Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (2), 261-273.

Взаємозв’язок структурних параметрів поверхні кальційфосфатосилікатних покриттів на сплавах титану з їхньою біологічною активністю



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.02.261

O. V. Savvova, O. I. Fesenko, H. K. Voronov, M. V. Karbazin

Анотація


Метою даної роботи є встановлення взаємозв’язку структурних параметрів поверхні кальційфосфатосилікатних покриттів на сплавах титану з їх біоактивністю.

Структуру матеріалу вивчали за допомогою петрографічного (мікроскоп Мі-2е) та рентгенофазового (ДРОН-3М) методів аналізу. Розчинність та біоактивність покриттів оцінювали в дистильованій воді (ГОСТ Р 31576-2012) та розчинах: модельній рідині організму (МРО) (ISO 23317:2012) і 10 % розчині альбуміну. Вільну енергію поверхні визначали методом Оуенса-Вендета-Ребел-Каебле. Мікрорельєф поверхні покриттів оцінювали за середнім арифметичним відхиленням профілю Ra (Surtronic 3+ profilometer). Структуру поверхневого шару досліджували рентгенофлуоресцентним (спектрометр-аналізатор «СПРУТ») і рентгеноспектральним (скануючий електронний мікроскоп РЕМ Tesla 3 LMU та енергодисперсійний спектрометр Oxford X-max 80 mm) методами. Поведінку стовбурових клітин на поверхні покриттів оцінювали методом флуоресцентної мікроскопії (Carl Zeiss Axio Observer Z1).

Обрано критерії одержання біосумісних склокристалічних покриттів по титану та зварено вихідні модельні стекла. За шлікерною технологією нанесення в умовах короткотривалої низькотемпературної термічної обробки синтезовано склокристалічні покриття по титану. Встановлено, що модельні стекла, після термообробки, характеризуються перебігом об’ємної тонкодисперсної (кристали розміром менше 1 мкм) кристалізації фосфатів кальцію – ГАП і ФАП (Σ ≈ 24÷44 об. %). Підтверджено можливість мимовільної адсорбції протеїнів на поверхні покриттів завдяки забезпеченню параметрів покриття: ВЕП ≈ 65 мДж/м2, Ra ≈ 3.5 мкм і наявності наскрізних пор діаметром 10÷100 мкм.

Досліджено зміни структури і складу поверхні покриттів після витримки в МРО впродовж 1 місяця. Встановлено що забезпечення для даних модельних стекол комплексу показників, а саме: розчинність в дистильованій воді (30 днів) – 0.89 мас. %; вихід іонів Ca2+ – 0.26 мас. % та груп [РO4]3–0.162 мас. %, рН ~ 7.3, є достатнім для формування прекурсорів гідроксиапатиту на поверхні покриттів in vitro. Встановлено поступове зміщення (наростання) поверхневих шарів покриття (за рахунок розчинення покриття і осадження компонентів МРО) в межах до 6.7 мкм і формування апатитоподібного шару за 28 днів витримки. Зазначені структурні та хімічні перетворення поверхні склокристалічного покриття дозволять сформувати міцний апатитоподібний шар протягом 35 днів в умовах in vitro. Утворення даного шару створює умови для збільшення площі розпластування мезенхімальних стовбурових клітин на поверхні покриттів і дає можливість їх використання при створенні біоінженерних конструкцій зі стовбуровими клітинами (in vivo).


Ключові слова


поверхня; кальційфосфатосилікатні покриття; структурні параметри; апатитоподібний шар

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Hench L.L. The future of bioactive ceramics. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2015. 26(86): 1. https://doi.org/10.1007/s10856-015-5425-3

2. Stroganova E.E., Mikhailenko N.Yu., Moroz O.A. Glass-Based Biomaterials: Present and Future (A Review). Glass Ceram. 2003. 60(9): 315. https://doi.org/10.1023/B:GLAC.0000008235.49161.32

3. Turkyilmaz Ilser. Implant Dentistry - A Rapidly Evolving Practice. (London: INTECH, 2011). https://doi.org/10.5772/706

4. Sarkisov P.D. Directional crystallization of glass - the basis for production of multifunctional glass-ceramic materials. (Moscow: D.I. Mendeleev Russian Chemical-Technological University, 1997). [in Russian].

5. Zagorodko O.V., Antonyuk N.G., Burban A.F. Genital characteristics of the basic osteosynthesis of implants for plastic brushing. Magisterium. 2008. (33): 29. [in Ukrainian].

6. Dubok V.A, Kostyuk G.Ya., Brusko A.T., Kindrat, V.V., Shynkaruk A.V., Kostiuk V.G. Improvement of bioactive ceramics used to restore bone tissue. Biomedical and Biosocial Anthropology. 2005. (4): 128. [in Russian].

7. Savvova O.V., Bragina L.L., Shadrina G.M., Babich O.V., Fesenko A.I. Surface properties of bio-compatible calcium-silicophosphate glass-ceramic materials and coatings (Review). Glass Ceram. 2017. 74(1): 29. https://doi.org/10.1007/s10717-017-9922-3

8. Dorozhkin S.V. Bioceramics based on calcium orthophosphates (Review). Glass Ceram. 2007. 64(11): 442. https://doi.org/10.1007/s10717-007-0109-1

9. Kubies D., Himmlová L., Riedel T., Chánová E., Balík K., Douděrová M., Bártová J., Pešáková V. The interaction of osteoblasts with bone-implant materials: The effect of physicochemical surface properties of implant materials. Physiol. Res. 2011. 60(1): 95. https://doi.org/10.33549/physiolres.931882

10. Karpov A.B., Shakhov V.P. External fixation systems and regulatory mechanisms for optimal biomechanics. (Tomsk: STT, 2001). [in Russian].

11. Khlusov I.A., Surmeneva M.A., Surmenev R.A., Ryazantseva N.V., Savelieva O.Ye., Ivanova A.A., Prokhorenko T.S., Tashireva L.A., Dvornichenko M.V., Pichugin V.F. Cellular and molecular aspects of immunologic compatibility of implants with nanostructured calcium phosphate coating. Bulletin of Siberian Medicine. 2012. 4(11): 78. [in Russian].

12. Yokavets N.V., Krutko N.P., Opanasenko O.N. Determination of surface free energy of powdery resin-asphaltene substances by Owens-Wendt-Rabel-Kaelble method. Sviridovskie Chteniya. 2012. 8: 253. [in Russian].

13. Savvova O.V., Shadrina G.M., Babich O.V., Fesenko O.I. Investigation of surface free energy of the glass ceramic coatings on titanium for medical purposes. Chem. Chem. Technol. 2015. 9(3): 349. https://doi.org/10.23939/chcht09.03.349

14. Beletskii B.I., Sventskaya N.V. Silicon in living organisms and new-generation biocomposite materials (Review). Glass Ceram. 2009. 66(3-4): 104. https://doi.org/10.1007/s10717-009-9136-4

15. Kiroshka V.V., Savvova O.V., Bozhkova Yu.O., Tamarina I.V., Fesenko A.I. Spreading and proliferation of cultured rat bone marrow stromal cells on the surface of bioactive glass ceramics. Biopolymers and Cell. 2017. 33(1): 48.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.02.261

Copyright (©) 2020 O. V. Savvova, O. I. Fesenko, H. K. Voronov, M. V. Karbazin