生体ヒドロキシアパタイトに基づくSr含有ガラスセラミック複合材料の開発と特性評価

背景

ヒドロキシアパタイト（HA）およびその他の生体活性リン酸カルシウム材料（生体活性ガラスを含む）は、骨組織の代わりに組織工学で使用できます。天然の生体ヒドロキシアパタイト（BHA）は、ナノ構造の材料であり、そのナノおよびマイクロ構造は、骨組織のミネラル成分に類似しています。

以前の製造結果が得られ、生体および合成のヒドロキシアパタイトとガラス相をベースにしたさまざまなタイプの複合材料が研究されました[1,2,3,4,5]。天然の生体ヒドロキシアパタイト（BHA）の化学組成には、Ca ₄ などの他の非有機化合物が少量含まれていることが知られています。 O（PO ₄ ） ₂ 、NaCaPO ₄ 、Ca ₃ （PO ₄ ） ₂ 、CaO、MgO、および微量のAl ³⁺ 、Fe ³⁺ 、Mg ²⁺ 、Sr ²⁺ 、K ⁺ 、Si ⁴⁺ 、Na ⁺ 、Cu ²⁺ 、Zn ²⁺ 、およびCO ₃ ^2- [6,7,8,9]。したがって、骨形成および新しい骨組織の形成のプロセスに寄与することができる様々な生物活性添加剤を使用したBHA /ガラスの複合材料も研究され、得られた。これらの複合材料は、イオン添加剤Fe ²⁺ によって合金化されました。 / Fe ³⁺ およびCu ²⁺ [10、11]、Ce ^{2 +} [12]、Si ⁴⁺ [13]、La ³⁺ [14]、その他。

骨病理学の疾患の分野における現代の問題は、骨粗鬆症の治療であり、これは、ホルモンまたは他の原因の結果としての患者の骨組織の密度の希薄化である。そのため、骨組織の新しい細胞の形成を刺激し、その構造を改善できる新しい生物活性物質を開発することが非常に重要です。この観点から、リン酸カルシウム材料の組成にストロンチウムイオンを導入すると、それらの生物活性特性を改善することができます[15、16、17]。

インビボでの骨組織再生に使用される器具の開発は、細胞モデルおよび分化のプロセスに焦点を合わせています。

著者[15、18]は、Sr ²⁺ の役割を指摘しています。 全体としての骨格回復の過程で骨の再生を維持すること、より具体的には、細胞治療の適用において。たとえば、ストロンチウムranelatereは、骨形成を刺激し、骨吸収を阻害する興味深い化合物を示します。広範囲のストロンチウム（Sr ²⁺ ）invitroでの濃度、 著者らは、Sr ²⁺ invitroでの骨誘導の過程でPA20-h5細胞の増殖とHA形成を促進しました。上記のデータは、Sr ²⁺ の役割を示しています 全体としての骨格回復の過程で骨の再生を維持すること、より具体的には細胞治療の適用において。

この研究の著者[17]は、水溶液からの沈​​殿法（ストロンチウム含有量が0〜100 mol％）により、ストロンチウム含有ヒドロキシアパタイト（Sr-HA）のナノ粉末の安定した懸濁液を受け取りました。得られた材料の研究は、Ca ²⁺ の同形置換におけるヒドロキシアパタイト格子へのストロンチウムの完全な溶解度を示しています。 Sr ²⁺ の場合 。ストロンチウムの添加は、比率 c / a の増加に関与しています。 三斜晶系の初等セルで。ナノ粉末の形状とサイズに大きな変化が見られます。これに関連して、一般的な成長は c に沿った方向にあります。 ストロンチウム含有量が高い場合に現れる軸。

骨肉腫SAOS-2の細胞株を使用した細胞の生存率、アポトーシス、増殖、および形態の観点からの懸濁液の生体適合性研究のデータは、より多くのSr 2 + 、そうすることで、それは実際には細胞の形態に影響を与えません。

研究[19]では、多機能の多孔質顆粒が骨組織の充填剤および医薬品の担体として開発されました。人間の骨のミネラル部分に近い組成のストロンチウムとマグネシウムで置き換えられた材料HA / TCPの粉末[（Ca + Sr + Mg）/ P =1,62]、沈殿によって得られ、その後、熱処理と解凝集が行われました。乾燥および焼結により、抗生物質（レボフロキサシン）溶液で飽和され、凍結され、次に凍結乾燥された多孔質顆粒を受け取ることができた。顆粒の薬剤放出と骨適合性の推定は、Sr合金顆粒が骨芽細胞の成熟において最高レベルの増殖と有効性を示したことを示しています。

SBFの表面で発生する物理化学的反応の観点から、invitroでの生物活性ガラス1393nBG粒子の挙動に対するストロンチウム添加剤の影響に関するいくつかのデータがあります[20]。非合金ガラス1393nBGと比較して、Srの導入ではアパタイトの形成が遅くなることがわかりました。これは、おそらくHA結晶化に対するSrイオンの作用を阻害した結果であると考えられます。さらに、沈殿したリン酸カルシウムの結晶化度は、純粋な標準材料1393 nBGと比較して、Sr合金ガラス1393nBGの場合の方が低いことが明らかになりました。上記の研究の著者はまた、HA生物活性ガラスを形成する能力が、骨再生における生物活性ガラスのナノスケール粒子の適用に関連するそれらの表面反応性についての概念を与えることを指摘しています。

研究の著者によってラットでinvivoで実施された研究[21]は、骨粗鬆症のラットの骨形成の過程および骨吸収の減少に対するストロンチウム含有マクロポーラス生物活性ガラス（Sr-MBG）のプラスの影響を示しています。 （骨粗鬆症ラット）。調査によると、（Sr-MBG）の使用は、非合金ガラスMBG（39.33％）および対照群（17.50％）と比較して、骨形成の増加（46.67％）につながることが示されています。

この作業の目的は、組織工学用のSrО添加剤を含む生体ヒドロキシアパタイト/ガラス複合材料に基づく生物活性材料の調製と調査です。

メソッド/実験

サンプル準備

ホウケイ酸ナトリウムガラス（質量％：46 SiO ₂ ）を添加したナノ構造の生物起源ヒドロキシアパタイト（BHA）に基づく生物活性ガラス-セラミック複合材料; 28 B ₂ O ₃ ; 26 Na ₂ O）[11]に記載されているように調製した。 Sr含有ガラスセラミック複合材料を得るために、ナノ構造の生物起源ヒドロキシアパタイト（BHA）と50/50％wtの関係のボロケイ酸ナトリウムガラスに基づく生物活性ガラスセラミック複合材料の粉末を使用し、1100°Cの温度で焼結しました（焼結開始） ）、その後、粉砕されました。得られた複合材料の粉末を酸化ストロンチウムの粉末（1 wt。％）と混合しました。 2.5gおよび11mmの直径のBHA /ガラスおよびBHA /ガラス-Sr複合材料のサンプルが形成され、780°Cの温度で焼結されました。

特性評価方法

得られたサンプルの相組成と構造は、X線回折、IR分光法、およびSEMによって研究されました。

X線回折

X線分析には、追加の走査型コンピューターシステム、銅陽極とニッケルフィルターを備えたX線管を備えたX線回折計DRON-3Mを使用しました。したがって、回折画像は、中波長λ=1,54178Ǻ3のCu–Kα放射線の助けを借りて得られました。

IR分光法

さらに、材料は、波数範囲4000〜400 cm ^{− 1} の分光光度計FSM1202（TOV Infraspectr、ロシア）を使用した赤外線（IR）分光法によって研究されました。 。

構造

複合材料の構造は、REM-106I（VAT SELMI、ウクライナ）を使用した走査型電子顕微鏡（SEM）によって研究されました。

気孔率

複合サンプルの見掛け密度と総気孔率および開放気孔率（Θ）を調べました。 _t およびΘ _op ）。サンプルの総気孔率（％）は、次の式を使用して計算されました。

ここで、ρ _ap は見掛け密度、g / cm ³ ;

ρ _pykn コンパクトな材料のピクノメトリー密度、g / cm ³ 。

BHAの場合ρ _pykn =3.00 g / cm ³ 。

開気孔率を決定するために、サンプルを秤量し、真空中でエチレンで飽和させた。飽和サンプルは、水中および空気中で秤量されました。サンプルの開気孔率（％）は、次の式で計算されました。

ここで m は空気中のサンプル重量、g;

m ₁ は空気中の飽和サンプル重量、g;

m ₂ は水中の飽和サンプル重量、g;

ρ _w は水の密度、g / cm ³ ;

ρ _liq は飽和液体（エチレン）の密度、g / cm ³ 。

サンプルの閉鎖気孔率は、次の式で計算されました。

インビトロ生物活性試験

多孔質サンプルのinvitroでの溶解度の調査は、36.5±0.5°Cのサーモスタットで2、5、および7日間暴露した後、固液比1:30の等張食塩水（0.9％NaCl）で実施しました。 0.0001gの精度で分析天びん「OHAUSPioneerPA214C」（OHAUS Corporation、中国）の質量損失を測定することにより。

結果と考察

初期BHAおよび調製された複合材料の相組成の研究結果を図1および2に示します。 1、2、3、および4。HAはBHA /ガラス複合材料でその相組成を維持することが確立されました。

初期BHAのXRDパターン

主相の最も強いピークの表記を伴うBHA-ガラス複合材料のXRDパターン

複合材料BHA /ガラスとBHA /ガラス-Srの両方のXRDパターン。

平面（211）、（112）、（300）、および（202）の複合材料BHA /ガラスおよびBHA /ガラス-Srの両方のXRDパターン

初期粉末BGAは、PDFファイル72-1243（表JCPDS）に対応する回折画像を示しています（図1）。示されている標準回折画像は、周期がаの六角形の原始結晶格子を持つ結晶に属しています。 =9432およびс =6881Å。周期の計算は、2θ=24 ^° の範囲にあるピーク（002）、（211）、（300）、（222）、および（213）を使用して実行されます。 –52 ^° 。したがって、そのような結晶の基本結晶セルの体積は、530,496Ǻ ³ に等しくなります。 、これは、標準ファイル値–530.14Ǻ ³ に示されているものとわずかに異なります。 。

複合BHA /ガラスにアモルファス相が存在することを犠牲にして、液相焼結のプロセスが発生します。ガラス相とВНАの成分の活発な相互作用の結果として、新しい結晶相の形成が起こります。 XPAの結果により、BHA /ガラス複合材料の基本的な結晶相が決定されました（図2）。得られた複合材料は不均一な材料であることが確立されました。次のフェーズは、最も強いピークで示されます：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 。

結晶セルの体積は、その完全性、つまり、ヒドロキシアパタイトの一部を形成するイオンの適切な充填に依存します。エレメンタリーHAセルの構造的特徴は十分に深く研究されています[9、22、23]。既存のデータを使用すると、平面（004）はその組成にリン、酸素、カルシウムの原子を持ち、平面（211）は酸素の原子で形成され、（202）–はイオンで形成されていると言えます。 ²⁺ 。酸素の主な量は四面体の組成にありますРО ₄ ^3- 。相対強度は散逸の原子因子に依存するため（他の因子は同じです）、ピークの相対強度（202）– I _（202） / 私 _（211） イオンの空孔数の変化を間接的に証明できますСа ²⁺ または彼らの不在。 Cu- K の原子散乱係数に注意する必要があります _α Са ²⁺ のsinθ/λ=0.5での放射 イオンは8.1に等しく、Sr ²⁺ の場合 イオン– 19.6 [24]。イオンの置換Са ²⁺ Sr ²⁺ の場合 イオンは生理を増加させますа およびс ヒドロキシアパタイトの結晶格子の形成[25]。したがって、上記の置換が固溶体Ca _{10- x の式につながる場合} Sr _x （PO ₄ ） ₆ （OH） ₂ 、ここでх =1の場合、基本結晶セルの体積は値〜540Ǻ ³ を超えます 。

BHA /ガラスの組成に1質量％の酸化ストロンチウムを導入しても、複合材料の相組成は実質的に変化しません。これは、強度を変化させずに1つの図に配置された回折画像の比較で確認できます（図3および4）。

ただし、BHA /ガラスとBHA /ガラス-Srのピークの中心の位置に違いがあり、BHA /ガラス-Srではピークの強度が低下し、大きな角度の側にシフトします（図。 4）。おそらく、BHA /ガラスへのストロンチウムの導入は、非合金複合材料と比較して結晶相の数の減少につながるだけでなく、結晶相のアモルファスへの転移を犠牲にして複合材料の結晶構造の形成に貢献します（図3）。図4には、角度範囲2θで拡大され、垂直線で示されているВНАの主なピークが示されています。

結晶の内部体積は、完璧なヒドロキシアパタイトCa ₁₀ の組成に応じて計算されました。 （PO ₄ ） ₆ （OH） ₂ 、PDFファイル72-1243（表JCPDS）に対応します。 XPAの結果による結晶格子の寸法の計算は、期間の変化を示していますа およびс 、および格子の体積も同様です（表1）。複合材料の成分との激しい相互作用の場合、ストロンチウムは結晶構造の劣化を引き起こし、面間距離の減少につながり、したがって、BHA基本結晶セルの体積の減少につながることは明らかです。著者の研究[25]で与えられたデータは、格子の基本的なパラメータの増加を示しています（аの周期 およびс 、結晶格子の体積）НАのSrのゾル-ゲル置換におけるНА。しかし、前述のように、私たちが研究した材料は、生体ヒドロキシアパタイトに基づいており、50質量％のガラス相を含んでいます。おそらく、ВНАとガラス相の相互作用で新しい結晶相の形成が起こり（図2）、理論的には、比率Са/Рの変化につながり、空孔の形成に影響を及ぼしますСа ^{2 +} 。これらの変更は、期間の変更につながる可能性がありますа 、с 、および基本格子の体積（表1）。ストロンチウムをBHA /ガラス複合材料に追加導入すると、HA基本格子のパラメータへの影響が大きくなります。

知られているように[26]、ヒドロキシアパタイトスペクトルは、約1040および570 cm ^{− 1} の2つの集中的なバンドグループで特徴付けられます。 。

BHAとホウケイ酸ナトリウムガラスをベースにした複合材料吸収のIRスペクトルの分析は、このようなシステムでは、BHAとホウケイ酸ナトリウムガラスのスペクトルの重ね合わせが一般的であることを示しています（図5）。 HAとホウケイ酸ナトリウムガラスをベースにした複合材料のIR周波数の完全な割り当てについては、研究[27]で説明しています。このような組成に1％のストロンチウムを導入すると、調査対象のIRスペクトルのすべての吸収帯が大幅に拡大し、ν〜1050–700 cm ^{− 1} の範囲の吸収帯の形状と周波数が変化します。 バンドのν〜1045 cm ^{− 1} からのシフト 初期のBHAと比較して長波長側にあります（図5）。このような変化は、研究対象の組成システムへのストロンチウム添加の影響と関連している可能性があります。ただし、研究対象の組成における吸収帯の発現領域の重ね合わせは、明確な解釈を困難にします。混合原子および他の欠陥の存在は、振動するIRスペクトルに実質的に影響を与えることに注意する必要があります。調査した標本では、СО ₂ の存在 大気および少量の残留有機生成物（1900〜2000 cm ^-1 ）から ）が観察されます。

複合材料BHA /ガラスとBHA /ガラス-Srの両方のIRスペクトル。

総気孔率とその開部および閉部の調査結果を図6に示します。複合材料BHА/ガラス-Srの総気孔率は複合材料BHA /ガラスのそれを実質的に2倍上回り、61％に達する可能性があることが示されています。 。このような高い気孔率により、複合材料は骨組織の構造類似体になり、総気孔率は55〜70％の範囲になります[7]。ここで、ストロンチウムをドープした複合材料の開放気孔率の割合も、ドープしていない複合材料よりも高くなっています。ストロンチウムの導入により、開放気孔率は6％から10％に増加します（図6）。

複合材料BHA /ガラスとBHA /ガラス-Srの両方の多孔性構造。

私たちの場合、ストロンチウムは、おそらくシリコン-酸素フレームワークの構造の弱体化を伴うガラス相の組成の変化を伴う、準備された複合材料に導入されました。上記のプロセスの結果として、それは焼結における拡散プロセスを決定する基本的な要因である粘度を低下させ[28]、結晶性ガラス複合材料の発泡を引き起こします。そしてその結果、おそらく、それはВНА/ガラスの表面での相互作用の増加につながります。つまり、ВНАとガラス相の間のイオン交換が増加します。おそらく、それは、ВНАの構造におけるストロンチウムイオンのカルシウムイオンの部分的な置換につながり、その後、カルシウムイオンがガラス相に移行し、新しい結晶相が形成され、結晶格子だけでなく、複合材料全体の構造。

図7は、調査した複合材料の表面と破壊の微細構造を表しています。与えられた顕微鏡写真から、BHA /ガラスおよびBHA /ガラス-Srの構造は、材料の液相焼結のいくつかの特徴を犠牲にして形成されたマトリックス構造によって特徴付けることができることがわかります。ここで、ホウケイ酸ナトリウムガラス相は、ヒドロキシアパタイトの結晶粒子が存在する「フレームワーク」を作成します。そうすることで、細孔径は1〜600μの広い範囲を構成します。 BHA /ガラスとBHA /ガラス-Srの材料で異なるサイズの細孔が利用できることは、細孔形成の性質が異なることと関連しています。サイズが100〜600μの細孔は粒界を犠牲にして形成されます。空きスペース;サイズが100μ未満の細孔—最終焼結でのガラス塊の発泡を犠牲にして[10]。複合材料の構造の凝集体は、>0.2μのサイズの粒子から形成されます。ここでは、表面に、横断面で1〜4μの異なる形状とサイズを持ち、BHA /ガラス-Srの長さが30μに達する結晶の凝集体がはっきりと見られます。その過程で、これらの結晶の凝集体の形成は、複合材料の表面でのみ観察されます。

BHA /ガラスとBHA /ガラスの両方の複合材料の微細構造-Sr。

全体として、サンプルの内部の微細構造が多孔性であることが明らかであり、言い換えれば、それはマルチサイズの細孔の存在によって特徴付けられ、これは、以下のバイオセラミックの高い吸収特性の達成の観点から有望である。人体培地との直接接触。

調査したすべての複合材料の生理食塩水曝露の2、5、および7日後のin vitro調査では、BHA /ガラス-Sr複合材料の溶解度がBHA /ガラス複合材料よりも高いことが明らかになりました（図8）。図8からわかるように、生理的溶液中のBHA /ガラス-Srの複合試料の溶解速度は、生理的溶液中の時間に応じて、BHA /ガラス複合材料の溶解速度を2〜4倍上回ります。最高の溶解速度は、生理的溶液に2日間滞在した後、BHA /ガラス-Sr複合材料に登録され、0.19％の質量/日を構成します。複合材料の溶解速度のダイナミクスの性質は、両方のタイプの複合材料で異なります。

複合材料BHA /ガラスとBHA /ガラス-Srの両方の生理食塩水への溶解速度（2、5、7日）

両方のタイプの複合材料のガラス相の含有量は実質的に同じであるため、溶解に対するその量の影響も類似しています。したがって、得られた結果は、BHA /ガラス-Sr複合材料の気孔率が大幅に高いこと、およびBHA /ガラス複合材料と比較して開放気孔率の割合が高いことが原因である可能性があります。

得られた複合材料は、患者の骨組織のいくつかの欠陥領域を置き換えるために医学に適用することができます。得られた材料の幅広い細孔サイズの可用性は、人間の骨格のさまざまな領域でそれらを使用することを可能にします。

結論

生体ヒドロキシアパタイトとガラス相をベースに、ストロンチウムをドープした新しい複合材料が得られます。 XPAは、得られた複合材料が不均一な材料であることを示しました。 BHA /ガラスの複合材料中の合金添加剤としてのガラス相とストロンチウムの含有量は、BHA基本セルのパラメータの変化に影響を及ぼします。つまり、ヒドロキシアパタイトの結晶格子の減少につながります。また、BHA /ガラス-Sr複合材料は、患者の骨組織の欠陥領域を交換するための医療で使用される透視材料として得られた複合材料を作る、より高い多孔性と生理学的溶液へのより高い溶解速度を有することが確立されました。 / P>