31. Mezinárodní slovenský a český kalorimetrický

seminářhotel Boboty Terchová,

Vrátna dolina, Slovensko

25.5. - 29.5.2009

Použitie termických metód

pri štúdiu biomateriálov

Martin Palou, Eva Kuzielová, Gabriela Lutišanová a Martin Vitkovič

Ústav anorganickej chémie, technológie a materiálov, FCHPT, STU v Bratislave, Radlinského 9, 812 37 Bratislava

Biomateriály sú organické a anorganické syntetické alebo prírodné materiály použité v medicíne na náhradu alebo na obnovu mäkkých a tvrdých tkanív, formou trvalých implantátov, v ortopédii, maxilofaciálnej a kožnej chirurgii, stomatológii a pod.

Kovové biomateriál

y

Biopolyméry

Biokeramiky

Kompozitné biomateriály

Biomateriály

Biosklá

Hip replacement

Application of bioceramics to

repair or to replace hard of

soft tissues

Biomateriály

• bioinertné

- tvorba fibrózneho rozhrania- keramika na báze Al2O3, ZrO2

- náhrady bedrových kĺbov a čeľustných kostí, zubné protézy, keramické skrutky

TITÁNOVÉ BEDROVÉ IMPLANTÁTY KERAMICKÉ BEDROVÉ KĹBY ZUBNÉ IMPLANTÁTY

• resorbovateľné

- v organizme sa rozpúšťajú bez vzniku metabolicky škodlivých zložiek

- materiály na báze bioskiel a fosforečnanu vápenatého

- materiály pre výplň kostných defektov, injektovateľné implantáty pre uvoľňovanie liekov

INJEKTOVATEĽNÝ TUHÝ IMPLANTÁT

• bioaktívne

- medzifázové viazanie s tkanivami- bioaktívne sklá, hydroxyapatit, bioaktívna

sklokeramika- rekonštrukcie bedrového hrebeňa,

rekonštrukcie čeľustnej kosti, protézy stavcov

NÁHRADA KOSTNÉHO

ŠTEPU

•Stehenná kosť

1. APATITY

• Hydroxyapatit

• Fluórapatit

• Chlórapatit

1. SKLA A SKLOKERAMIKY ZO SYSTÉMU LiO-CaO-SiO2-P2O5 (0-16 %) PRE KLINICKÉ APLIKÁCIE

Termické metódy použité pri štúdiu biomateriálov

Dilatometria

Termická analýza TA (TG, DTG)

DSC

Termo-optická priepustnosť –transmitancia

Všeobecná charakteristika apatitovVšeobecná charakteristika apatitov

V mineralógii sa pojmom apatity súhrnne označuje skupina troch minerálov: hydroxyapatitu, fluórapatitu a chlórapatitu.

Názvy minerálov sú odvodené od vysokej koncentrácie OH-, F- alebo Cl- iónov v štruktúre. V prírode sa najčastejšie vyskytuje fluórapatit, v ktorom prevláda prvok fluór.

Sumárny vzorec hydroxyapatitu(HA) možno vyjadriť Ca10(PO4)6(OH)2 alebo Ca5(PO4)3OH

HYDROXYAPATIT (HAP) V ĽUDSKOM TELE

•V kostiach stavovcov, teda i človeka sa nachádza približne 60 % HAP.

•Zubná sklovina obsahuje dokonca 90 % HAP.

SYNTÉZA HA

Hydroxyapatit je možné pripraviť zrážaciou metódou rôznymi spôsobmi podľa nasledujúcich rovníc:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H20

10Ca(OH)2 + 6(NH4)2HPO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H20 + 12NH4OH

10Ca(OH)2 + 6Ca(H2PO4)2H2O = Ca10(PO4)6(OH)2 + 12H20

Najčastejší postup syntézy práškov hydroxyapatitu na prípravu biokompatibilných materiálov je postup pomocou roztokov Ca(NO3)2 a NH4H2PO4 alebo (NH4)2HPO4 podľa rovnice:

5Ca(NO3)2 + 3NH4H2PO4 + 7NH4OH= Ca5(PO4)OH + 10NH4NO3 + 6H2O

Vznikajú xerogély (nanočastice) hydroxyapatitu

Sól-gél metóda

Fosfátny bioaktívny cement

Ak sa prášková zmes Ca3(PO4)2 a Ca4(PO4)2 sa dostane do styku s vodou prebieha hydratačná reakcia, v dôsledku ktorej vzniká kohézny cementový tmel. Tuhnutie a tvrdnutie prebiehajú v dôsledku nukleácie a rastu kryštálov hydroxylapatitu

2Ca3(PO4)2 + Ca4(PO4)2 + H2O = 2Ca5(PO44))33OHOH

Tepelne spracovanie keramických materiálov zahrňuje nasledujúci postupy:

Sušenie

Výpal

Spekanie

Tepelné spracovanie keramických výrobkov

Tvarovanie práškov hydroxyapatitu

Spekanie

Dotvarovanie

lisovanie

Pri (800-1200) °C

Rezanie a brúsenie

Príprava teliesok biokeramických materiálov na báze HA

Kompaktný HA Porézny HA

TCP sintered particles HA melted

HA pripravený pri 0°C a spekaný pri 1000 °C.Veľmi jemné častice

HA pripravený pri 25°C a spekaný pri 1000 °C.

Kostná štruktúra

HA pripravený pri 75°C a spekaný pri 1000 °C.

Kryštály s rôznymi veľkosťami

HA pripravený pri 100°C a spekaný pri 1000 °C.

Kryštály s rôznymi veľkosťami

HA pripravený pri 0°C a spekaný pri 1250 °C.

Kompaktná mikroštruktúra.

HA pripravený pri 25°C a spekaný pri 1250 °C.

Sklá a sklokeramika na báze dikremičitanu dilítneho

• dikremičitan dilítny – lítium disilikát (LS2)• stomatológia• vysoká mechanická pevnosť, opalescencia, tepelná stabilita a chemická odolnosť

zubné korunky, mostíky, glazúry

• CaO, P2O5 a CaF2: v malých množstvách ako nukleačné činidlá

• až do súčasnosti je použitie týchto materiálov obmedzené na

oblasti použitia bioinertných materiálov preukázanie

bioaktívnych vlastností skiel a sklokeramiky z tohto systému

by otvorilo cestu novým aplikáciám týchto materiálov

Tavenie skla

Príprava sklokeramiky

Test bioaktivity in vitro

Mechanické vlastnosti

  Obsah P2O5 

0 4 6 8 10 12 14

SiO2 – skl. piesok 61,93 57,29 54,89 52,45 49,94 47,38 44,76

Li2CO3 38,07 35,22 33,75 32,24 30,71 29,13 27,52CaF2 - 0,58 0,88 1,18 1,50 1,82 2,15Ca3(PO4)2 - 6,91 10,48 14,13 17,86 21,67 25,58

Zloženie zmesí pre prípravu skiel (v hm. %)

Obsah P2O5

0 4 5 6 8 10 12 14

FA - 9,47 11,84 14,21 18,95 23,69 28,42 33,16

LS2 100 90,53 88,16 85,79 81,05 76,31 71,58 66,84

Teoretické zloženie pripravených vzoriek (v hm %)

Termické spracovanie

Sklá keramika

Vývoj mikroštrútury

Sklo-keramika

Čiastočná kryštalizácia

5.40 ± 0.395.40 ± 0.39 GPaGPa

5.36 ± 0.625.36 ± 0.62 GPa GPa5.07 ± 0.265.07 ± 0.26 GPa GPa

Materské sklo

Sklo-keramika

550 °C

Sklo-keramika

750 °C

3.6 GPa

5.36 ± 0.255.36 ± 0.25 55.9 ± 0.60.9 ± 0.60 7.37 ± 0.157.37 ± 0.15

Vzorky LS2 skla a vzorky obsahujúce FA

E. Kuzielová, J. Hrubá, M. Palou, E. Smrčková, Ceram.-Silik. 50, 159(2006)

Zmena termo-optickej priepustnosti

Mechanizmus kryštalizácie skla

Kinetika kryštalizácie

Potenciálne aplikácie skla a sklokeramiky v

medicíne (Tvrdosť a bioaktivita)

T/°C

Čas /h

Teplota nukleácie

Teplota kryštalizácie

Zárodky, nukleá

vGr

2*

Klasický spôsob prípravy sklo-keramiky

Rast kryštálov

280 100 200 300 400 500 600 700

time / m in

0

20

40

60

80

100

OT-

red

ligh

t /

%

440 °C

460 °C

480 °C

500 °C

Isotermický ohrev a optická priepustnosť skla pri rôznych teplotách

320 340 360 380 400 420 440

T emperature (°C)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Rel

ativ

e O

ptic

al T

rans

mitt

ance

1.252.5

3.7510

20

Vplyv rýchlosti ohrevu na optickú priepustnosť

Známe sú dve mechanizmy kryštalizácie

Povrchová kryštalizácia

Objemová kryštalizácia

Ray a Day návrhli metódu termickej analýzy podľa veľkosti častíc.

Mechanizmus a kinetika kryštalizácie skla

Termická stabilita (odolnosť) skla proti kryštalizácie

Identifikácia povrchovej a objemovej kryštalizácie

• Ray a Day: mechanizmus kryštalizácie použitím DTA je predpovedaný zo závislosti troch parametrov od veľkosti častíc:

1. teploty korešpondujúcej s maximom DTA kryštalizačného píku, TP

2. maximálnej výšky DTA kryštalizačného píku, (T)P

3. pomeru , kde je šírka píku v polovičnom maximeP

2P )/(ΔTT

P)(ΔT

Ray C.S., Day D.E.: Thermochim. Acta 280 (1996) 163

• rozmernosť rastu kryštálov, n, (Avramiho parameter):

)/]/()[2.5/(Δ= 2PP RTET n

; ak E f(veľkosť častíc) ~ n• n ~ 1 povrchová kryštalizácia• n ~ 3 objemová kryštalizácia• 1 < n < 3 povrchová a objemová kryštalizácia

P2

P )/(ΔTT

Teploty korešpondujúcej s maximom DTA kryštalizačného píku, TP

Maximálna výška exotermického píku kryštalizácie, (δT)P

(ΔT)P je šírka píku v polovičnom maxime

The glass samples were grinded and subsequently sieved to following fractions:

Particle size (mm) Average (mm)

0.071-0.125 0.098

0.25-0.355 0.3025

0.355-0.5 0.4275

0.8-1.0 0.9

1.6-2.0 1.8

3.0-4.0 3.5

4.0-6.3 5.15

Mechanizmus kryštalizácie

The powdered glasses were heated from room temperature until the crystallization was complete at 10 °C min-1 rate and DTA measurements were realized in the atmosphere of nitrogen.

• TP s rastúcou veľkosťou častíc v prípade oboch skiel rastie s rastúcou veľkosťou častíc teda kryštalizácia prebieha ťažšie

• prídavok CaO, P2O5 a CaF2 vedie k posunu TP k nižším teplotám

Teploty maxima DTA píku, TP, ako funkcie veľkosti častíc

• (T)P s rastúcou veľkosťou častíc až do 0.9 mm klesá

• v prípade častíc > 0.9 mm sa závislosť (T)P od veľkosti častíc u čistého LS2 skla mení na rastúcu, zatiaľ čo u skla obsahujúceho P2O5 sa (T)P javí ďalej ako nezávislá od veľkosti častíc

Obr. Závislosť maximálnej výšky DTA píku, (δT)P, od veľkosti častíc skiel

• ako funkcia veľkosti častíc s rastúcou veľkosťou častíc klesá v prípade skla obsahujúceho 14 hm % P2O5 do veľkosti ~ 0.9 mm

• v prípade čistého LS2 skla je závislosť klesajúca do veľkosti ~ 0.3 mm• od uvedených hodnôt s rastúcou veľkosťou častíc rastie, smernica

závislosti skiel sa však podstatne líši

P2

P )/(ΔTT

P2

P )/(ΔTT

Závislosť pomeru od veľkosti častíc skielP2

P )/(ΔTT

  maximálnej výšky DTA kryštalizačného

píku, TP (°C)

Intenzita kryštalizačného píku,

(δT)P

veľkosť /mm

sklo a sklo b sklo a sklo b sklo a sklo b

0.098 609.43 594.09 62.927 61.61 221.33 265.97

0.3025 636.68 606.86 50.276 44.46 181.77 223.606

0.4275 643.33 610.75 48.558 43.00 187.86 214.377

0.9 660.94 622.45 43.113 32.28 252.80 185.646

1.8 677.65 633.81 45.194 32.38 370.33 226.96

3.5 684.5 641.22 60,868 30,612 532,43 363,81

5.15 683.78 643.69 80,873 30,783 1461,11

402,27

P2

P )/(ΔTT

Obr. Povrch verzus lomová plocha vzorky so 14 hm % P2O5 po 3 h tepelnom spracovaní pri 500 °C; v pravo hore: detailný záber povrchu príslušnej vzorky

• povrch vzorky s obsahom 14 hm % P2O5 po 3 h tepelnom spracovaní pri 500 °C tvoria sférolitické kryštály pravdepodobne lítium disilikátu

• napriek kryštalickému povrchu je však lomová plocha vzorky hladká, bez náznaku kryštalickej fázy

Two distinct zones are remarked characterizing crystallization by both mechanisms

Predominance of surface crystallization

Glass-ceramics conatining FA

Termická stabilita skla voči kryštalizácii

Tx (začiatok teploty kryštalizácie)

Teploty korešpondujúcej s maximom DTA kryštalizačného píku, TP

const./)/ln( PP2

P RTTETβ

const./ln P RTβEβ

Tx

Indukčná perióda

TP

TA INSTRUMENT 2860 SDT.

Vzorka skla s veľkosťou 71 - 125 μm sa podrobila

termickou analýzou pri rôznych rýchlostiach ohrevu

2, 4, 6, 8 and 12 °C min-1 v atmosfére dusíka.

Výpočet dĺžky indukčnej perióde

Termická stabilita skla

Štúdium kryštalizácie skiel

• sklo LS2  a sklo s obsahom 14 hm % P2O5

• vplyv prídavku CaO, P2O5 a CaF2 na tendenciu lítium dislikátového skla

kryštalizovať bol hodnotený prostredníctvom určenia dĺžky indukčnej periódy a dĺžky celkovej izotermickej kryštalizácie

• hodnoty kinetických parametrov boli vypočítané použitím izokonverznej integrálnej metódy

• parametre A a Ea z rovnice (1) boli vypočítané programom KINPAR [1]

• teoretické hodnoty teplôt sú dané rovnicou:

i

0 a /exp

dT

RTEA

Tβ

kde Ti je teplota, pri ktorej je dosiahnutá fixná konverzia αi, A a Ea sú parametre

a R plynová konštanta

• indukčná perióda Ti reprezentovala teplotu konca indukčnej periódy - Tx

• celkový proces kryštalizácie Ti bola substituovaná teplotou maxima píku Tp.

• rast kryštálov spodná hranica integrácie: Tx, horná hranica integrácie: Tp

[1] Šimon P., Thomas P.S., Okuliar J., Ray A.S.: J. Therm. Anal. Cal. 72 (2003) 867

Sklo 0 hm % P2O5 14 hm % P2O5

Rýchlosť ohrevu/°C min-1 2 4 6 8 12 2 4 6 8 12

Tx/K 793 801 806 810 815 787 796 802 806 812

Tp/K 853 868 877 883 893 824 838 847 853 863

Charakteristické teploty pre hodnotenie tepelnej stability skiel zo systému Li2O-SiO2-CaO-P2O5- CaF2

Experimentálne a vypočítané hodnoty

(A) teplôt začiatku kryštalizácie skiel,

(B) teplôt korešpondujúcich s maximom DTA kryštalizačného píku pre rôzne rýchlosti ohrevu

Glass (a) (b)

Heat rate/°C min-1 2 4 6 8 12 2 4 6 8 12

Tx/K794

801807

811813

791796

802 805 810

TP/K853

868877

883893

830838

848 853 861

E(TP)/kJ

mol-1299 1 288 7

E(β)/kJ mol-1 313 1 303 8

Characteristic parameters for evaluation of thermal stability of glasses from Li2O-SiO2-CaO-P2O5-F system; E(TP) and E(β): activation energy determined from the Kissinger and Ozawa plot, respectively

• dĺžky izotermickej indukčnej periódy, ti, boli určené z rovnice (2):

RT

EAt a

i exp

• získané kinetické parametre môžu byť použité na navrhovanie vhodných režimov tepelného spracovania týchto skiel pre produkciu sklokeramiky

• kryštalizácia skla obsahujúceho CaO, P2O5 a CaF2 vyžaduje kratší časový interval

prídavok uvedených látok urýchlil nukleáciu aj rast kryštálov

Obr. Teplotná závislosť dĺžky(A) indukčnej periódy a(B) celkovej izotermickej kryštalizácie

AB

Sklo 0 hm % P2O5 14 hm % P2O5

Parametre A/min Ea/kJ mol-1 A/min Ea/kJ mol-1

Indukčná perióda 7.7410-27 408 7 4.5910-24 364 8Rast kryštálov 2.9110-16 270 2 1.4210-15 249 2

Celková kryštalizácia 1.9010-16 273 2 2.5510-16 262 3

Charakteristické parametre kryštalizácie skiel zo systému Li2O-SiO2-CaO-P2O5- CaF2

získané kinetické parametre môžu byť použité na navrhovanie vhodných režimov tepelného spracovania týchto skiel pre produkciu sklokeramiky

kryštalizácia skla obsahujúceho CaO, P2O5 a CaF2 vyžaduje kratší časový interval prídavok uvedených látok urýchlil nukleáciu aj rast kryštálov

Výsledky testovania bioaktivity in vitro

• bioaktivita – tvorba biologicky aktívnej vrstvy hydroxyuhličitanového apatitu na povrchu materiálu po implantácii

• in vitro testovanie: v SBF („simulated body fluid“)• na povrchu vzoriek skiel obsahujúcich (10 a 14) hm % P2O5 možno po 6

týždňoch v SBF pozorovať súvislú vrstvu pozostávajúcu z nových fáz • sklá bez obsahu P2O5 a so 6 hm % P2O5 majú povrch iba čiastočne pokrytý

dispergovanými oblasťami nových fáz• povrchy vzoriek sklokeramiky vykazujú analogický charakter mikroštruktúry

povrchu v závislosti od obsahu P2O5

• s rastúcou teplotou tepelného spracovania hrúbka vrstvy klesáLS2, sklo 14 hm % P2O5 , sklo 14 hm % P2O5 , 550 °C 14 hm % P2O5 , 750 °C

Obr. Povrchová mikroštruktúra vzoriek pred (malé obrázky v rohoch) a po 6 týždňoch v SBF

Biomineralizácia povrchu sklokeramiky in vitro

Sklo bez P2O5

Sklo s 14 hm % P2O5

Analýza povrchu implantátu

• bioaktivita sa prejavila u všetkých vzoriek skla aj sklokeramiky pripravených s prídavkom CaO, P2O5 a CaF2

• najlepšiu bioaktivitu vykazovali sklá s najvyšším obsahom spomínaných zložiek (14 hm % P2O5); vrstva nových fáz bola na povrchu týchto vzoriek vytvorená už

po štyroch týždňoch pôsobenia SBF, čo je doba, ktorá by mohla vyhovovať aj klinickým požiadavkám

• vo všeobecnosti sa kryštalizácia preukázala ako inhibičný faktor pre kinetiku tvorby apatitovej vrstvy

• v prípade skiel s obsahom 14 hm % P2O5, ktoré boli pripravené zo sklárskeho

piesku, však nebola rýchlosť tvorby apatitu ovplyvnená ani dodatočným tepelným spracovaním

Bioaktivita

- týmto spôsobom bolo možné pripraviť vzorky sklokeramiky, ktoré disponovali vyššími hodnotami tvrdosti, pričom bioaktívne vlastnosti sa v porovnaní s pôvodným sklom neznížili

- menením parametrov tepelného spracovania týchto skiel by bolo zároveň možné ovplyvňovať optické vlastnosti konečnej sklokeramiky, ktoré by tak mohli byť prispôsobené prípadným požiadavkám

Ďakujem

ZA

TERPEZLIVOSŤ