Evaluation of bioactivity of biphasic implant materials based on the calcium phosphates and calcium sulfate hemihydrate

Fosforany wapnia (Calcium Phosphates - CaPs), stosowane z powodzeniem w regeneracji i rekonstrukcji tkanki kostnej, należą do grupy bioaktywnych materiałów zdolnych do bezpośredniego wiązania z kością. Interesującymi materiałami implantacyjnymi w postaci łatwo formujących się past cementowych są materiały dwufazowe na bazie HA (hydroksyapatytu) i α-TCP (α-fosforanu trójwapniowego) oraz HA i CSH (półwodnego siarczanu (VI) wapnia). Wprowadzenie do struktury hydroksyapatytu różnych jonów np. srebra lub magnezu wpływa na zmianę jego właściwości fizykochemicznych jak również biologicznych. Połączenie hydroksyapatytu i półwodnego siarczanu (VI) wapnia (ten drugi stosowany jest w medycynie od wielu lat pod nazwą Plaster of Paris) prowadzi do wytworzenia materiałów o wysokiej poręczności chirurgicznej i kontrolowanej biodegradacji. Celem pracy było wytworzenie oraz ocena potencjału bioaktywnego in vitro nowych materiałów kościozastępczych typu cementowego na bazie CaPs i CSH. W skład wyjściowych proszków cementowych wchodziły: zsyntezowany na wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki - AGH hydroksyapatyt dotowany srebrem (AgHA), węglanowy hydroksyapatyt dotowany magnezem (MgCHA), α-TCP oraz CSH (Acros Or- ganics). Jako płyny do zarabiania proszków cementowych zastosowano 1% roztwór chitozanu w 0,3% kwasie octowym oraz 0,75% roztwór metylocelulozy w 2% Na2HPO4. Opracowane materiały implantacyjne poddano badaniom czasu wiązania, składu fazowego oraz wytrzymałości mechanicznej. Wytworzone preparaty kościozastępcze przetrzymywano w symulowanym płynie fizjologicznym (SBF) przez okres 14 dni. Oznaczono zmiany stężenia pierwiastków: Ag, Ca, K, Mg, Na, S, P w płynie SBF w czasie trwania inkubacji wykorzystując technikę emisyjnej spektrometrii optycznej z indukcyjnie sprzężoną plazmą (IC- P-OES). Przeprowadzono przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego obserwacje morfologii powierzchni uzyskanych materiałów po 7 i 14 dniach przetrzymywania ich w symulowanym płynie fizjologicznym. Badania SEM potwierdziły narastanie warstwy apatytowej na powierzchniach badanych preparatów, co wskazuje na ich charakter bioaktywny. Materiały implantacyjne, w których zastosowano półwodny siarczan (VI) wapnia, w związku z ich dużą podatnością do dezintegracji i biodegradacji, wykazywały odmienną morfologię powierzchni w porównaniu do preparatów, w których składnikiem wiążącym był α-TCP Wzrost zawartości: Ca i S w płynie SBF podczas trwania inkubacji badanych cementów z udziałem CSH po twierdziło ich stopniową degradację in vitro.Calcium Phosphates (CaPs), used successfully in the regeneration and reconstruction of bone tissue, belong to the group of bioactive materials, capable to form a direct bond with natural bone. Biphasic materials (bone substitutes) based on HA (hydroxyapatite) and α-TCP (α-tricalcium phosphate) as well as HA and CSH (calcium sulfate hemihydrate) in the form of easily shapeable cement pastes are very interesting implant materials. Introduction of different ions such as silver or magnesium into the structure of hydroxyapatite changes its physicochemical and biological properties. The combination of hydroxyapatite and calcium sulfate hemihydrate (the last one has been used in medicine for many years under the name of Plaster of Paris) leads to the fabrication of materials with high surgical handiness and controlled biodegradation. The aim of this study was development and evaluation of the bioactive potential in vitro of the new cement type bone substitutes based on CaPs and CSH. Initial cement powders consisted of synthesized at the Faculty of Materials Science and Ceramics - AGH-UST silver doped hydroxyapatite (AgHA), magnesium doped carbonated hydroxyapatite (MgCHA), α-TCP and CSH (Acros Organics). 1 wt.% chitosan solution in 0.3 wt.% acetic acid as well as 0.75 wt. % methylcellulose solution in 2 wt.% Na2HPO4 were applied as liquid phases. Setting time, phase composition and mechanical strength of developed implant materials were examined. Obtained bone substitutes were incubated in simulated body fluid (SBF) for 14 days. Changes in the concentration of the following elements: Ag, Ca, K, Mg, Na, S, P in SBF were determined by simultaneous inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Observations of the surface morphology of obtained materials after 7 and 14 days of incubation in simulated body fluid were carried out using scanning electron microscopy. SEM studies confirmed the growth of an apatite layer on the surfaces of tested materials, what indicates on their bioactivity. Implant materials based on calcium sulfate hemihydrate, due to their high susceptibility to disintegration and biodegradation, showed a different surface morphology compared to the materials based on a-TCP as a binding agent. The increase in the content of Ca and S elements in SBF during the incubation of studied bone cements with CSH confirmed their gradual degradation in vitro