Modification of biological properties of titanium using carbonated hydroxyapatite

Biokompozitni materijali za ortopediju i dentalnu medicinu razvijeni su kako bi se ujedinila bioaktivnost keramike i mehanička svojstva metala. Izvrsna biokompatibilnost i bioaktivnost hidroksiapatita se najčešće kombinira s inertnim kemijskim i dobrim mehaničkim svojstvima titanija kako bi se proizveo kompozit s povećanom biokompatibilnošću, bioaktivnošću i povoljnim mehaničkim svojstvima. Ovakvi kompoziti su netoksični i posjeduju visoku bioaktivnost. Međutim, udio titanija i hidroksiapatita u svakom kompozitu, kao i temperatura sinteriranja, mogu promijeniti njegove karakteristike te ih je potrebno istražiti. U ovom radu pripravljeni su kompozitni materijali na temelju hidroksiapatita (HAp) kao bioaktivne anorganske faze unutar titanijeve (Ti) matrice. Kako bi se omogućila izrada Ti-HAp kompozita pri nižim temperaturama, korišten je agens za sinteriranje titanijev hidrid, TiH2. Sastav kompozitnih uzorka utvrđen je rendgenskom difrakcijskom analizom i infracrvenom spektroskopijom s Fourierovim transformacijama. Morfologija kompozita istražena je pomoću pretražnog elektronskog mikroskopa i optičkog mikroskopa. Biološka karakterizacija kompozitnih materijala provedena je in vitro testom bioaktivnosti u simuliranoj tjelesnoj tekućini te mjerenjem citotoksičnosti indirektno i direktno na ljudskim embrionalnim stanicama Hek293. Identifikacija pripravljenih materijala ukazala je na dobru toplinsku stabilnost hidroksiapatita tijekom sinteriranja pri nižoj temperaturi uz pomoć titanijeva hidrida, dok je analiza mikrostrukture sinteriranih tijela pokazala povećanje poroznosti s većim udjelom HAp-a u kompozitu. Inkubacija kompozitnih materijala u simuliranoj tjelesnoj tekućini pokazala je veću bioaktivnost kompozita s većim udjelom bioaktivne keramike. Zaključno, in vitro kultura Hek293 stanica ukazala je na bolje širenje i preživljavanje stanica na kompozitnim materijalima u odnosu na titanijeve.Biocomposite materials for orthopedics and dental medicine have been developed in order to combine bioactivity of ceramics and mechanical properties of metals. The excellent biocompatibility and bioactivity of hydroxyapatite is usually combined with the inert chemical and superior mechanical properties of titanium in order to obtain a composite with enhanced biocompatibility, bioactivity and favorable mechanical properties. Those composites have been reported as non-toxic and highly bioactive. However, the ratio of titanium and hydroxyapatite in composites, as well as the sintering temperature, can alter their characteristics, and therefore, they need to be investigated. In this work, composite materials based on hydroxyapatite (HAp), as a bioactive inorganic phase, within a titanium matrix have been prepared. To allow the fabrication of Ti-HAp composites at lower temperatures, titanium hydride (TiH2) was used as sintering agent. X-ray diffraction analysis and Fourier transmission spectroscopy were used in composition identification. The morphology of the composites was investigated by scanning electron microscopy and optical microscopy. Biological characterization of composite materials was carried out by an in vitro bioactivity test in a simulated body fluid and by measuring cytotoxicity indirectly and directly on human embryonic Hek293 cells. The composite idenification indicated good thermal stability of hydroxyapatite during lower sintering temperature using titanium hydride, while microstructure imaging showed increase in porosity by increasing the HAp content. The incubation in simulated body fluid indicated higher bioactivity od composite with greater amount og bioactive ceramic. In conclusion, in vitro Hek293 culture showe better cell expansion and survival on composite materials with respect to titanium