Synthesis and characterization of Si-doped highly porous hydroxyapatite-chitosan composite materials

Cilj rada bila je priprava visokokoporoznog silicijem dopiranog hidroksiapatit-kitozan kompozitnog materijala za potencijalnu primjenu u inženjerstvu koštanog tkiva. Inženjerstvo tkiva je interdiscplinarno područje koje primjenjuje načela prirodnih znanosti i inženjerstva usmjereno razvoju bioloških nadomjestaka za obnovu, održavanje ili unaprjeđenje funkcije oštećenog tkiva. U inženjerstvu koštanog tkiva koriste se biorazgradljivi polimerni materijali i bioaktivna keramika, kao što je hidroksiapatit. Također, silicij ima vrlo važnu ulogu u mineralizaciji i formiranju kosti, stoga se danas koristi u širokom području medicinskih nadomjestaka i koštanih graftova. Hidrotermalnom pretvorbom aragonita iz sipine kosti, pri 200 °C kroz 72 h, pripravljen je silicijem supstituirani hidroksiapatit (Si-HA) s potpuno očuvanom mikrostrukturom. Nadalje, visokoporozni kompozitni materijal, Si1%-HA/kitozan, dobiven je tehnikom vakuumske impregnacije. Karakterizacija pripravljenih materijala utvrđena je instrumentalnim metodama: infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom, (FTIR), kvalitativna mineralna rendgenska difrakcijska analiza (XRD), termogravimetrijska analiza, (TGA) i pretražna elektronska mikroskopija (SEM). FTIR spektri uzorka hidroksiapatita i Si-HA različitog masenog udjela silicija pokazuju smanjenje intenziteta fosfatnih, karbonatnih i hidroksilnih skupina s povećanjem udjela dodanog silicija što može ukazivati na ugradnju SiO4 4- tetraedara na mjesto PO4 3- tetraedara. XRD analiza potvrđuje nastanak HA kao jedine prisutne mineralne faze nakon hidrotermalne reakcije. TGA metodom potvrđena je prisutnost kitozana od oko 10 mas.%, a SEM mikrografija analiziranih kompozitnih uzoraka prikazuje lamelarnu strukturu sipine kosti prevučenu tankim filmom kitozana nakon impregnacije 2%-tnom otopinom kitozana.The aim of this work was preparation of highly porous silicon doped hydroxyapatitechitosan composite materials with potential application in bone tissue engineering. Tissue engineering is an interdisciplinary field that applies the principles of engineering and the life sciences toward the development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function. Biodegradable polymeric materials and bioactive ceramics, such as hydroxyapatite, are used in bone tissue engineering. Also, silicon plays an important role in bone mineralization and formation and is therefore incorporated into a wide variety of medical implants and bone grafts used today. Silicon-substituted hydroxyapatite (Si-HA) was prepared successfully by hydrothermal transformation of aragonitic cuttlefish bone at 200 °C during 72 h with a fully preserved original microstructure. Next, a highly porous composite material, Si1%-HA/chitosan, was obtained using the vacuum impregnation technique. Characterization of prepared composite material was carried out by instrumental methods: Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), Thermogravimetric analysis (TGA) and Scanning electron microscopy (SEM). FTIR spectra of HA and Si-HA with different content of silicon, show the decrease in intensity of phosphate, carbonyl and hydroxyl groups with silicon content increased. The decrease in intensity may confirm successful substitution of SiO4 4- for PO4 3-. XRD analysis confirms occurrence of HA as the only present mineral phase after hydrothermal reaction. TGA analysis showed that the Si1%-HA/CS composite contain 16 wt.% of chitosan. SEM micrographs of the analyzed composite materials show the lamellar structure of cuttlefish bone coated with 2 w/v.% solution of chitosan