The preparation and characterization of hydroxyapatite bioceramic implant material

Abstract

öz Bu çalışmada hidroksiapatit (HA) tozu ve seramiklerinin biyomalzemeler olarak kullanımı incelendi. HA seramiklerinin hazırlanması ve Bovin Serum Albumin (BSA) proteininin HA tozu üzerinde adsorpsiyonunun incelenmesinde ticari bir toz kullanıldı. HA tozu ve hazırlanan seramikler TGA, DTA, Optik Mikroskop, Mikrosertlik Cihazı, XRD, ve FTIR gibi tekniklerle karakterize edildi. Sinterleme çalışmaları 800°C'nin üstünde gözenekli seramiklerin ve 1200-1250°C aralığında yoğun seramiklerin hazırlanmasının mümkün olduğunu gösterdi. Hidroksiapatit tozu 1000°C'ye kadar yapılan termogravimetrik analizde toplam yaklaşık 5.5% ağırlık kaybetti ve bunun yüzde 80'inin adsorplanmış su olduğu sonucuna varıldı. Toz tanecik boyutunun mikronaltı ve 1 250°C'de sinterlenmiş yoğun seramikteki grain boyutunun l-5um aralığında olduğu saptandı. Maximum Vickers sertliği 97.2% yoğun seramikte 585 Hv. olarak ölçüldü. Tozun ve yoğun 1250°C seramiğinin XRD desenleri özdeş ve saf tek faza oldukça yakın bulundu. Toz hazırlamadan kaynaklandığı düşünülen şiddeti düşük bir CaO faz piki iki örnekte de gözlendi. BSA'nın HA üzerinde adsorpsiyonu zaman, protein konsantrasyonu, pH, iyonik güç ve HA katı yüklemesinin fonksiyonları olarak incelendi. Adsorpsiyon deneyleri ticari zirkonya ve alümina seramik tozlanyla da sınırlı olarak yürütüldü. Alım eğrileri adsorpsiyonun on dakikadan az sürelerde tamamlandığını gösterdi. Değişik pH'lerde (4.5- 7.4) belirlenen adsorpsiyon izotermleri Langmuir modeli kullanılarak analiz edildi. Langmuir parametreleri qm (maksimum adsorblanan protein miktarı, mg BSA/g HA) ve K' (afınite sabiti, ml/mg BSA) hesaplandı. Solüsyonun pH değerinin 4.7'den 7.4'e değişimiyle qm değerinin 119'dan 6 1.3 'e düştüğü saptandı. Maksimum K' parametresi pH'da 46.1 ve minimum K' pH=7.4'de 3.5 olarak saptandı. K' parametresinin pH=5.6'daki maksimum değerinden zıt yüklü yüzeylere sahip HA yüzeyi ve BSA protein molekülleri arasındaki elektrostatik çekimlerin sorumlu olduğu sonucuna varıldı. Protein moleküllerinin sıfıra yaklaşık net yüke sahip olduğu pH=4.7'de gözlenen göreceli olarak büyük miktardaki BSA adsorpsiyonunun nedeni hidrofobik etkilerle açıklanabilir. Denge durumunda adsorplanan toplam protein miktarı 4.5-5.8 pH aralığında 6-8 pH aralığındakinin iki katı olarak bulundu. 1 mg BSA/ml solüsyon başlangıç BSA konsantrasyonuna sabit bir ortamdan proteinin yaklaşık 100%'ünün 750 mg HA/50 mi solüsyon katı yüklemesinde katı tarafından alındığı bulundu.

ABSTRACT The use of hydroxyapatite (HA) powders and ceramics as a biomaterial was investigated in this work. A commercial HA powder was used for the preparation of HA ceramics and the adsorption of Bovine Serum Albumin (BSA) onto HA has been investigated. The powder and the sintered ceramics were characterized by TGA, DTA, Optical Microscopy, Microhardness Tester, XRD, and FTIR.The sintering studies have shown that it was possible to prepare porous ceramics above 800°C and dense ceramics at 1200-1250°C range.The HA powder lost about 5.5% by weight during heat treatment up to 1000°C and 80% of this weight loss is due to adsorbed water.The particle size of the powder was determined to be submicron whereas the grain sizes of the 1250°C sintered ceramic was in the 1-5 um. range. A maximum Vickers Hardness of 585 Hv was determined for the 1250°C sintered 97.2% dense ceramic.XRD patterns of the powder and the 1250°C sintered ceramic were identical and almost phase pure. A small CaO peak was detected in the samples which was believed to be remnants of the powder preparation process. The adsorption of BSA onto HA has been studied as a function of time, protein concentration, pH, ionic strength, and HA solids loading. Adsorption experiments were also conducted with commercial alumina and zirconia ceramic powders. Uptake curves have shown that the adsorption ' process was almost completed in less than ten minutes. Adsorption isotherms at different pH ( 4.5-7.4) have been obtained and analyzed using the Langmuir model. The Langmuir parameters qm ( maximum amount of protein adsorbed, mg BSA/g HA) and K' (affinity constant, ml/mg BSA) have been calculated. qm decreased from 119 to 61.3 with the increase in pH from 4.7 to 7.4. A maximum of 46.1 for K' was determined at pH=5.6 and K' had the lowest value of 3.5 at pH=7.4. Electrostatic attractions were held responsible for the K' maximum at pH=5.6 since HA and BSA surfaces are oppositely charged. The presence of a considerably high amount of BSA adsorption on the HA surface at pH=4.7 where the protein should have close to zero net charge was attributed to hydrophobic effects. The amount of adsorption at equilibrium in the 4.5-5.8 pH range was determined to be twice of that in the 6-8 pH range. Almost 100% of the protein was recovered with a HA solids loading of 750 mg HA/50 ml solution at equilibrium for an initial BSA concentration of 1 mg BSA/ml solution.