Kemik doku mühendisliği uygulamaları için saf ve klinoptilolit katkılı hidroksiapatit bileşiklerinin sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Kemik dokusunun temel inorganik bileşeni olan kalsiyum fosfat temelli hidroksiapatit (HA) bileşiği, yüksek biyouyumluluğu ve biyomimetik yapısı sayesinde Kemik Doku Mühendisliği'nde skafold ve dolgu malzemesi olarak yaygın şekilde kullanılan bir biyoseramiktir. HA büyük bir biyoaktif potansiyele sahip olmasına rağmen, sentetik HA'nın yüksek kristal stabilitesi onun in-vivo olarak biyoemilebilirliğini kısıtlamakta ve bu da dokuların iyileşme sürecini uzatmaktadır. Bu nedenle, hidroksiapatitin kristal özelliklerini ve biyoaktivitesini ayarlamak için farklı iyonik katkılarla ya da minerallerle zenginleştirme yönünde çeşitli araştırmalar gerçekleştirilmektedir. Son zamanlarda HA'ya katkı maddesi olarak çeşitli biyomimetik iyonlar oluşturan doğal minerallerden yararlanılmaktadır. Kemik Doku Mühendisliği'nde sentetik ve doğal zeolitler, anjiogenezi ve osteogenezi tetikleyen silikat bakımından zengin bileşimleri, gözenekli morfolojisi, yüksek yüzey alanı ve iyonik değişim kapasitesi nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir. Klinoptilolit (CLP), biyouyumlu bir aluminasilikat bazlı zeolittir ve sıklıkla biyomedikal uygulamalar için kullanılır. Bu çalışmada, %5, %10 ve %20 oranlarındaki ve CLP katkılı HA'in sol-jel metodu ile sentezi yapılarak farklı sıcaklıklarda (800°C, 950°C ve 1100°C) sinterlenmiştir. Üretilen saf ve CLP katkılı HA numuneleri çeşitli morfolojik, kimyasal, mekanik ve biyolojik analizler ile karakterize edilmiştir. Sol-jel yöntemi, hidroksiapatit sentez yöntemlerinden en başarılı sonuç alınan, işlem tekrarlanabilirliği ve kolaylığı yönünden çok sık tercih edilen yöntemdir. Sol-jel yöntemi reaktiflerin moleküler düzeyde karışması, homojen partiküller elde edilmesi, düşük sıcaklıkta gerçekleştirilebilmesi, basınç gerektirmemesi ve yüksek saflıkta ürün elde edilmesi gibi avantajlara sahiptir. Ayrıca bu proseste partikül boyutu ve partikül şekli gibi özellikleri kontrol etmek mümkündür. SEM ve S-TEM ile yapılan morfolojik karakterizasyonlara bakıldığında, nano boyutlu çubuksu biyomimetik partiküller elde edilmiştir. İnce tabakalar halinde bulunan geniş CLP partikülleri üzerine ince HA partikülleri yapışmış formda yer almaktadır. CLP katkılı HA numuneleri, 950°C ve 1100°C'de camsı yapıda ve birbirine bağlı porozif bir mikro yapıya sahiptir. 800°C'de sinterlenen numunelerde %5, %10 ve %20 CLP katkısı kristalin yapıyı çok fazla etkilemediği ve bütün numunelerde saf HA fazının korunduğu görülmüştür. FT-IR ve XRD analiz sonuçları, katkılı numunelerde CLP konsantrasyonu arttıkça termal kararlılığın azalarak 950°C ve 1100°C'de tri-kalsiyum fosfat bileşiklerinin oluştuğunu göstermektedir. Biyouyumluluk ve sitotoksisite testleri, tüm CLP katkılarının hücre canlılığını olumlu yönde etkilediğini ve en yüksek konsantrasyondaki CLP katkısının en yüksek hücre canlılık oranına neden olduğunu göstermektedir. HA ve CLP katkılı HA'nın ölçülmüş olan BET sonuçları karşılaştırıldığında CLP katkısının, yüzey alanını ve gözenek boyutunu düşürdüğü görülmüştür. Ek olarak tüm örneklerin basınç dayanımı trabeküler kemik ve kortikal kemik basınç dayanımı değer aralığında olmasına rağmen en yüksek CLP oranı ve en yüksek sinterleme sıcaklığında maksimum mekanik dayanıma sahip olduğu tespit edilmiştir.

Calcium phosphate-based hydroxyapatite (HA) compound, the basic inorganic component of bone tissue, is a bioceramics widely used as scaffold and filling material in Bone Tissue Engineering, thanks to its high biocompatibility and biomimetic structure. Although HA has a great bioactive potential, the high crystal stability of synthetic HA limits its bioabsorbability in-vivo, which prolongs the healing process of tissues. Therefore, diverse studies are being carried out to enrich hydroxyapatite with different ionic additives or minerals to adjust its crystal properties and bioactivity. Recently, natural minerals composed of various biomimetic ions have been used as additives to HA. Synthetic and natural zeolites are frequently preferred in Bone Tissue Engineering due to their silicate-rich compositions that trigger angiogenesis and osteogenesis, porous morphology, high surface area and ionic exchange capacity. Clinoptilolite (CLP) is a biocompatible aluminasilicate-based zeolite and is frequently used for biomedical applications. In this study, 5%, 10% and 20% CLP-doped HA was synthesized by the sol-gel method and sintered at different temperatures (800°C, 950°C and 1100°C). The produced pure and CLP doped HA samples have been characterized by various morphological, chemical, mechanical and biological analyses. The sol gel method, among the hydroxyapatite synthesis methods provides the most successful results and is frequently preferred due to its repeatability and ease of monitoring. The biggest advantages of the synthesis are that the reagents are mixed at the molecular level, homogeneous particles are obtained, it can be carried out at low temperatures, does not require pressure, and high purity products are obtained. It is also possible to control properties such as particle size and particle shape in this process. Considering the morphological characterizations made with SEM and S-TEM, nano-sized rod-like biomimetic particles were obtained. Fine HA particles are adhered onto large CLP particles as thin layers. CLP-doped HA samples have a glassy and interconnected porous microstructure at 950°C and 1100°C. In the samples sintered at 800°C, it was observed that 5%, 10% and 20% CLP additives did not affect the crystalline structure much and the pure HA phase was preserved in all samples. FT-IR and XRD analyses results show that thermal stability decreases in doped samples as CLP concentration increases and tri-calcium phosphate compounds are formed in samples sintered at 950°C and 1100°C. Biocompatibility and cytotoxicity tests show that all CLP additives positively affect cell viability and the highest concentration of CLP additive causes the highest rate of cell viability. When the measured BET results of HA and CLP-doped HA were compared, it was seen that the CLP additive reduced the surface area and pore size. In addition, although the compressive strength of all samples was within the value range of trabecular bone and cortical bone compressive strength, it was determined that they had maximum mechanical strength at the highest CLP ratio sintered at the highest temperature.