Développement et caractérisation de composites vitrocéramiques contenant du Sr à base d'hydroxyapatite biogénique

Contexte

L'hydroxyapatite (HA) et d'autres matériaux de phosphate de calcium bioactifs, y compris le verre bioactif, peuvent être utilisés en génie tissulaire pour remplacer le tissu osseux. L'hydroxyapatite biogénique naturelle (BHA) est un matériau nanostructural, dont la nano et la microstructure sont analogues au composant minéral du tissu osseux.

Des résultats de production antérieurs ont été reçus et divers types de composites à base d'hydroxyapatite biogénique et synthétique et de phase vitreuse ont été étudiés [1,2,3,4,5]. Il est connu que, dans la composition chimique de l'hydroxyapatite biogénique naturelle (BHA), il existe de petites quantités d'autres composés non organiques tels que Ca₄ O(PO₄ )₂ , NaCaPO₄ , Ca₃ (PO₄ )₂ , CaO et MgO, ainsi que des traces d'Al ³⁺ , Fe ³⁺ , Mg ²⁺ , Sr ²⁺ , K ⁺ , Si ⁴⁺ , Na ⁺ , Cu ²⁺ , Zn ²⁺ , et CO₃ ²⁻ [6,7,8,9]. Par conséquent, des composites de BHA/verre avec l'utilisation de divers additifs bioactifs pouvant contribuer aux processus d'ostéogenèse et à la formation de nouveau tissu osseux ont également été étudiés et obtenus. Ces composites ont été alliés par des additifs ioniques Fe ²⁺ /Fe ³⁺ et Cu ²⁺ [10, 11], Ce ²⁺ [12], Si ⁴⁺ [13], La ³⁺ [14], et autres.

Un problème moderne dans le domaine des maladies de la pathologie osseuse est le traitement de l'ostéoporose qui est la raréfaction de la densité du tissu osseux du patient en raison de causes hormonales ou autres. C'est pourquoi il est tout à fait pertinent de développer de nouveaux matériaux bioactifs capables de stimuler la formation de nouvelles cellules du tissu osseux et d'améliorer sa structure. De ce point de vue, l'introduction d'ions strontium dans la composition des matériaux de phosphate de calcium peut améliorer leurs propriétés bioactives [15,16,17].

Le développement d'instruments utilisés pour la régénération du tissu osseux in vivo est axé sur les modèles cellulaires et les processus de différenciation.

Les auteurs [15, 18] soulignent le rôle de Sr ²⁺ dans le maintien de la régénération osseuse au cours du processus de restauration squelettique dans son ensemble, et plus spécifiquement, dans l'application de la thérapie cellulaire. Par exemple, le strontium ranelatere se présente comme un composé intéressant qui stimule la formation osseuse et inhibe la résorption osseuse. Dans l'estimation de l'effet de la large gamme de strontium (Sr ²⁺ ) concentration in vitro, les auteurs ont établi que Sr ²⁺ ont favorisé une prolifération de cellules PA20-h5 ainsi que la formation d'HA au cours de l'ostéoinduction in vitro. Les données mentionnées ci-dessus indiquent le rôle de Sr ²⁺ dans le maintien de la régénération osseuse au cours du processus de restauration squelettique dans son ensemble, et plus particulièrement, dans l'application de la thérapie cellulaire.

Les auteurs de ce travail [17] ont reçu des suspensions stables de nanopoudres d'hydroxyapatite contenant du strontium (Sr-HA) par méthode de précipitation à partir d'une solution aqueuse (teneur en strontium en quantité de 0 à 100 mol %). Les études des matériaux obtenus indiquent la solubilité complète du strontium dans le réseau d'hydroxyapatite en remplacement isomorphe de Ca ²⁺ pour Sr ²⁺ . L'ajout de strontium est responsable de l'augmentation du rapport c/a dans la cellule élémentaire triclinique. Un changement significatif dans la forme et la taille des nanopoudres est observé, dans lequel une croissance prédominante est dans la direction le long de c axe se manifestant en cas de teneur plus élevée en strontium.

Les données des études de biocompatibilité des suspensions, du point de vue de la viabilité des cellules, de l'apoptose, de la prolifération et de la morphologie avec l'utilisation de la lignée cellulaire d'ostéosarcome SAOS-2 indiquent une prolifération accrue des cellules pour les nanoparticules HA contenant un plus grand nombre de Sr ^{2 +} , ce faisant, il n'a pratiquement aucun effet sur la morphologie des cellules.

Dans le travail [19], des granules poreux multifonctionnels ont été développés en tant que charges du tissu osseux et porteurs d'agents médicinaux. Poudres de strontium et de matériau de remplacement magnésien HA/TCP avec des compositions proches de la partie minérale de l'os humain [(Ca + Sr + Mg)/P = 1,62], ont été obtenus par précipitation, puis soumis à un traitement thermique et à une désagglomération. Le séchage et le frittage ont permis de recevoir des granules poreux saturés d'une solution d'antibiotique (lévofloxacine), congelés puis lyophilisés. L'estimation de la libération d'agents médicamenteux et de l'ostéocompatibilité des granules a montré que les granules alliés au Sr ont démontré les niveaux les plus élevés de prolifération et d'efficacité dans la maturation ostéoblastique.

Il existe quelques données sur l'influence de l'additif au strontium sur le comportement des particules de verre bioactif 1393 nBG in vitro, du point de vue des réactions physico-chimiques se produisant à leur surface dans le SBF [20]. En comparaison avec le verre non allié 1393 nBG, il a été découvert que la formation d'apatite est ralentie lors de l'introduction de Sr, ce qui est probablement le résultat de l'action inhibitrice des ions Sr sur la cristallisation de l'HA. De plus, il a été révélé que la cristallinité du phosphate de calcium précipité était plus faible dans le cas du verre allié au Sr 1393 nBG par rapport à un matériau standard pur 1393 nBG. Les auteurs des travaux susmentionnés soulignent également que la capacité à former des verres bioactifs HA donne la notion de leur réactivité de surface qui a une relation avec l'application des particules nanométriques de verre biologiquement actif dans la régénération osseuse.

Des études menées in vivo sur des rats par les auteurs des travaux [21] ont montré un impact positif du verre bioactif macroporeux contenant du strontium (Sr-MBG) sur le processus de formation osseuse ainsi que sur la diminution de la résorption osseuse chez les rats atteints d'ostéoporose. (rats ostéoporotiques). L'enquête a démontré que l'utilisation de (Sr-MBG) entraîne une augmentation de la formation osseuse (46,67 %) par rapport au MBG en verre non allié (39,33 %) et au groupe témoin (17,50 %).

L'objectif du travail est la préparation et l'étude de matériaux bioactifs à base de composite biogénique hydroxyapatite/verre avec additif SrО pour l'ingénierie tissulaire.

Méthodes/Expérimental

Préparation de l'échantillon

Composites vitrocéramiques bioactifs à base d'hydroxyapatite biogénique (BHA) nanostructurée avec ajout de verre borosilicaté de sodium (% massique :46 SiO₂; 28 B₂ O₃; 26 Na₂ O) ont été préparés comme décrit dans [11]. Pour obtenir des échantillons de composites vitrocéramiques contenant du Sr ont été utilisés des poudres de composites vitrocéramiques bioactifs à base d'hydroxyapatite biogénique nanostructurée (BHA) et de verre borosilicaté de sodium avec la relation 50/50% en poids et frittées à la température 1100 °C (commencer le frittage ), puis ont été écrasés. Les poudres obtenues des composites ont été mélangées avec de la poudre d'oxyde de strontium (1 % en poids). Les échantillons de composites BHA/verre et BHA/verre-Sr de 2,5 g et 11 mm de diamètre ont été formés et frittés à des températures de 780 °C.

Méthodes de caractérisation

La composition de phase et la structure des échantillons obtenus ont été étudiées par diffraction des rayons X, spectroscopie IR et SEM.

Diffraction des rayons X

Pour l'analyse aux rayons X, le diffractomètre à rayons X DRON-3M a été utilisé équipé d'un système informatique supplémentaire de balayage, tube à rayons X avec anode en cuivre et filtre en nickel. Ainsi, des images de diffraction ont été obtenues à l'aide d'un rayonnement Cu-Kα avec une longueur d'onde moyenne λ = 1,54178 Ǻ3.

Spectroscopie IR

De plus, les matériaux ont été étudiés par spectroscopie infrarouge (IR) à l'aide d'un spectrophotomètre FSM 1202 (TOV Infraspectr, Russie) dans la gamme de nombres d'ondes 4000-400 cm ^− 1 .

Structure

La structure des composites a été étudiée par microscopie électronique à balayage (MEB) à l'aide d'un REM-106I (VAT SELMI, Ukraine).

Porosité

Les échantillons composites ont été examinés pour la densité apparente et la porosité totale et ouverte (Θ _t et Θ _opération ). La porosité totale des échantillons (%) a été calculée à l'aide de la formule suivante :

où ρ _ap est la densité apparente, g/cm ³ ;

ρ_pykn est la densité pycnométrique du matériau compact, g/cm ³ .

Pour BHA ρ _pykn = 3.00 g/cm ³ .

Afin de déterminer la porosité ouverte, un échantillon a été pesé et saturé d'éthylène sous vide. Les échantillons saturés ont été pesés dans l'eau et dans l'air. La porosité ouverte des échantillons (%) a été calculée par la formule :

où m est le poids de l'échantillon dans l'air, g ;

m ₁ est le poids de l'échantillon saturé dans l'air, g ;

m ₂ est le poids de l'échantillon saturé dans l'eau, g ;

ρ _w est la densité de l'eau, g/cm ³ ;

ρ _liq est la densité du liquide de saturation (éthylène), g/cm ³ .

La porosité fermée des échantillons a été calculée par la formule suivante :

Tests de bioactivité in vitro

L'étude de la solubilité in vitro d'échantillons poreux a été réalisée dans une solution saline isotonique (0,9% NaCl) à un rapport solide/liquide de 1:30 après 2, 5 et 7 jours d'exposition dans un thermostat à 36,5 ± 0,5 °C suivi par détermination de la perte de masse sur une balance d'analyse « OHAUS Pioneer PA214C » (OHAUS Corporation, Chine) avec une précision de 0,0001 g.

Résultats et discussion

Les résultats de l'étude de la composition de phase du BHA initial et des composites préparés sont présentés dans les Fig. 1, 2, 3 et 4. Il a été établi que l'HA conserve sa composition de phase dans les composites BHA/verre.

Modèles XRD pour le BHA initial

Modèle XRD du composite BHA-verre avec la notation des pics les plus intenses des phases principales

Modèles XRD pour les deux composites BHA/verre et BHA/verre-Sr.

Modèles XRD pour les deux composites BHA/verre et BHA/verre-Sr pour les plans (211), (112), (300) et (202)

La poudre initiale BGA montre une image de diffraction correspondant au fichier PDF 72-1243 (Tableaux JCPDS) (Fig. 1). L'image de diffraction standard indiquée appartient aux cristaux avec un réseau cristallin primitif hexagonal ayant des périodes de а = 9432 et с = 6881 Å. Le calcul des périodes est effectué à l'aide des pics (002), (211), (300), (222) et (213), compris dans la plage de 2θ = 24 ^° –52 ^° . En conséquence, le volume de la cellule cristalline élémentaire de ces cristaux est égal à 530 496 Ǻ ³ , qui diffère de manière insignifiante de celle indiquée dans la valeur de fichier standard – 530,14    ³ .

Au détriment de la présence de phase amorphe dans le composite BHA/verre, un processus de frittage en phase liquide se produit. À la suite de l'interaction active des composants de la phase vitreuse et de , une formation de nouvelles phases cristallines a lieu. D'après les résultats de l'XPA, les phases cristallines basiques du composite BHA/verre ont été déterminées (Fig. 2). Il a été établi que les composites obtenus sont des matériaux hétérogènes. Les phases suivantes sont présentées avec les pics les plus intensifs :Ca₁₀ (PO₄ )₆ (OH)₂ , Na₂ Ca₃ Si₃ O₁₀ , Ca₂ SiO₄ , Na₄ SiO₄ , Na₂ BO₂ .

Le volume de la cellule cristalline dépend de sa perfection, c'est-à-dire de son remplissage approprié avec des ions faisant partie de l'hydroxyapatite. Les caractéristiques structurelles de la cellule HA élémentaire sont étudiées suffisamment en profondeur [9, 22, 23]. En utilisant les données existantes, nous pouvons affirmer qu'un plan (004) a dans sa composition des atomes de phosphore, d'oxygène et de calcium, tandis qu'un plan (211) est formé avec des atomes d'oxygène et (202)– avec des ions Са_II ²⁺ . La principale quantité d'oxygène est dans la composition des tétraèdres РО₄ ³⁻ . Étant donné que l'intensité relative dépend du facteur atomique de dissipation (les autres facteurs sont identiques), une intensité relative du pic (202)–I ₍₂₀₂₎ /Je ₍₂₁₁₎ peut témoigner indirectement de l'évolution du nombre de lacunes en ions Са ²⁺ ou leur absence. Il convient de noter que le facteur de diffusion atomique pour Cu-K _α rayonnement à sinθ/λ=0,5 pour Са ²⁺ ions est égal à 8,1, et pour Sr ²⁺ ions – 19,6 [24]. Remplacement des ions Са ²⁺ pour Sr ²⁺ ions augmente les périodes а et с du réseau cristallin dans l'hydroxyapatite [25]. Donc, si le remplacement ci-dessus conduit à une formule de solution solide Ca_10−x Sr _x (PO₄ )₆ (OH)₂ , où х = 1, alors un volume de la cellule cristalline élémentaire dépasse la valeur ~ 540 Ǻ ³ .

L'introduction d'oxyde de strontium à raison de 1 % en masse dans la composition BHA/verre ne modifie pas substantiellement une composition de phase des composites; ceci peut être vu en comparaison des images de diffraction, situées dans un diagramme sans aucun changement d'intensité (Figs. 3 et 4).

Cependant, il existe des différences dans la position des centres des pics BHA/verre et BHA/verre-Sr, ainsi que la diminution de l'intensité des pics et leur décalage du côté des grands angles dans BHA/verre-Sr (Fig. 4). Probablement, cette introduction de strontium dans BHA/verre conduit à la diminution du nombre de phases cristallines par rapport à un composite non allié, ainsi que contribue à la formation de la structure cristalline du composite au détriment de la transition des phases cristallines à amorphe ( Fig. 3). Dans la Fig. 4, les principaux pics de sont indiqués, étendus dans la plage angulaire 2θ et désignés par des lignes verticales.

Le volume interne du cristal a été calculé en fonction de la composition d'hydroxyapatite sans défaut Ca₁₀ (PO₄ )₆ (OH)₂ , correspondant au fichier PDF 72-1243 (Tableaux JCPDS). Le calcul effectué des dimensions des réseaux cristallins par les résultats de XPA indique les changements dans les périodes а et с , ainsi que le volume du réseau (tableau 1). Il est évident qu'en cas d'interaction intensive avec les composants du composite, le strontium provoque une dégradation de la structure cristalline, conduit à la diminution des distances inter-plans et, par conséquent, à la diminution du volume de la cellule cristalline élémentaire BHA. Les données fournies dans les travaux des auteurs [25] indiquent l'augmentation des paramètres de base du réseau (périodes de а et с , volume de réseau cristallin) НА dans le remplacement sol-gel de Sr dans НА. Cependant, comme il a été indiqué ci-dessus, le matériau que nous avons étudié est à base d'hydroxyapatite biogénique et contient 50 % en masse de phase vitreuse. Probablement, dans l'interaction de ВНА avec la phase vitreuse se produit la formation de nouvelles phases cristallines (Fig. 2), ce qui, théoriquement, peut conduire au changement du rapport Са/Р et exerce une influence sur la formation de lacunes Са ^{2 +} . Ces changements peuvent entraîner le changement de périodes а , с , et le volume du réseau élémentaire (tableau 1). L'introduction supplémentaire de strontium dans le composite BHA/verre augmente l'influence sur les paramètres du réseau élémentaire HA.

Comme on le sait [26], le spectre de l'hydroxyapatite est caractérisé par deux groupes intensifs de bandes d'environ 1040 et 570 cm ^− 1 .

L'analyse des spectres IR d'absorption des composites à base de BHA et de verre borosilicaté de sodium montre que pour un tel système, une superposition de spectres de BHA et de verre borosilicaté de sodium est typique (Fig. 5). Une affectation complète des fréquences IR des composites à base d'HA et de verre borosilicaté de sodium, que nous avons décrite dans l'ouvrage [27]. L'introduction de 1 % de strontium dans une telle composition entraîne une expansion significative de toutes les bandes d'absorption du spectre IR étudié et un changement de forme, des fréquences de bandes d'absorption comprises entre ν ~ 1050–700 cm ^− 1 et décalage de bande de ν ~ 1045 cm ^− 1 à un côté de grande longueur d'onde par rapport au BHA initial (Fig. 5). De tels changements peuvent être associés à l'influence de l'ajout de strontium dans le système de composition étudié. Cependant, les superpositions des zones de manifestation des bandes d'absorption dans la composition étudiée rendent difficile l'interprétation univoque. Il convient de noter que la présence d'atomes mélangés et d'autres défauts influence considérablement les spectres IR oscillants. Dans les spécimens étudiés, présence de СО₂ de l'atmosphère et une petite quantité de produits organiques résiduels de réaction (1900-2000 cm ⁻¹ ) sont observés.

Spectres IR pour les deux composites BHA/verre et BHA/verre-Sr.

Les résultats de l'enquête pour la porosité totale et ses fractions ouvertes et fermées sont présentés dans la Fig. 6. Il est montré que la porosité totale des composites BHА/verre-Sr dépasse pratiquement de 2 fois celle des composites BHA/verre et peut atteindre 61% . Une porosité aussi élevée permet au composite de devenir un analogue structurel du tissu osseux, dont la porosité totale est comprise entre 55 et 70 % [7]. Ici, la part de porosité ouverte pour les composites dopés au strontium est également plus élevée que pour les composites non dopés. Lors de l'introduction du strontium, la porosité ouverte augmente de 6 à 10 % (Fig. 6).

Structure de porosité des deux composites BHA/verre et BHA/verre-Sr.

Dans notre cas, le strontium a été introduit dans le matériau composite préparé, ce qui, probablement, a entraîné un changement dans la composition de la phase vitreuse avec un affaiblissement de la structure de la charpente silicium-oxygène. À la suite des processus ci-dessus, il diminue une viscosité qui est le facteur de base déterminant les processus de diffusion lors du frittage [28] et provoque le moussage du composite de verre cristallin. Et comme résultat, cela conduit probablement à l'augmentation de l'interaction à la surface de /verre, c'est-à-dire que l'échange d'ions entre ВНА et la phase vitreuse est augmenté. Probablement, cela conduit à un remplacement partiel des ions calcium par des ions strontium dans la structure de , avec une transition ultérieure des ions calcium en phase vitreuse avec formation de nouvelles phases cristallines qui entraînent des changements ultérieurs non seulement dans le réseau cristallin, mais dans le structure de l'ensemble du composite.

La figure 7 représente la microstructure de surface et la rupture des composites étudiés. D'après les microphotographies données, nous pouvons voir que la structure du BHA/verre et du BHA/verre-Sr peut être caractérisée par une structure matricielle qui se forme au détriment de certaines caractéristiques du frittage en phase liquide du matériau. Ici, la phase de verre borosilicaté de sodium crée un "cadre", dans lequel se trouvent des particules cristallines d'hydroxyapatite. Ce faisant, une taille de pore compose une large gamme de 1 à 600 μ. La disponibilité de pores de différentes tailles dans le matériau BHA/verre et BHA/verre-Sr est associée, à notre avis, à une nature différente de la formation de pores :des pores de taille 100-600 μ se forment aux dépens de la espaces libres; pores d'une taille inférieure à 100 μ—au détriment du moussage de la masse de verre lors du frittage final [10]. Les agglomérats dans la structure du composite sont formés à partir de particules d'une taille> 0,2 μ. Ici, en surface, on voit clairement des formations agglomérées de cristaux de forme et de tailles distinctes de 1 à 4 μ en section transversale, et qui atteignent 30 μ de longueur pour le BHA/verre-Sr. Au cours du processus, la formation de ces agglomérats de cristaux est observée exclusivement à la surface des échantillons composites.

Microstructure des deux composites BHA/verre et BHA/verre-Sr.

Dans l'ensemble, il est évident que la microstructure de la partie interne des échantillons est polyporeuse, c'est-à-dire qu'elle se caractérise par la présence de pores de plusieurs tailles, ce qui est prometteur compte tenu de l'obtention de propriétés de résorption élevées des biocéramiques sous contact direct avec les médias de l'organisme humain.

Une enquête in vitro après 2, 5 et 7 jours d'exposition saline de tous les composites étudiés a révélé que la solubilité des composites BHA/verre-Sr est plus élevée que celle des composites BHA/verre (Fig. 8). Comme le montre la figure 8, le taux de dissolution des échantillons composites de BHA/verre-Sr en solution physiologique dépasse de 2 à 4 fois celui des composites BHA/verre en fonction du temps passé dans la solution physiologique. Le taux de dissolution le plus élevé est enregistré pour les composites BHA/verre-Sr après 2 jours de séjour en solution physiologique et constitue 0,19% masse/jour. La nature de la dynamique de la vitesse de dissolution des composites diffère pour les deux types de composites.

Taux de dissolution dans une solution saline des deux composites BHA/verre et BHA/verre-Sr (2, 5, 7 jours)

Etant donné que la teneur en phase vitreuse dans les deux types de composites est pratiquement identique, l'influence de sa quantité sur la dissolution sera donc également analogue. Ainsi, les résultats obtenus peuvent être dus à une porosité significativement plus élevée des composites BHA/verre-Sr, ainsi qu'à une plus grande part de porosité ouverte par rapport aux composites BHA/verre.

Les composites obtenus peuvent être appliqués en médecine pour remplacer certaines zones défectueuses du tissu osseux des patients. La disponibilité de la large gamme de tailles de pores dans les matériaux obtenus permet de les utiliser dans diverses régions du squelette humain.

Conclusions

De nouveaux matériaux composites dopés au strontium sont obtenus à base d'hydroxyapatite biogénique et de phase vitreuse. XPA a montré que les composites obtenus sont des matériaux hétérogènes. La teneur en phase vitreuse et en strontium comme additif allié dans le matériau composite BHA/verre a une influence sur le changement des paramètres de la cellule élémentaire BHA, à savoir, conduit à la diminution du réseau cristallin de l'hydroxyapatite. Il a également été établi que le composite BHA/verre-Sr possède une porosité plus élevée ainsi qu'un taux de dissolution plus élevé dans la solution physiologique, ce qui rend les composites obtenus en tant que matériaux de perspective à utiliser en médecine pour le remplacement des zones défectueuses du tissu osseux des patients.