Structural and mechanical characterization of calcium phosphate cements (CPCs) with different powder-liquid ratios

Abstract

Kalsiyum fosfat çimentoları kemik grefti için umut veren osteokondüktif kemikikameleridir. Bu çalısmada temel olarak karboksi metil selüloz ve jelatin içeren polimerikçözeltiye tetra kalsiyum fosfat (TTCP), dikalsiyum fosfat dihidrat (DCPD) ve kalsiyumsülfat dehidrat (CSD) tozlarının karıstırılmasıyla yeni kemik çimentoları hazırlanmıstır.Toz-sıvı oranı (62.5, 65, 67.5, and 70%) farklı olan örnekler üretilmis ve karakterizeedilmistir. Sentezlenen kompozitlerin yapısal ve mekanik özelliklerini karakterizeetmek için Fourier Dönüsümlü Kızılötesi Spectroskopisi (FTIR), Taramalı ElektronMikroskobu (SEM), X Isını Kırınımı (XRD), Thermo-gravimetrik analiz ve mekaniktestler gerçeklestirilmistir. FTIR sonuçları CMC deki COO grupları ve CPCs'den salınanCa2+ iyonları arasındaki elektrostatik etkilesimi dogrulamaktadır.Hidroksiapatit(HA) olusumu XRD ve SEM analizleriyle 28 gün fosfat tamponlu tuz (PBS) çözeltisiiçinde inkübe edilen örnekler üzerinde gözlemlendi ve degerlendirildi. Ayrıca kompozitlerinbaskı dayanım degerleri sırasıyla P62.5, P65, P67.5 ve P70 için 1:63 0:046,1:53 0:053, 0:91 0:015 ve 1:28 0:072 MPa olarak hesaplandı. Genel sonuçlar, enuygun toz-sıvı dagılımına, yüksek HA olusumunave yeterli mekanik özelliklere sahipolması açısından; %65 toz oranına sahip kompozitlerin kemik doku mühendisligi içinuygun olabilecegini göstermektedir.

Calcium phosphate cements (CPCs) are promising osteoconductive bone substitutesfor bone grafting. In this study, new bone cements were prepared by mixingpowders of tetra calcium phosphate (TTCP), dicalcium phosphate dihydrate (DCPD)and calcium sulfate dehydrate (CSD) to polymeric solution including CMC and gelatin.Samples with different powder-to-liquid ratio (62.5, 65, 67.5, and 70%) were fabricatedand characterized. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning ElectronMicroscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Thermo-gravimetric Analysis (TGA)and mechanical testing were performed to characterize structural and mechanical propertiesof synthesized composites. FTIR results confirmed the electrostatic interactionbetween COO groups in carboxymethyl cellulose (CMC) and Ca2+ ions released fromCPCs. Hydroxyapatite (HA) formation was observed and evaluated by XRD and SEManalysis on the samples incubated in phosphate buffer saline (PBS) solution for 28days. Furthermore, the compressive strength values of composites were calculated as1:63 0:046, 1:53 0:053, 0:91 0:015 and 1:28 0:072 MPa for P62.5, P65, P67.5,and P70, respectively. The overall results show that composite with 65% powder ratiomay be suitable for bone tissue engineering as it has the most proper mixing of thepowder and liquid phase, high HA formation and sufficient mechanical properties forbone regeneration.