Bioactive materials based on α-tricalcium phosphate cement and fluoroapatite
Bioaktivni materijali na bazi α-trikalcijum-fosfatnih cemenata i fluoroapatita: sinteza, svojstva i primena u stomatologiji
Докторанд
Kazuz, AbdulМентор
Janaćković, ĐorđeЧланови комисије
Radovanović, ŽeljkoVeljović, Đorđe
Petrović, Rada
Miletić, Vesna
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
Calcium phosphates (CaPs) are an important group of ceramic materials widely used in
dentistry and medicine as many of them are very similar to the inorganic part of teeth and bones in
humans. Among CaPs, hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, HAp) is the most attractive and intensely
studied biomaterial due to exceptional biocompatibility and bioactivity. However, the main
drawback of HAp is its brittleness which makes it difficult to use it as a primary material for
implants or fillers. By using CaPs derived from HAp, it is possible to overcome this disadvantage
while retaining good properties. α-Tricalcium phosphate (α-Ca3(PO4)2, α-TCP) can be prepared
from calcium deficient HAp by calcination above temperatures ~ 1150 ºC, and it can be used as
bone cement. The most stable CaPs – fluorapatite (Ca10(PO4)6F2, FAp) can be obtained by
replacing the OH– ions in HAp with the F– ions. FAp can slow down demineralization by releasing
F– ions that strengthen the enamel. These two materials, α-TCP a...nd FAp, form a composite with
satisfactory mechanical properties that could fill the cavity after removal of damaged dental tissue
and also remineralize the surrounding tissue.
The research work presented in this dissertation focuses on synthesis and characterization of
composite cements based on α-TCP and nanostructured FAp, α-TCP/FAp, appropriate for dental
usage as root canal filling material. Synthesized α-TCP/FAp composites had improved mechanical
properties and biocompatibility in comparison to α-TCP. The α-TCP powder was prepared by
calcination of hydrothermally synthesized HAp at 1500 ˚C for 2 h. The processing conditions for
FAp powders synthesis were optimized and the powder with optimal properties was chosen to
obtain α-TCP/FAp composite types of cement. The influence of FAp concentration on the
composite cement properties was investigated. The FAp powder was mixed with α-TCP to obtain
composites with 0, 2.5, 5 and 10 wt% of FAp. The phosphate solution (2.5 wt% Na2HPO4) was
added to the prepared powder mixtures at a liquid to powder ratio of 0.32 ml g–1 to obtain cement
paste and then make specimens in the appropriate mold for further testing. Morphology and phase
composition of powders were investigated by X-ray diffraction (XRD), Fourier transformed
infrared spectroscopy (FTIR), Field emission scanning electron microscopy (FESEM), and energy-
dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Soaking of α-TCP/FAp specimens in simulated body fluid
(SBF) affected the successful transformation of α-TCP into HAp, while the compressive test
revealed the influence of this transformation and FAp content on the mechanical properties of the
composites. Specimen containing 5% of FAp after 10 days in simulated body fluid (SBF) solution
showed the highest compressive strength, 33.8 MPa, which is a 84-fold increase compared to α-
TCP/FAp before SBF. In vitro MTT and DET biocompatibility tests, performed using cell culture
of MRC-5 human fibroblast cells, revealed that α-TCP/FAp had no cytotoxic effect. These findings
showed that α-TCP/FAp composite cements could yield favorable mechanical properties with no
adverse effect on biocompatibility.
In the second part of the thesis, cement pastes made from different liquid compositions were
investigated and the most suitable one for obtaining rheologically optimal paste was chosen for
further analysis. The α-TCP/FAp cements with 0, 5 and 10 wt% of FAp were obtained withnew
liquid and investigated as dental root canal filling cements. Morphological changes in the cement
materials as a result of the formation of HAp after SBF immersion, an influence on the cell
viability, and the final success of the fillings were investigated by FESEM. Treatment of α-
TCP/FAp mixtures in SBF at 37 °C led to a complete transformation of α-TCP into HAp after 10
days. The exposure of MRC-5 human and L929 animal fibroblast cells to the cement showed a
complete absence of cytotoxicity. When the root canal of an extracted tooth was filled with α-
TCP/FAp cement containing 5 wt. % of FAp relatively strong adhesion between the cement and
dentin was observed after 48 h. The same cement material was immersed during 10 days in SBF
and subsequently subjected to in vitro MTT testing on human and animal fibroblast cells, during
which showed increased cell viability compared to a control sample. These findings lead to a
conclusion that α-TCP/FAp based cement with 5 wt% FAp showed the greatest potential for further
development towards dental application
Калцијум-фосфати (КФ) су важна група керамичких материјала који се широко
користе у стоматологији и медицини јер су многи од њих веома слични неорганском делу
зуба и костију људи. Међу КФ, хидроксиапатит (Ca 10(PO4)6(OH)2, ХАп) је најатрактивнији и
најинтензивније проучаван биоматеријал, који се одликује значајном биокомпатибилношћу и
биоактивношћу. Међутим, главни недостатак ХАп-а је његова кртост због чега није погодан
за употребу као примарни имплантат или пунилац. Коришћењем КФ-а изведених из ХАп-а,
могуће је превазићи овај недостатак уз задржавање добрих својстава. α-Трикалцијум фосфат
(α-Ca3(PO4)2, α-ТКФ) се може добити калцинацијом калцијум дефицитарног ХАп-а изнад
~1150 ºС и може се користити као коштани цемент. Најстабилнији КФ – флуорапатит
(Ca10(PO4)6F2, ФАп) се доби ја заменом OH– joнa у структури ХАп-а F– јонима. ФАп може
успорити деминерализацију зуба ослобађањем F– јона који јачају глеђ. Ова два материјала, α-
ТКФ и ФАп, могу створити композит задовољавајућих механичких ...својстава који би могао
попунити шупљину након уклањања оштећеног зубног ткива и такође реминерализовати
околно зубно ткиво.
У овој дисертацији представљена је синтеза и карактеризација композитних цемената
на бази α-ТКФ и наноструктурног ФАп, α-ТКФ/ФАп, погодних за стоматолошку употребу
као материјала за пуњење канала корена зуба. α-ТКФ/ФАп су припремљени са побољшаним
механичким својствима и биокомпатибилношћу. α-ТКФ прах је припремљен калцинацијом
хидротермално синтетизованог ХАп-а на 1500 ˚С током 2 сата. Услови синтезе ФАп праха су
оптимизовани и прах са најбољим својствима је изабран за добијање α-ТКФ/ФАп
композитних цемента. Испитан је утицај концентрације ФАп на својства композитног
цемента. ФАп прах је помешан са α-ТКФ у таквом односу да би се добили композити са 0;
2,5; 5 и 10 мас.% ФАп-а. Раствор фосфата (2,5 мас.% Na2HPO4) је додат припремљеним
мешавинама праха при односу течност: прах од 0,32 ml g–1 да би се добила цементна паста, а
затим су направљени узорци у одговарајућем калупу за даља испитивања. Изглед и фазни
састав прахова испитивани су рендгенском дифракцијом праха (РДП), инфрацрвеном
спектроскопијом са Фуријеовом трансформацијом (ИЦФТ), скенирајућом електронском
микроскопијом (СЕМ) и енергетском дисперзивном рендгенском спектроскопијом (ЕДС).
Одстојавање α-ТКФ/ФАп узорака у симулираној телесној течности (СТТ) довело је до
успешне трансформације α-ТКФ у ХАп, док је испитивање притисне чврстоће показало
утицај ове трансформације и садржаја ФАп на механичке својства композита. Узорак са 5
мас.% ФАп-а после 10 дана у СТТ показао је највећу чврстоћу на притисак, 33,8 MPa, што је
повећање од 84 пута у поређењу са α-ТКФ/ФАп пре СТТ. In vitro тестови
биокомпатибилности МТТ и ДЕТ, спроведени са ћелијском културом МРЦ-5 хуманих
фибробласта, открили су да α-ТКФ/ФАп нема цитотоксични ефекат. Ови налази су показали
да α-ТКФ/ФАп композитни цементи могу обезбедити повољна механичка својства без
штетног утицаја на биокомпатибилност.
У другом делу дисертације испитане су различите течности за добијање цементне
пасте и за даљу анализу изабрана је течност најпогоднија за добијање реолошки најбољих
пасти. α-ТКФ/ФАп цементи са 0, 5 и 10 мас.% ФАп-а, умешани са новом течношћу
испитивани су као цементи за пуњење зубних канала. Морфолошке промене у цементним
материјалима као последица формирања ХАп-а након држања у СТТ, утицај на вијабилност
ћелија и ефикасност пуњења испитивани су СЕМ-ом. Третман композитних α-ТКФ/ФАп
цемената у СТТ на 37 °С резултирао је потпуном трансформацијом α-ТКФ у ХАп после 10
дана. Излагање МРЦ-5 хуманих и Л929 животињских фибробластних ћелија цементу
показало је потпуно одсуство цитотоксичности. Канал корена екстрахованог зуба испуњен је
α-ТКФ/ФАп цементом са 5 мас.% ФАп и релативно јака адхезија између цемента и дентина
примећена је након 48 сати. Исти цементни материјал је уроњен током 10 дана у СТТ и
након тога подвргнут in vitro МТТ тестовима са хуманим и животињским фибробластним
ћелијама које су показале већу вијабилност у поређењу са контролним узорком. Ови налази
доводе до закључка да цемент на бази α-ТКФ/ФAп са 5 мас.% ФАп показује највећи
потенцијал за даљи развој у правцу стоматолошке примене.