研究和评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志》上
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ISSN: 2321 - 6212
1CEMHTI CNRS UPR3079 1 d Av. de la任职,45071年新奥尔良Cedex 2,法国
2大学校园Universitaire-Ait Melloul, IbnouZohr阿加迪尔,摩洛哥
3LGP,化学部门,科学教师,伊本Zohr大学,安塞:8106年,阿加迪尔,摩洛哥
4Laboratoire des Materiaux Ceramiques等为支持过渡群系,大学德瓦朗谢讷du Hainaut-Cambresis,瓦朗谢讷,法国
收到日期:06/06/2017;接受日期:16/06/2017;发表日期:26/06/2017
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000173
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不同种类的生物活性材料作为骨替代品。特别是生物玻璃含有硅、钙、钠和O,绑定到主机组织稳定的化学键。生物活性与现象的形成结晶hydroxycarbonated磷灰石(HCA)层生物玻璃表面时浸泡在模拟生理液。这一层类似于骨的矿物相。然而,他们没有足够的力量用于承载情况,因此改善其力学性能更健壮的应用程序将允许其使用。在先前的研究中,我们已经表明,密度,玻璃化转变温度、硬度和弹性模量与含氮量线性增加。这项工作的目的是研究氮的影响除了在模拟体液(SBF)中的生物活性和细胞毒性测试补充研究。
生物玻璃,氮氧化物眼镜、生物活性、细胞毒性
生物玻璃是材料能够开发一种碳酸羟基磷灰石层(HCA)表面在体液中浸泡时(1- - - - - -4]。这一层的形成被认为是,有一个令人满意的成骨细胞相互作用,一个重要的条件结合生活骨(5]。此外,HCA许可之间的稳定和持久的锚定植入和主机环境。因此,这种眼镜已经发展在过去的几十年里在修复手术为了调整,更换或增加的部分骨骼系统(6- - - - - -8]。
提出了几种机制来解释生物活性的行为眼镜和微晶玻璃(7- - - - - -13]。Hench等人提出的最广泛接受的机制(7- - - - - -10]。Hench是第一个研究准备了生物活性玻璃。他的作文,称为生物玻璃45 s5,包含46.1%的SiO2曹,26.9%的,24.4%的Na2O和P的2.6%2O5在摩尔百分比。到目前为止,这个杯子是一个参考;它是最广为人知并被作者运用(7- - - - - -10,14]。自发现以来,很多元素都被添加到45 s5组成,例如,CaF2B2O5,艾尔。2O3采用K2O…等。(15]。在这种情况下,很难确切地知道每个组件的影响。首先,有必要研究眼镜SiO简单的系统2-CaO-Na2o .然而,这些生物玻璃的机械强度低、固有的脆性限制了其使用non-load-bearing应用程序(15如鼓膜在中耳。氮的渗入到硅酸盐网络提出了低强度的解决方案解决问题眼镜(16,17]。
在目前的工作,我们决定延长数据之前发表(1)的影响研究添加氮生物玻璃的生物活性和细胞毒性。眼镜的生物活性进行了浸泡在模拟体液(SBF) (18]。在玻璃表面的变化在SBF浸泡时间的函数通过x射线衍射(XRD)进行了分析。细胞毒性也与L132上皮细胞系研究评估骨重建的生物玻璃的能力。根据不同的细胞毒性测试浓度生物玻璃粉末的细胞生长环境也被评估。
玻璃制备
Oxynitridebioglasses摩尔成分(55−3 x) SiO2曹- 13.5 - 31.5 - na2O-xSi3N4(x是没有的。Si的摩尔数3N4)是由融化的眼镜两个步骤。眼镜从试剂级SiO就做好了准备2(纯石英,默克公司),CaCO3(99%),Chimie-Plus-Laboratoire Na2有限公司3(默克公司,纯度99.9%)和Si3N4(宇部、行业、最小纯度98%)。每个试剂的重量计算考虑他们的纯洁。眼镜这样设计是常数阳离子比率可以保持独立于氮添加。因此,N:阿比是唯一成分变量的变化。阳离子的影响比变化对玻璃结构和性能消除。眼镜的成分所示表1。基地的眼镜是由反应和融化Na2有限公司3和CaCO3与SiO2在1450°C的铂坩埚在空气中。熔化过程之后,这些氧化物眼镜磨粉。相应数量的Si3N4实现所需的成分被添加到玻璃粉末考虑表面硅氮化硅粒子然后在球磨机研磨在异丙醇与氧化铝媒体3 h,然后酒精蒸发。粉末被按单向地300 MPa的压力下形成颗粒。球被放置在十亿排石墨坩埚和融化在垂直管式炉流动高纯N2在1400°C 15到30分钟。然后退火获得的眼镜,在温度低于其玻璃化转变温度1 h,稳定玻璃通过消除应力由快速冷却。前后重量测量融化。氮浓度保留所示的眼镜表1通过电子探针分析,确定使用波长色散光谱(改进算法。硅、钙、钠和O相关内容使用扫描电镜测量加上能量色散光谱(能谱)Six-type Noran系统。所有的眼镜都还嵌入一个环氧树脂,然后用金刚砂抛光论文,分级从80年到1200年。这提供了一个平面和容易通过EDS分析,分析区域约μm3。
表1。元素的重量百分比准备Na-Ca-Si-O-N生物玻璃(T -理论;E -实验)。
| 元素 | 如果 | Ca | Na | O | N | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| wt. % | T | E (±0.2) | T | E (±0.1) | T | E (±0.2) | T | E (±0.4) | T | E (±0.1) |
| G1N0 | 25.68 | 25.7 | 8.99 | 9 | 24.08 | 24 | 41.25 | 41.3 | 0 | 0 |
| G1N1 | 25.85 | 25.7 | 9.05 | 9.1 | 24.27 | 23.8 | 39.9 | 40.6 | 0.93 | 0.8 |
| G1N2 | 26.03 | 26.5 | 9.11 | 9.5 | 24.43 | 23.5 | 38.55 | 39.1 | 1.88 | 1.4 |
| G1N3 | 26.2 | 26.9 | 9.17 | 9.7 | 24.6 | 23.3 | 37.18 | 38.3 | 2.85 | 1.8 |
| G1N4 | 26.38 | 27.3 | 9.25 | 9.8 | 23.75 | 23.1 | 35.8 | 37.6 | 3.82 | 2.2 |
玻璃特性
由波长色散光谱元素分析,改进算法和EDS
所示的眼镜,保留在氮浓度表1是由电子探针显微分析(电子探针)(Cameca SX100拥有电子探针)使用波长色散光谱(WDS)。所有样品都是嵌入在环氧树脂,然后抛光使用SiC论文降至0.25μm提供一个完全平坦的表面。进行了量化的氮在15千伏,200 nA。PC2 (Ni / C)晶体被用来检测Kαx射线。标准用于N量化BN。对于每一个玻璃,10测量进行评价氮同质性和计算的平均含氮量眼镜。用于计算的背景噪音的N Kα峰高的玻璃样品测量玻璃没有N . Si,钙、钠和O相关内容类似准备嵌入式测量抛光样品用扫描电子显微镜加上能量色散光谱(能谱)(Noran系统Six-type),分析了区域约μm3。
x射线衍射(XRD)分析
样品进行了分析使用x射线衍射(Pan Alytical x射线衍射仪、荷兰),全色盲者CuKα(λ= 1.54056)辐射在2θ的范围20º-80º2.4°/分钟的速度。目前的分析使我们能够验证是否有晶相的存在,和指数化的射线模式是由使用'pert量化软件。
评估生物活性在模拟体液(SBF)
维玻璃圆柱体的直径15毫米,3毫米高度抛光(2400粒)碳化硅涂布纸。抛光玻璃碎片是超声清洗的异丙醇无水澡。体外生物活性测试进行干玻璃板块的浸泡在模拟体液(SBF)。SBF离子浓度几乎相当于人类血浆是由一个过程建立了Kokubo et al。4]。因此,试剂级氯化钠,NaHCO3、氯化钾、钾2HPO4.3H2O, MgCl2.6H2O, CaCl2和钠2所以4被溶解在离子交换水和最终的解决方案是缓冲的pH值7.42,50毫米(tris-hydroxymethyl)甲胺和盐酸45毫米。溶液的温度保持在37°C在整个实验来模拟人类的生理环境。眼镜沉浸在SBF 15天后取出,轻轻冲洗水离子交换和存储在一个真空干燥器。结构变化对样品的表面处理在SBF用掠入射x射线衍射和扫描电镜分析了加上EDS能谱。
细胞毒性
细胞毒性测试包括可行性测试评估相对电镀效率(RPE),随后50% LC50致死浓度(或50 RPE)通过thecolony-forming化验与上皮细胞系(L132细胞)19]。根据国际和欧洲标准(ISO10993-5 / EN30993-5),选择L132上皮细胞系的良好的再现性和克隆效率(37%左右)20.]。在最低基本培养基(MEM)补充10%胎牛血清(FCS) L132细胞持续不断地暴露在浓度逐渐增加(0、25、50100、200、400毫克L1)的生物玻璃粉末(20μm直径颗粒)没有更新期间增长环境的实验。积极的控制是纯镍粉;4 - 6μm平均粒度。文化时期,后于环境被移除和殖民地沾着紫水晶。殖民地的数量然后双目显微镜下计数。至少6个重复实验执行,每个浓度组的一式三份。结果表示为平均值±SD对控制(环境没有玻璃粉末,100%)。镍粉也测试了一个积极的控制进行比较。
的眼镜
图1显示了x射线衍射分析的四个季眼镜。结果证实,所有的眼镜都是完全非晶态。
图1:G1Nx眼镜的x射线衍射图。
所示图2包含氮灰色的颜色,所有的眼镜。观察,玻璃的颜色是深色的氮量增加时。计算和分析硅、钙、钠和N眼镜所示的内容表1。可以看出,氮和钠丢失的眼镜在融化,这可能归因于Na的挥发3N [21]。这也导致了泡沫玻璃的形成更加明显随着含氮量增加。此外,没有观察到显著的Ca或Si损失。
图2:G1N4多孔玻璃嵌入环氧树脂。
生物活性在体外测试
红外光谱的变化自然羟磷灰石和G1N2表面生物玻璃已被证明在SBF不同浸泡时间:3小时,6小时,9 h和12 h如下图3。浸泡在SBF 6 h后,玻璃网络水解开始。事实上,它被认为与不对称的外观谱伸展振动ν的乐队作为Si-O4BO(桥接氧气)intra-tetrahedra 1068厘米1和减少Si-0的伸缩振动2NBO在928厘米1。这是由于解散的玻璃颗粒形成的团体有能力再浓缩成硅胶。事实上,给定数据的特点是ν的对称伸缩振动频带作为Si-O利乐在790厘米1。还有一个缩小的弯曲带δSi-0-Si 499厘米1和弹性振动的存在颗粒群(νSi-OH) 961厘米1,确认硅胶的存在。无定形盖层还可以观察到生长及其形成的伸缩振动带的存在P-0在1229厘米(νP = 0)1和阿宝的弯曲振动频带4反对称O-P-O(δ作为O-P-0无定形)560厘米1。
图3:红外光谱的生物玻璃G1N2表面在SBF不同浸泡时间后。
磷灰石阶段9和12 h后持续增长。目前玻璃发展HCA层表面被称为生物活性。
玻璃的应对SBF Si-Ca-Na-O-N系统进行了研究。图4礼物G1N0表面和G1N3眼镜后浸泡在SBF 4周。看来,大量的磷灰石沉积表面的样品只证实了EDX分析显示Ca和P的山峰图5。磷灰石沉积这些眼镜可能是由于表面的存在Ca-rich结晶阶段和残留的化学变化而成为Na-poor和制备了玻璃氮增加的内容。钠离子是融入水晶阶段,因此减少对材料的表面反应动力学的影响,影响生物活性。钙释放应该增强的存在Ca-rich阶段如枪晶石和高水平的Si的残余玻璃也会增加如果释放提供磷灰石沉积的成核点。
图4:扫描电镜的显微照片:G1N0和G1N3眼镜在SBF浸泡后表面。
图5:EDS光谱和显微图G1Nx生物活性玻璃前后15天浸泡在SBF溶液。
生物材料的必要条件与活骨是开发在体液环境中其表面的磷灰石层。在图5SEM显微图显示,G1Nx的表面生物活性玻璃系列之前和之后15天在SBF溶液。浸泡后,表面晶体层是明显的眼镜和EDS分析证实了Ca的存在与Ca和P: P (a)的比率1.64 (G1N3)和1.72 (b) (G1N1)。这些值按照理论值的1.67羟磷灰石。沉淀磷酸钙晶体的直径约200 - 300海里基氧化物和氮氧化物玻璃表面。的形态这个层是形成均匀。
眼镜的XRD模式之前沉浸在SBF溶液的特点是一种无形的光环确认所有的眼镜都非晶态。XRD模式获得所有G1Nx样品沉浸在SBF后15天了图6。自然的羟磷灰石模式作为参考(JCPDS模式。90432)和比较。它表明,在所有的玻璃样品,羟磷灰石层形成,证实了这三个强大的x射线衍射峰出现在2θ为26.30,32.27和53.15°相对应,分别(002),(112)和(004)飞机。然而,强度的主要山峰(002)和(112)与含氮量下降表明这一层的结晶度随其内容,表明氮可以抑制生物活性。
图6:x射线衍射模式G1Nx生物活性玻璃在SBF溶液浸泡后15天。
磷灰石表面沉积的机理Na2O-CaO-SiO2眼镜在模拟体液中报道Ohtsuki et al。22]。当这些材料暴露在SBF在一段时间内,钙和硅离子被释放和硅醇组(颗粒)形式表面的材料。硅醇作为异构网站磷灰石的成核,因此如果解散对这些反应的动力学很重要。释放钙离子使过度饱和SBF溶液和与磷酸反应离子附近的表面和磷灰石核形成和发展随着时间的推移SBF富含磷灰石离子(Ca和P)。因此,Ca和Si的释放有明显的重要性后,磷灰石沉积(23]。也降低的原因生物活性与含氮量可以归因于这样一个事实:最初基氧化物眼镜没有化学活性材料和氮,使这些眼镜的玻璃网络连接和化学稳定性,减少与环境化学反应更大。生物活性玻璃通常有大量的网络修饰符和较低的网络框架相比与普通眼镜,给他们一个中断网络可以反应更容易与环境(24]。
细胞毒性
图7显示了可行性测试的结果,进行样本G1Nx和镍粉粉浓度的函数。生存能力比例是由幸存的数量之间的比率L132细胞中暴露在粉末样品和存活细胞的数量在一个控制媒体。LC 50对应于50%的细胞的死亡。介绍了细胞的数量都是一样的在所有的样品和控制。与控制是必要的,因为生存比从未真正100%。事实上,细胞是强调在亚文化导致一小部分的死亡。
图7:G1Nx L132可行性测试和镍。
复合将被认为是细胞毒性如果添加到培养基增加了细胞死亡随着化合物浓度的增加。在目前的情况下,生物玻璃G1Nx没有显示这一行为。浓度为400毫克1平均G1Nx L132细胞存活率是100%。因此,没有眼镜的细胞毒性。有趣的是,这两个生物玻璃显示成活率高于100% G1N0在低浓度(112%和105% G1N4 25毫升L1)。这一结果表明,生物玻璃改善细胞的生长条件对L132细胞可能会减少压力。
这项工作的目的是确定氮添加生物活性和细胞毒性的影响氮氧化物的生物玻璃在恒定的阳离子比率和改变O: N比(摩尔组成(55−3 x)曹二氧化硅- 13.5 - 31.5 - na2o xsi3n4),对生物活性的研究揭示体外测试,通过浸泡在SBF 37°C,所有眼镜GNx bioactives。细胞毒性试验表明,他们没有细胞毒性。
