizado das dimensões das redes cristalinas pelos resultados do XPA indica as mudanças nos períodos а e с , e também o volume da rede (Tabela 1). É evidente que no caso de interação intensiva com os componentes do compósito, o estrôncio causa uma degradação da estrutura cristalina, leva à diminuição das distâncias interplanares e, consequentemente, diminuição do volume da célula de cristal elementar do BHA. Dados fornecidos no trabalho dos autores [25] apontam para o aumento dos parâmetros básicos da rede (períodos de а e с , volume da estrutura cristalina) НА na substituição sol-gel de Sr em НА. No entanto, como foi afirmado acima, o material que estudamos é baseado na hidroxiapatita biogênica e contém 50% em massa da fase de vidro. Provavelmente, na interação de ВНА com a fase vítrea ocorre a formação de novas fases cristalinas (Fig. 2), as quais, teoricamente, podem levar à mudança da razão Са / Р e exercer influência na formação de vacâncias Са ^{2 +} . Essas mudanças podem levar à mudança de períodos а , с , e volume da rede elementar (Tabela 1). A introdução adicional de estrôncio em BHA / compósito de vidro aumenta a influência nos parâmetros da rede elementar HA.

Como é conhecido [26], o espectro da hidroxiapatita é caracterizado com dois grupos intensivos de bandas de cerca de 1040 e 570 cm ^{- 1} .

A análise dos espectros de infravermelho da absorção de compósitos na base de BHA e vidro de borossilicato de sódio mostra que, para tal sistema, uma sobreposição de espectros de BHA e vidro de borossilicato de sódio é típica (Fig. 5). Uma atribuição completa de frequências de infravermelho de compósitos à base de HA e vidro de borosilicato de sódio, foi descrita no trabalho [27]. A introdução de 1% de estrôncio em tal composição leva a uma expansão significativa de todas as bandas de absorção do espectro de IV estudado e mudança de forma, frequências de bandas de absorção na faixa de ν ~ 1050–700 cm ^{- 1} e mudança de banda de ν ~ 1045 cm ^{- 1} para um lado de comprimento de onda longo em comparação com o BHA inicial (Fig. 5). Tais mudanças podem estar associadas à influência da adição de estrôncio no sistema de composição estudado. Porém, superposições de áreas de manifestação das bandas de absorção na composição estudada dificultam a interpretação inequívoca. Deve-se notar que a presença de átomos misturados e outros defeitos influenciam substancialmente nos espectros de IV oscilantes. Nas amostras investigadas, presença de СО ₂ da atmosfera e uma pequena quantidade de produtos orgânicos residuais de reação (1900-2000 cm ⁻¹ ) são observados.

Espectros de IV para os compostos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr.

Os resultados da investigação para a porosidade total e suas frações aberta e fechada são apresentados na Fig. 6. É mostrado que a porosidade total dos compósitos BHА / vidro-Sr praticamente em 2 vezes excede a dos compósitos BHA / vidro e pode chegar a 61%. . Essa alta porosidade permite que o compósito se torne um análogo estrutural do tecido ósseo, cuja porosidade total está na faixa de 55-70% [7]. Aqui, a parcela de porosidade aberta para compósitos dopados com estrôncio também é maior do que para compósitos não dopados. Na introdução do estrôncio, a porosidade aberta aumenta de 6 a 10% (Fig. 6).

Estrutura de porosidade de ambos os compósitos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr.

No nosso caso, o estrôncio foi introduzido no material compósito preparado que, provavelmente, envolveu uma mudança na composição da fase do vidro com enfraquecimento na estrutura da estrutura de silício-oxigênio. Como resultado dos processos acima, diminui a viscosidade que é o fator básico que determina os processos de difusão na sinterização [28] e causa a formação de espuma no compósito de vidro cristalino. E como resultado, provavelmente, leva ao aumento da interação na superfície de ВНА / vidro, ou seja, a troca iônica entre ВНА e a fase de vidro é aumentada. Provavelmente, isso leva a uma substituição parcial de íons de cálcio por íons de estrôncio na estrutura de ВНА, com subsequente transição de íons de cálcio para a fase de vidro com formação de novas fases de cristal que leva às mudanças subsequentes não apenas na estrutura cristalina, mas também na estrutura de todo o composto.

A Figura 7 representa a microestrutura de superfície e fratura dos compósitos estudados. A partir das microfotografias fornecidas, podemos ver que a estrutura do BHA / vidro e BHA / vidro-Sr pode ser caracterizada pela estrutura da matriz que é formada à custa de algumas características da sinterização da fase líquida do material. Aqui, a fase de vidro de borosilicato de sódio cria uma “estrutura”, na qual existem partículas de cristal de hidroxiapatita. Ao fazer isso, um tamanho de poro compõe uma ampla faixa de 1 a 600 μ. A disponibilidade de poros de diferentes tamanhos no material de BHA / vidro e BHA / vidro-Sr está associada, em nossa opinião, a diferentes naturezas de formação de poros:poros com tamanho de 100-600 μ são formados à custa de intergranular espaços livres; poros com tamanho inferior a 100 μ - às custas da formação de espuma de massa de vidro na sinterização final [10]. Os aglomerados na estrutura do compósito são formados por partículas com tamanho> 0,2 μ. Aqui, na superfície, vemos claramente formações aglomeradas de cristais com formas e tamanhos distintos de 1 a 4 μ na seção transversal, e que chegam a 30 μ de comprimento para BHA / Glass-Sr. No processo, a formação desses aglomerados de cristais é observada exclusivamente na superfície dos corpos-de-prova compostos.

Microestrutura de ambos os compósitos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr.

De maneira geral, fica evidente que a microestrutura da parte interna das amostras é polporosa, ou seja, caracteriza-se pela presença de poros de múltiplas dimensões, o que é promissor tendo em vista a obtenção de altas propriedades de reabsorção de biocerâmicas sob contato direto com meios de comunicação do organismo humano.

A investigação in vitro após 2, 5 e 7 dias de exposição a solução salina de todos os compósitos estudados revelou que a solubilidade dos compósitos BHA / vidro-Sr é maior do que os compósitos BHA / vidro (Fig. 8). Como pode ser visto na Fig. 8, a taxa de dissolução de amostras compostas de BHA / vidro-Sr em solução fisiológica excede a de BHA / compostos de vidro em 2–4 vezes, dependendo do tempo de permanência em solução fisiológica. A maior taxa de dissolução é registrada para compósitos BHA / vidro-Sr após 2 dias de permanência em solução fisiológica e constitui 0,19% da massa / dia. A natureza da dinâmica da taxa de dissolução para os compósitos difere para os dois tipos de compósitos.

Taxa de dissolução em solução salina de ambos os compostos BHA / vidro e BHA / vidro-Sr (2, 5, 7 dias)

Como o conteúdo da fase vítrea em ambos os tipos de compósitos é praticamente idêntico, portanto, a influência de sua quantidade na dissolução também será análoga. Assim, os resultados obtidos podem ser causados pela porosidade significativamente maior dos compósitos BHA / vidro-Sr, bem como pela maior proporção de porosidade aberta em comparação aos compósitos BHA / vidro.

Os compósitos obtidos podem ser aplicados na medicina para substituir algumas áreas defeituosas do tecido ósseo dos pacientes. A disponibilidade de uma ampla gama de tamanhos de poros nos materiais obtidos permite usá-los em várias regiões do esqueleto humano.

Conclusões

Novos materiais compósitos dopados com estrôncio são obtidos à base de hidroxiapatita biogênica e fase de vidro. O XPA mostrou que os compósitos obtidos são materiais heterogêneos. O teor de fase vítrea e estrôncio como aditivo ligado no material compósito de BHA / vidro tem influência na alteração dos parâmetros da célula elementar de BHA, ou seja, leva à diminuição da rede cristalina da hidroxiapatita. Também foi estabelecido que o compósito BHA / glass-Sr possui uma porosidade mais alta, bem como uma maior taxa de dissolução em solução fisiológica, o que torna os compósitos obtidos como materiais de perspectiva a serem usados na medicina para substituição de áreas defeituosas do tecido ósseo dos pacientes.

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