Badania warstw apatytowych na termostatowanych w SBF pod o ach metalicznych z pow okami krzemianowo-fosforanowymi

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 4, (2011), Badania warstw apatytowych na termostatowanych w SBF pod o ach metalicznych z pow okami krzemianowo-fosforanowymi MAGDALENA ROKITA Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, Kraków rokita@agh.edu.pl Streszczenie Mody kacja w a ciwo ci materia ów metalicznych, poprzez na o enie warstwy krzemianowo-fosforanowej, stwarza mo liwo znacznej poprawy ich biozgodno ci i bioaktywno ci. Wst pn ocen bio-w a ciwo ci warstw umo liwiaj testy in vitro polegaj ce na termostatowaniu materia u w sztucznym osoczu (SBF). Badaniom poddano próbki na pod o u ze stopu Ti6Al4V pokryte wielowarstwow pow ok powsta w wyniku na o enia warstw zolu krzemionkowo-tytanowego, a nast pnie zolu krzemionkowego z dodatkiem zmiennej zawarto ci wapnia lub hydroksyapatytu (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ). Porównywano próbki przed i po procesie termostatowania. Zestawienie i analiza wyników bada dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii w podczerwieni i mikroskopii skaningowej z mikroanaliz rentgenowsk pozwala na stwierdzenie, e w trakcie termostatowania w SBF na wszystkich przygotowanych pod o ach narastaj fazy zawieraj ce wap. Na warstwach wzbogaconych w wap obserwuje si narastanie apatytu wapniowego oraz wollastonitu, natomiast na warstwach wzbogaconych w hydroksyapatyt apatytu wapniowego, przy czym sk ad warstwy ma wp yw zarówno na ilo, krystaliczno, jak i na sk ad powstaj cego apatytu. S owa kluczowe: pow oki krzemianowo-fosforanowe, apatyty wapniowe, termostatowanie w SBF STUDIES ON THE APATITE-SILICATE-PHOSPHATE LAYERS ON METAL SUBSTRATES SOAKED IN SBF The modi cation of metal material properties by depositing silicate-phosphate layers makes it possible to improve biocompatibility and bioactivity of the resultant material. The in vitro tests in simulated body uid (SBF) are useful for the preliminary estimation of material bioactivity. The series of Ti6Al4V alloy materials coated with a silicate-titanate prelayer and a nal silicate layer with the addition of calcium or hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) were prepared, and soaked in SBF. The samples before and after soaking were compared. The speci- cation and comparison of the data results derived from XRD powder diffraction, infrared spectroscopy and electron scanning microscopy show growth of phases containing calcium in all prepared layers. The chemical composition of the layer has in uence on amount, crystallinity and type of the formed apatite. The growth of calcium apatite and wollastonite was observed in the case of calcium added layers while only calcium apatite was present in the case of hydroxyapatite additions. Keywords: Silicate-phosphate layers, Calcium apatite, SBF soaking 1. Wst p Biozgodno i bioaktywno s wymogami powszechnie stawianymi biomateria om. Wery kacja tych w a ciwo- ci odbywa si bardzo kosztownymi i czasoch onnymi metodami in vivo, st d bardzo korzystne wydaje si wst pne oszacowanie przydatno ci i selekcjonowanie potencjalnych biomateria ów metod termostatowania w sztucznym osoczu (test in vitro w SBF) [1]. Je li w wyniku termostatowania w SBF materia nie rozpuszcza si i na powierzchni materia u osadza si warstwa o korzystnym sk adzie fazowym (fosforany wapnia, ewentualnie inne fazy takie jak np.: wollastonit) mo na si spodziewa jego pozytywnej reakcji równie w testach in vivo [2]. Bior c pod uwag potencjaln bioaktywno warstw mody kuj cych powierzchni metaliczn korzystne jest osadzanie warstw przy pomocy metod niskotemperaturowych takich jak metoda zol- el [3] czy elektroforeza [4]. Powstaj ce w ten sposób warstwy charakteryzuj si zazwyczaj licznymi mikrosp kaniami tworz cymi si w trakcie obróbki cieplnej materia u. Ods anianie si powierzchni metalicznej w wyniku sp ka mo na eliminowa stosuj c pow oki wielowarstwowe oraz dobieraj c sk ad poszczególnych warstw [5-7]. Warstwa na o ona bezpo rednio na pod o e metaliczne, stanowi ca pow ok przej ciow, powinna zapewni jak najlepsz przyczepno, natomiast warstwa zewn trzna powinna zapewnia zdolno materia u do tworzenia mi dzyfazowego po czenia implantu z tkank np. kostn (zwykle poprzez formowanie biologicznie aktywnego hydroksyapatytu (HAp) na powierzchni implantu) czyli bioaktywno materia u. Celem pracy by o porównanie struktury oraz oddzia ywania z SBF (narastania apatytu b d innych faz zawieraj cych wap ) pow ok o ró nym sk adzie chemicznych oraz wytypowanie sposobu nanoszenia warstw o potencjalnych w a ciwo ciach bioaktywnych. 793

2 M. ROKITA 2. Eksperyment Wszystkie pow oki nak adano na odt uszczone i wytrawione kszta tki ze stopu Ti6Al4V. Na pow ok przej ciow (podpow ok ) stosowano zol krzemianowo-tytanowy (zol Si-Ti) przygotowany z organicznych pochodnych krzemu i tytanu: Si(C 2 H 5 ) 4 i Ti(OC 3 H 7 ) 4 w alkoholu etylowym. Zol Si-Ti nak adano metod zanurzeniow dwukrotnie, a nast pnie próbki suszono i poddawano obróbce termicznej w atmosferze argonu w temperaturze 600 C. Jako materia na pow oki w a ciwe przygotowano dwa rodzaje zoli: zol krzemianowo-wapniowy (Si-Ca) sporz dzony z zolu Si(C 2 H 5 ) 4 z dodatkiem Ca(NO 3 ) 2. 4H 2 O; stosunek molowy Si:Ca wynosi od 95:5 do 70:30 (wszystkie sk ady wyszczególniono w Tabeli 1); zol krzemianowy z dodatkiem hydroksyapatytu (Si-HAp) sporz dzony z zolu Si(C 2 H 5 ) 4 wzbogaconego zawiesin drobnoziarnistego hydroksyapatytu syntetycznego (Aldrich) w alkoholu etylowym; proporcje dodatku zawiesiny hydroksyapatytowej by y dobrane, tak aby utrzyma stosunek molowy Si:Ca od 95:5 do 70:30 (sk ady wyszczególniono w Tabeli 1). X`Pert rmy Philips; promieniowanie monochromatyczne CuK z wykorzystaniem zespo u optyki wi zki równoleg ej (GID), w sk ad którego wchodz szczeliny Sollera oraz monochromator na wi zce ugi tej) i mikroanalizie rentgenowskiej po czonej z mikroskopowymi obserwacjami morfologii powierzchni (mikroskop skaningowy JSM 5400 JEOL z mikroanalizatorem rentgenowskim rmy LINK ISIS seria 300). Tabela 1. Oznaczenia próbek i sk ady otrzymanych pow ok. Table 1. Sample names and composition of the obtained layers. Nazwa próbki z pow ok Si-Ca Si tsi Si05Ca tsi05ca Si10Ca tsi10ca Si15Ca tsi15ca Si20Ca tsi20ca Si25Ca tsi25ca Si30Ca tsi30ca Stosunek molowy Si:Ca - 95:5 90:10 85:15 80:20 75:25 70:30 Nazwa próbki z pow ok Si - HAp Si tsi Si05HAp tsi05hap Si10HAp tsi10hap Si15HAp tsi15hap Si20HAp tsi20hap Si25HAp tsi25hap Si30HAp tsi30hap Stosunek molowy Si:Ca - 95:5 90:10 85:15 80:20 75:25 70:30 - próbki z pow ok bez dodatku Ca lub HAp traktowano jako próbki odniesienia, - nazwy próbek termostatowanych poprzedzone s liter t. Zole na pow ok w a ciw (Si-Ca lub Si-HAp) nak adano równie dwukrotnie metod zanurzeniow, a nast pnie suszono i poddawano obróbce termicznej w atmosferze argonu w temperaturze 600 C. Otrzymane próbki poddawano termostatowaniu w SBF, przygotowanym wg. procedury zaproponowanej przez Kokubo [8], w temperaturze 37 C, utrzymuj c sta e ph roztworu równe 7,3 przez okres 6 tygodni. Opisany powy ej schemat przygotowania próbek przedstawiono na Rys. 1. Wszystkie próbki, zarówno przed jak i po procesie termostatowania w SBF, poddano badaniom spektroskopowym w podczerwieni (spektrometr fourierowski BioRad: MIR-FTS60v), rentgenowskim (dyfraktometr rentgenowski Rys. 1. Schemat przygotowania próbek. Fig. 1. Scheme of the sample preparation. 3. Wyniki pomiarów i dyskusja Analiza wyników pomiarów XRD dla wszystkich przygotowanych eli, poddanych obróbce termicznej w powietrzu, wykaza a amor czno otrzymanych materia ów: ca kowity brak re eksów na rentgenogramach i charakterystyczny efekt podniesionego t a ( halo ) w zakresie ok (2 ). W przypadku próbek w postaci blaszek ze stopu Ti6Al4V pokrytych wielowarstwowymi pow okami na rentgenogramach obserwowane s wy cznie re eksy charakterystyczne dla krystalicznego pod o a. Dopiero zmiana kon guracji dyfraktometru rentgenowskiego i wykonanie pomiarów w geometrii sta ego k ta padania (grazing incidence diffraction GID) umo liwiaj wyodr bnienie re eksów zwi zanych z obecno ci pow ok. Rentgenowska analiza fazowa wskazuje, e dominuj cymi w pow okach fazami s s abokrystaliczne fosforany wapnia - hydroksyapatyt lub inne fosforany o zbli- onej strukturze. Dla serii Si**Ca obserwuje si dodatkowo nieliczne re eksy o bardzo niskiej intensywno ci zwi zane najprawdopodobniej z obecno ci w pow oce cz ciowo zamor zowanego wollastonitu; re eksy te prawie ca kowicie zanikaj dla serii tsi**ca. Intensywno ci w maksimum re eksów zwi zanych z obecno ci w pow oce apatytów rosn, zgodnie z przewidywaniami, wraz ze wzrostem zawarto ci dodatków Ca oraz HAp, przy czym s wi ksze w przypadku serii Si**HAp. Porównuj c wyniki XRD-GID dla analogicznych próbek przed i po termostatowaniu w SBF mo na stwierdzi, e intensywno ci w maksimum re eksów apatytowych nie rosn, a w wi kszo ci nawet malej dla próbek po termostatowaniu, co sugerowa oby brak narastania hydroksyapatytu na pow okach w trakcie tego procesu. Jednak- 794 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 4, (2011)

3 BADANIA WARSTW APATYTOWYCH NA TERMOSTATOWANYCH W SBF POD O ACH METALICZNYCH Z POW OKAMI KRZEMIANOWO-FOSFORANOWYMI a) Rys. 3. Morfologia powierzchni (a) i widmo EDX (punkt 2) ( próbki tsi20ca. Fig. 3. Morphology (a) and EDX spectrum(point 2) ( of the tsi20ca sample. e szczegó owa analiza wyników wykazuje, e intensywno- ci integralne omawianych pasm wyra nie wzrastaj. Prawdopodobnie w trakcie termostatowania w SBF na pow okach narasta apatyt o mniejszych wielko ciach krystalitów ni ten wprowadzony jako dodatek w serii Si**HAp, jak równie ten powsta y w trakcie obróbki termicznej w próbkach Si**Ca. W celu potwierdzenia powy szej hipotezy przeprowadzono mikroanaliz rentgenowsk oraz wykonano analiz spektroskopow w podczerwieni. Szczegó owa analiza wyników EDX zosta a zaprezentowana na przyk adzie próbek Si20Ca (Rys. 2), tsi20ca (Rys. 3) oraz Si20HAp (Rys. 4) i tsi20hap (Rys. 5). W ka dym przypadku wykonywano mikroanaliz rentgenowsk dla kilku charakterystycznych punktów, a nast pnie wybierano wynik najbardziej reprezentatywny dla danej próbki. Obecno pików wiadcz cych o wyst powaniu Ti wi zano z zawarto ci Ti w nanoszonym na próbki zolu, aczkolwiek nie da si wykluczy, e cz ciowo intensywno danego piku jest powi zana z pod o em metalicznym. Przy tym za o eniu zanik pików charakterystycznych dla Ti w przypadku próbek po termostatowaniu mo na interpretowa jako wynik narastania na powierzchni dobrze kryj cej warstwy fosforanowowapniowej, zw aszcza e równocze nie, w sposób skorelowany, zmniejsza si intensywno, b d wr cz zanika pik zwi zany z obecno ci Si. Równocze nie obserwua) Rys. 2. Morfologia powierzchni (a) i widmo EDX (punkt 3) ( próbki Si20Ca. Fig. 2. Morphology (a) and EDX spectrum (point 3) ( of the Si20Ca sample. je si wzrost intensywno ci pików charakterystycznych dla Ca oraz P. Widmo EDX próbki Si20Ca (Rys. 2) charakteryzuje si obecno ci intensywnych pików Ti i Si, rednio intensywnych pików Ca i P, s abego piku C oraz bardzo s abego piku Al; na widmie EDX próbki po termostatowaniu w SBF (Rys. 3) obserwuje si wy cznie piki Ca i P oraz s aby C. Widmo EDX próbki Si20HAp (Rys. 4) jest analogiczne do widma próbki Si20Ca, przy czym intensywno pików Ca i P jest ni sza, natomiast pik Al praktycznie zanika; wprowadzony do zolu hydroksyapatyt prawdopodobnie wp ywa na zwi kszenie napr e w warstwie, a tym samym zwi ksza ilo sp ka ods aniaj cych warstw podpow oki - daje s absze efekty ni apatyty powstaj ce w trakcie obróbki termicznej pow oki. Dla próbki po termostatowaniu (Rys. 5) oprócz intensywnych pików Ca i P obserwuje si wyra ne efekty dla Si i Ti. Wyniki uzyskane dla pozosta ych próbek poszczególnych serii s analogiczne, przy czym wzrost intensywno ci pików Ca i P jest skorelowany z zawarto ci dodatków do zolu Si-Ti: dla serii Si**Ca i tsi**ca w przypadku próbek od 5 do 25 % Ca (30-procentowy dodatek Ca nie powoduje wi kszego, obserwowalnego efektu narastania apatytu ni dodatek 25-procentowy); dla serii Si**HAp i tsi**hap w przypadku próbek od 5 do 20 % Ca (25-30-procentowy dodatek HAp nie powoduje MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 4, (2011) 795

4 M. ROKITA a) widm serii Si**HAp, obecno ci pasm charakterystycznych dla grup w glanowych (dublet ok i 1460 cm -1 ) oraz brakiem pasma przy ok. 630 cm 1 (drgania grupy OH). Przyk adowe zestawienie widm podczerwieni, obejmuj ce widma syntetycznego krystalicznego HAp, wynik odejmowania widm dla pow ok tsi20hap i Si20HAp, wynik odejmowania widm dla pow ok tsi20ca i Si20Ca oraz HAp naturalny, zaprezentowano na Rys. 8. Apatyt powstaj cy w wyniku termostatowania w SBF na pow okach Si**HAp ma sk ad zbli ony do hydroksyapatytu syntetycznego przy czym wyniki XRD wskazuj na jego mniejsz krystaliczno. Termostatowanie próbek z pow okami Si**Ca prowadzi do powstawania apatytu zawieraj cego podstawienia w glanowe; apatyt ten jest bardzo s abokrystaliczny. Otrzymane warstwy umo liwiaj narastanie apatytów wapniowych w trakcie termostatowania w rodowisku sztucznego osocza. Pod k tem po danych potencjalnych w a ciwo ci bioaktywnych korzystniejsze wydaj si by pow oki z dodatkiem Ca, przy czym optymalna zawarto dodatku kszta tuje si w granicach % mol. Na pow okach tych narasta zamor zowany apatyt w glanowy. Pow oki otrzymane na bazie zolu z dodatkiem HAp, o optymalnej zawarto ci ok % mol., równie sprzyjaj narastaniu apatya) Rys. 4. Morfologia powierzchni (a) i widmo EDX (punkt 2) ( próbki Si20HAp. Fig. 4. Morphology (a) and EDX spectrum (point 2) ( of the Si20HAp sample. wi kszego, obserwowalnego efektu narastania apatytu ni dodatek 20-procentowy). Porównanie widm EDX otrzymanych serii próbek przed i po termostatowaniu w SBF prowadzi do wniosku, e wi cej hydroksyapatytu narasta w trakcie termostatowania w SBF na próbkach serii Si**Ca ni serii Si**HAp. Opracowanie wyników bada spektroskopowych w podczerwieni przeprowadzono analizuj c efekty na widmach dla poszczególnych serii próbek, porównuj c wyniki w przypadku próbek przed i po termostatowaniu w SBF oraz porównuj c próbki o analogicznych sk adach z ró nymi dodatkami (prezentowane serie Si**Ca i Si**HAp o zawarto ci dodatków 5-20 %), co przedstawiono na Rys. 6 i Rys. 7. Dodatkowo przeprowadzono obróbk matematyczn widm w programie BIO-RAD Win-IR polegaj c na odj ciu od siebie parami widm próbek po i przed termostatowaniem w SBF, przyjmuj c, e otrzymany efekt charakteryzuje materia osadzony na pow oce w trakcie termostatowania w SBF. Szczegó owo przeanalizowano zakres cm 1 (pasma zwi zane z drganiami P-O w fosforanach) oraz cm 1 (zakres charakterystyczny dla w glanów), natomiast pomini to analiz zakresu cm 1 (nak adanie si pasm zwi zanych z drganiami Si-O, P-O i Ti-O). Widma pow ok serii Si**Ca charakteryzuj si, w przeciwie stwie do Rys. 5. Morfologia powierzchni (a) i widmo EDX (punkt 4) ( próbki tsi20hap. Fig. 5. Morphology (a) and EDX spectrum (point 4) ( of the tsi- 20HAp sample. 796 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 4, (2011)

5 BADANIA WARSTW APATYTOWYCH NA TERMOSTATOWANYCH W SBF POD O ACH METALICZNYCH Z POW OKAMI KRZEMIANOWO-FOSFORANOWYMI Rys. 6. Widma MIR serii próbek Si**Ca - patrz c od góry: 20, 15, 10, 5 % Ca. Fig. 6. MIR spectra of the Si**Ca sample series, looking from the top: 20, 15, 10, 5 % Ca. Rys. 8. Widma MIR: a syntetyczny, krystaliczny HAp, b wynik odejmowania widm dla pow ok tsi20hap i Si20HAp, c wynik odejmowania widm dla pow ok tsi20ca i Si20Ca, d HAp naturalny. Fig. 8. MIR spectra of synthetic, crystalline HAp (a), subtraction of the tsi20hap and Si20HAp layers (, subtraction of the tsi20ca and Si20Ca layers (c), natural HAp (d). Analiza zachowania si materia ów pow okowych w trakcie termostatowania w SBF pozwala na wytypowanie sposobu nanoszenia warstw o potencjalnych w a ciwo- ciach bioaktywnych. Podzi kowania Praca zosta a sfinansowana w ramach projektu nr Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Literatura Rys. 7. Widma MIR serii próbek Si**HAp patrz c od góry: 20, 15, 10, 5 % HAp. Fig. 7. MIR spectra of the Si**HAp sample series, looking from the top: 20, 15, 10, 5 % HAp. tów wapniowych, przy czym narastaj cy materia jest bardziej krystaliczny w porównaniu z pow okami z dodatkiem Ca. 4. Podsumowanie Zastosowanie techniki GID wydatnie zwi ksza mo liwo- ci interpretacji wyników bada XRD dla niskokrystalicznych materia ów pow okowych. Podpow oka Si-Ti korzystnie wp ywa na przyczepno pow oki oraz na narastanie apatytu w trakcie termostatowania. HAp powstaj cy w wyniku termostatowania jest bardziej amor czny ni HAp z pow oki w a ciwej. Apatyt powstaj cy na pow okach krzemianowo-tytanowych z dodatkiem hydroksyapatytu ma budow i sk ad bli sze syntetycznemu, krystalicznemu hydroksyapatytowi, a apatyt na pow okach z dodatkiem wapnia apatytowi w glanowemu o wi kszej amor zacji (apatyt naturalny). Dobór sk adu jako ciowego i ilo ciowego zoli na pow oki mody kuj ce w a ciwo ci metalicznego pod o a umo liwia kontrolowanie sk adu oraz krystaliczno ci powstaj cego w trakcie termostatowania w SBF apatytu. [1] Juhasz J.A., Best S.M., Bon eld W., Kawashita M., Miyata N., Kokubo T., Nakamura T.: Apatite-forming ability of glass-ceramic apatie-wollastonite-polyethylene composites: effect of ller content, J. Mater. Sci.: Mater. Med., 14, (2003), 489. [2] Kokubo T., Takadama H.: How useful is SBF predicting in vivo bone bioactivity?, Biomaterials, 27, (2006), [3] Liu D-M., Yang Q., Troczynski T., Tseng W. J.: Structural evolution of sol-gel-derived hydroxyapatite, Biomaterials, 23, (2002), [4] Stojanovic D., Jokic B., Veljovic Dj., Uskokovic P. S., Janackovic Dj.: Bioactive Glass-apatite composite coating fot titanium implant synthesized by electrophoretic deposition, J. Eur. Cer. Soc., 27, (2007), [5] Rokita M.: The comparison of phosphate-titanate-silicate layers on the titanium and Ti6Al4V alloy base, Spectrochim. Acta Part A, 79, (2011), 733. [6] Rokita M., Bro ek A., Handke M.: Phospho-solicate and silicate layers modi ed by hydroxyapatite particles, J. Mol. Struct., , (2005), 589. [7] Zhang Q., Leng Y.: Electrochemical activation of titanium for biomimetic coating of calcium phosphate, Biomaterials, 26, (2005), [8] Kokubo T.: Novel Bioactive Materials Derived from Glasses, Proc. Internat. Congress Glass, 7, (1992), 119. Otrzymano 2 listopada 2011, zaakceptowano 25 listopada 2011 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 4, (2011) 797