SPIS TREŚCI WPROWADZENIE... 1 I. PRZEGLĄD LITERATURY... 3 1.1. Podział biomateriałów... 3 1.2. Biomateriały w medycynie regeneracyjnej... 8 1.3. Materiały kościozastępcze... 11 1.4. Wymagania stawiane biomateriałom kościozastępczym... 13 1.4.1 Biozgodność... 13 1.4.2 Bioaktywność... 14 1.4.3. Porowatość... 18 1.4.4. Biodegradowalność /Bioresorbowalność... 20 1.4.5 Właściwości powierzchniowe... 23 1.4.6. Właściwości mechaniczne... 25 1.5. Cementy kostne... 27 1.6. Charakterystyka wybranych komponentów fazy stałej cementów kostnych... 32 1.6.1. Fosforany (V) wapnia (CaPs)... 32 1.6.2. Siarczan (VI) wapnia... 42 1.7. Wymagania stawiane cementom kostnym... 44 1.7.1. Czas wiązania... 44 1.7.2. Porowatość cementów kostnych po związaniu... 46 1.7.3. Reologia past cementowych... 48 1.7.4. Wytrzymałość mechaniczna cementów kostnych po związaniu... 51
II CEL, TEZA I ZAKRES PRACY... 54 III CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA... 57 2. Metodyka badawcza... 57 2.1. Pomiar powierzchni właściwej proszków metodą BET... 57 2.2. Analiza rentgenograficzna składu fazowego proszków i tworzyw (XRD i XRF)... 57 2.3. Spektroskopia oscylacyjna w podczerwieni (FT-IR) oraz spektroskopia Ramanowska (FT-Raman)..... 59 2.4. Ocena morfologii ziaren proszków metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM)... 59 2.5. Pomiar czasów wiązania past cementowych... 60 2.6. Badanie mikrostruktury materiałów metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)... 60 2.7. Pomiar porowatości otwartej metodą porozymetrii rtęciowej (MIP)... 61 2.8. Reologia past cementowych... 61 2.9. Pomiar wytrzymałości na ściskanie próbek cementowych po związaniu... 61 2.10. Ocena stabilności chemicznej i bioaktywności materiałów... 62 2.11. Badanie topografii powierzchni metodą mikroskopii sił atomowych (AFM)... 64 2.12. Sterylizacja radiacyjna próbek badania metodą spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR )... 65 2.13. Badania komórkowe... 66 2.14. Badania kinetyki uwalniania leków... 69
3. Charakterystyka surowców wyjściowych... 72 3.1. Hydroksyapatyt dotowany jonami tytanu (TiHA, Titanium doped hydroxyapatite)..72 3.1.1. Otrzymywanie proszków... 72 3.1.2. Charakterystyka proszków... 72 3.2. Półwodny siarczan (VI) wapnia (CSH, Calcium Sulphate Hemihydrate)... 78 3.3. Alfa-fosforan (V) wapnia (α-tcp, α-tricalcium phosphate)... 78 3.3.1. Otrzymywanie proszków... 78 3.3.2. Charakterystyka proszków... 78 3.4. Granule hydroksyapatytowe (GHA)... 80 3.4.1. Otrzymywanie granul GHA... 80 3.4.2. Charakterystyka granul GHA... 81 3.5. Granule oparte na dwuwodnym siarczanie (VI) wapnia (GCSD)... 81 3.3.1. Otrzymywanie granul GCSD... 81 3.3.2. Charakterystyka granul GCSD... 82 3.6. Charakterystyka surowców wchodzących w skład fazy ciekłej... 82 3.7. Skład opracowanych cementów kostnych... 83 3.7.1. Skład opracowanych cementów kostnych serii I... 83 3.7.2. Skład opracowanych cementów kostnych serii II... 84 3.7.3. Skład opracowanych cementów kostnych serii III... 86 4. Przygotowanie próbek cementowych do badań... 87
5. Wyniki badań i ich omówienie... 88 SERIA I: Cementy kostne oparte na siarczanie (VI) wapnia oraz hydroksyapatycie dotowanym tytanem 5.1. Wpływ stosunku masowego komponentów proszkowych w wyjściowych mieszankach cementowych układu CSH-TiHA na właściwości materiałów po związaniu... 88 5.1.1 Pomiar czasu wiązania past cementowych układu CSH-TiHA... 88 5.1.2 Badania składu fazowego cementów układu CSH-TiHA... 91 5.1.3. Badanie mikrostruktury związanych cementów kostnych układu CSH-TiHA... 92 5.1.4. Badanie porowatości otwartej materiałów układu CSH-TiHA metodą porozymetrii rtęciowej (MIP)... 95 5.1.5 Pomiar wytrzymałości na ściskanie próbek cementowych układu CSH-TiHA po związaniu... 97 5.2. Wpływ wstępnej obróbki cieplnej hydroksyapatytu dotowanego tytanem (TiHA) na właściwości cementów kostnych... 100 5.2.1 Pomiar czasu wiązania past cementowych układu CSH-TiHA o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA... 100 5.2.2 Badanie składu fazowego cementów układu CSH-TiHA o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA... 101 5.2.3. Badanie mikrostruktury związanych cementów kostnych układu CSH-TiHA o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA... 109 5.2.4. Badanie porowatości otwartej materiałów układu CSH-TiHA o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA metodą porozymetrii rtęciowej (MIP)... 111 5.2.5 Reologia past cementowych układu CSH-TiHA o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA... 112
5.2.6. Pomiar wytrzymałości na ściskanie próbek cementowych układu CSH-TiHA o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA po związaniu... 115 5.2.7. Ocena stabilności chemicznej i bioaktywności cementów kostnych układu CSH- TiHA, o różnej temperaturze obróbki cieplnej TiHA, w testach in vitro... 116 5.2.8 Badanie powierzchni materiałów układu CSH-TiHA metodą mikroskopii sił atomowych AFM... 123 5.2.9. Podsumowanie I serii badań... 125 SERIA II : Cementy kostne oparte na alfa-fosforanie (V) wapnia (α-tcp) 5.3. Wpływ wstępnej obróbki cieplnej hydroksyapatytu dotowanego tytanem (TiHA) na właściwości cementów kostnych... 128 5.3.1. Pomiar czasu wiązania past cementowych opartych na α-tcp... 128 5.3.2. Badanie składu fazowego cementów opartych na α-tcp... 131 5.3.3. Badanie mikrostruktury związanych cementów kostnych opartych na α-tcp... 135 5.3.4. Badanie porowatości otwartej materiałów opartych na α-tcp metodą porozymetrii rtęciowej (MIP)... 136 5.3.5. Reologia past cementowych opartych na α-tcp... 141 5.3.6. Pomiar wytrzymałości na ściskanie próbek cementowych opartych na α-tcp po związaniu... 143 5.3.7. Ocena stabilności chemicznej i bioaktywności cementów kostnych opartych na α-tcp w testach in vitro.... 146 5.3.8 Badanie powierzchni materiałów opartych na α-tcp metodą mikroskopii sił atomowych AFM... 154 5.3.9. Podsumowanie II serii badań... 158
SERIA III : Cementy kostne oparte na alfa-fosforanie (V) wapnia i granulach GHA i GCSD 5.4. Wpływ składu fazy stałej i ciekłej na właściwości cementów opartych na alfa - fosforanie (V) wapnia i granulach GHA i GCSD... 160 5.4.1. Pomiar czasu wiązania past cementów kompozytowych układu α-tcp granule GHA lub GCSD... 160 5.4.2. Badanie składu fazowego cementów kompozytowych układu α-tcp - granule GHA lub GCSD... 161 5.4.3. Badanie mikrostruktury związanych cementów kompozytowych układu α-tcp - granule GHA lub GCSD... 162 5.4.4. Badanie porowatości otwartej materiałów układu α-tcp - granule GHA lub GCSD metodą porozymetrii rtęciowej (MIP)... 164 5.4.5. Pomiar wytrzymałości na ściskanie próbek cementów kompozytowych układu α-tcp - granule GHA lub GCSD po związaniu... 165 5.4.6. Ocena stabilności chemicznej i bioaktywności cementów kompozytowych układu α-tcp - granule GHA lub GCSD w testach in vitro... 166 5.4.7. Podsumowanie III serii badań... 172 6. Analiza metodą spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) zmian zachodzących w cementach kostnych poddanych sterylizacji radiacyjnej... 174 6.1. Cementy kostne układu CSH-TiHA... 174 6.2. Cementy kostne oparte na α-tcp... 177 7. Wyniki badań komórkowych i ich omówienie... 180 8. Wyniki badań kinetyki uwalniania leków i ich omówienie... 187 IV. WNIOSKI... 192 V. LITERATURA... 195