文摘

介绍一些物理、结构和生物学性质的石膏生物陶瓷掺杂不同量的锶离子(0.19 - -2.23 wt %)和比较这些属性与纯石膏作为控制。锶掺杂石膏(石膏:Sr)是通过混合硫酸钙半水化合物粉末和解决方案的硝酸锶后用蒸馏水洗标本去除残留的盐。石膏是唯一阶段中发现的纯粹和石膏的成分:Sr,同时转向低衍射角度观察掺杂的x射线衍射模式标本。微观结构的石膏标本由许多棒状小晶体相互纠缠与更多的伸长和更高的厚度在石膏:Sr。Sr-doped样本表现出更高的抗压强度和更低的溶解度比纯石膏。连续释放的锶离子观察石膏:Sr在模拟体液浸泡它为14天。相比纯石膏,成骨细胞培养在锶掺杂样品显示更好的增殖率和碱性磷酸酶活性更高,根据Sr浓度。这些观察结果可以预测更好的体内行为锶掺杂石膏相比纯。

1。介绍

因为锶是化学的和物理的与钙相似,它是一种微量元素积累的骨架,最好是在新骨小梁,根据骨骼的网站。序列中的老内容增加股骨骨干,腰椎,髂骨(1]。

锶盐(Sr)被发现具有促进骨形成和抑制骨吸收的体外和体内2]。口服strontium-containing最近被推荐为药物与药物治疗骨质疏松症(3]。锶的刺激作用在体外骨胶原合成报道,而钙和钠盐是有效的(4]。

在过去的十年中,各种生物陶瓷如羟磷灰石、磷酸三钙、磷酸octacalcium,骨科应用程序研究了生物活性玻璃(5- - - - - -7]。的有利影响锶治疗骨疾病和缺陷,许多研究都集中在合成、表征和动物建模strontium-containing生物陶瓷。许多作者试图Sr合并到晶格的钙磷酸盐通过高温合成(8)或通过降水期间设置反应羟磷灰石形成水泥(9]。Strontium-containing羟磷灰石是与骨水泥混合10,11)促进成骨细胞附着和体外矿化(12],加速骨骼生长和体内osteointegration [13]。Strontium-substituted beta-tricalcium磷酸合成磷酸钙骨水泥作为反应物的Sr^{2 +}释放的夫人ppm范围。Sr-doped羟磷灰石被用作plasma-sprayed涂料层在模拟细胞反应是观察这一层相比,纯羟磷灰石(14]。锶进入生物活性玻璃也报道了一些作者。阿布奈尔et al。15]报道melt-derived磷酸盐玻璃的结构和物理性质的积极影响Sr-doped眼镜的人类成骨细胞的细胞的可行性报告。物理化学和体外细胞基于CaO-SrO-SiO sol-gel-derived生物活性玻璃的性质₂- p₂O₅系统由Hesaraki et al。16]。

硫酸盐钙的生物相容性和生物可降解材料用于治疗骨和牙周缺陷多年。硫酸钙可以作为散装材料,空间填充,和某些药物的控制释放的工具,与其他移植材料(17- - - - - -19]。许多积极的临床经验与硫酸钙骨替代程序(可用20.]。石膏是二水硫酸钙(卡索₄2 h₂O)综合用熟石膏、半水化合物形式的硫酸钙(卡索₄1/2h₂O)。石膏的微观结构由很多小晶体相互纠缠,建议提供了一个更高效的骨修复环境。已经指出,石膏不仅是被动的综合分析材料,也可能有潜在的论述由于其特殊的晶体结构,和钙含量高21]。

本研究的目的是将各种内容的锶离子进入二水硫酸钙(石膏)晶格和调查这种替代的影响在某些物理化学,结构和体外细胞材料的属性。

2。材料和方法

2.1。从材料和商标

以下原料被用于这项研究:alpha-calcium硫酸半水化合物(αcsh、奥尔德里奇、美国),硝酸锶(默克公司、德国),氯化钠(默克公司、德国),氯化钾(默克公司、德国),二水氯化钙(默克公司、德国)、碳酸氢钠(默克公司、德国),dipotasium三水合磷酸氢(默克公司、德国),硫酸钠十水合物(默克公司、德国),氯化镁hexa-hydrate(默克公司、德国),tris-hydroxymethyl甲胺(默克公司、德国)和盐酸(默克公司、德国)。除了αcsh和硝酸锶,所有上述前体被用于制备模拟体液(SBF)解决方案。

2.2。制备的锶掺杂石膏标本

锶掺杂石膏生物陶瓷(石膏:Sr)准备设置过程的硫酸钙半水化合物。硫酸钙半水化合物混合溶液的硝酸锶的固体,液体加载2 g / mL,获得粘贴涌入一个碟状聚四氟乙烯模具(10毫米直径3毫米高)和左到集。不同浓度的硝酸锶)被用来实现石膏产品与不同浓度的掺锶离子。纯蒸馏水也用于制造石膏产品没有任何添加剂控制样本(g 0)。表1礼物细节各种膏配方Sr-doped石膏标本以及每个配方的代码。当贴完全硬化(套),从模具上采集了标本,在37°C 100%湿大气中孵化24 h,用蒸馏水洗净几次去除残差和可溶性盐,最后,在室温下干燥72 h。

2.3。实验程序

2.3.1。石膏中的锶浓度:Sr

锶离子的浓度在Sr-doped石膏标本测量使用电感耦合等离子体原子发射光谱(icp - aes)技术支持3410。

2.3.2。相组成

相成分的标本测定设备使用x射线衍射仪(XRD、飞利浦PW 3710) Cu-Kα辐射、操作电压40 kV和0.02 - 2的扫描速度θ/ s。为此,同样重量的每个标本以粉末形式交付给XRD单位。XRD模式评估X 'Pert HighScore软件,版本1.0 d, 2003 (PANalytical帐面价值、阿尔梅罗、荷兰)。

2.3.3。化学组

调查样本的结构特点,采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱与溴化钾粉末作为标准。透明的光盘是由混合样品和标准KBr在KBr /样本10比(w / w)。红外光谱的标本收集4000 - 400厘米⁻¹地区2厘米⁻¹解决使用力量矢量33。

2.3.4。显微结构的观察和元素图像分析

纯石膏和石膏的微观结构:Sr标本观察使用扫描电子显微镜(XMU TESCAN,织女星II)在加速电压40 kV和配备能量色散x射线分析(EDXA)设备。

2.3.5。密度

标本的粉末密度测量使用气体比重瓶设备(Accupyc 1330微粒学)。为此干硬化粉样本,通过230目筛,然后为特征。

2.3.6。抗压强度

了解老整合的影响^{2 +}离子进入石膏在其机械强度,石膏:Sr圆柱形标本(直径6毫米和12毫米高)在聚四氟乙烯模具制造中描述的部分2。2。每个样本都一直在SBF溶液24 h和湿标本的抗压强度是记录使用通用测试设备(茨威格/ Roell-HCR 25/400)十字头1毫米/分钟的速度。在这项研究中,SBF溶液的化学成分类似的人类血浆(解决方案的钠离子浓度⁺142.0 K⁺5.5毫克^{2 +}1.5,^{2 +}2.5,Cl^{- - - - - -}147.8,4.2,1.0和0.5毫米)是由溶解蒸馏水的化学试剂,缓冲与tris-hydroxymethyl甲胺和调整其pH值7.4使用盐酸22]。

2.3.7。溶解度

石膏和石膏的溶解度:Sr标本研究通过沉浸圆盘形的标本的SBF溶液在固体溶液装入1.6克/ 100毫升和测量浓度的钙和锶离子释放标本到解决方案(使用icp - aes仪)作为时间的函数。注意,每次评估期后,整个体积的SBF溶液提取分析和样本立即用一个全新的解决方案。累积每个离子浓度计算使用以下表达式: 在哪里累积的锶离子浓度在吗评估和th的时期是评价时间间隔。

2.3.8。细胞增殖及碱性磷酸酶活性

研究整合的影响锶为石膏生物材料的可行性和碱性磷酸酶活动成骨细胞的细胞,进行体外试验使用人类骨肉瘤细胞(g - 292) (NCBI C 116细胞国民银行的伊朗)。组织培养的细胞培养聚苯乙烯(PS)烧瓶(美国猎鹰)37°C下5%的股份有限公司₂气氛杜尔贝科修改鹰的介质(DMEM)与谷酰胺,补充10%胎牛血清的边后卫和抗生素抗真菌的(100单位青霉素G钠100毫克硫酸链霉素、盐水和0.25毫克两性霉素B)和收获trypsin-EDTA治疗后0.05%。

成骨细胞的增殖细胞在石膏标本被MTT试验测量。样本与70%乙醇消毒和种子细胞在3×10⁴细胞/盘。聚苯乙烯光盘的表面积与石膏标本准备从细胞培养板和同样被播种与细胞控制标本。标本/细胞结构放入24-wells文化板块,安静的在一个孵化器4 h,允许细胞附着。然后,3毫升的培养基添加到每个好,cell /样本构造培养在湿润孵化器在37°C和95%的空气和5%的公司₂1、3、7天。每3天中被改变。每个周期后,介质被麻省理工和2毫升,3 - (4、5 dimethylthiazol-2-yl) 2、5-diphenyl四唑溴化,解决办法是添加到每个。孵化后在37°C 4 h公司在充分湿润的气氛中5%₂/ 95%空气,麻省理工的活跃细胞和线粒体减少不溶性紫色甲瓒颗粒。随后,中被丢弃,沉淀甲瓒溶解在二甲亚砜,DMSO, (150 mL /),光密度的解决方案是使用一个微型板块阅读分光光度计(BIO-TEK Elx 800高地公园,美国)的波长570纳米。光密度(OD)测量的波长590 nm使用多井标(ICN、瑞士)。

成骨细胞活动是由测量的碱性磷酸酶(ALP)水平由g - 292细胞。细胞被播种在上述样品在相同的培养条件下,高山活动水平测定1天,3和7。g - 292细胞溶解产物被冻结和解冻三次破坏细胞膜。高山活动对硝基苯磷酸决心在405 nm使用二乙醇酰胺作为显色底物缓冲。

2.3.9。统计分析

使用Microsoft Excel 2003软件数据处理和结果的均值±标准差至少4实验。意义之间的平均值计算使用标准软件程序(SPSS GmbH,慕尼黑,德国)被认为是显著的。

3所示。结果与讨论

3.1。在Sr-Doped石膏的浓度锶

在这项研究中Sr-doped石膏制备硫酸钙的转换成硫酸钙半水化合物阶段通过液压二水合物反应的面Sr的解决方案。石膏形成的机制,讨论了在其他地方(23]。样本保存在潮湿大气中100%开始,直到所有半水化合物相转化为二水合物形式(石膏)。样本用蒸馏水洗净,以避免的存在中残留的可溶性钙锶或硝酸盐形成多孔的矩阵。表2介绍了Ca和锶元素的浓度在石膏和石膏:Sr衡量ICP技术。Sr内容Sr盐添加量的增加而增加。石膏的摩尔浓度Sr: Sr标本的范围0.4 - -5.2摩尔%的Ca。人类骨骼的正常浓度的Sr ~ 3.5摩尔%的Ca (24]。结果可以描述为什么锶中没有添加浓度大于所选的值。

3.2。相组成

图1显示了硫酸钙的XRD模式标本与各种内容的Sr掺杂剂硬化后,用蒸馏水洗涤。所有标本显示锋利和狭窄的山峰石膏和其他任何阶段中发现的模式。石膏的x射线衍射模式:Sr标本显示出转向低衍射角当Sr浓度增加,表明Sr离子纳入石膏晶体的晶格结构。与纯石膏相比,Sr-doped石膏的x射线衍射模式标本也显示增加峰的强度在2θ= 11.8°对应020水晶飞机指示性易磁化方向的石膏水化过程中晶体生长。

3.3。化学组

的红外光谱光谱纯石膏和Sr-doped石膏(G-Sr4)如图2。资产的光谱G-Sr4标本(硬化标本与蒸馏水洗涤之前)及其频谱一旦与蒸馏水洗涤后也表现出比较。红外光谱显示了拉伸带官能团的石膏组件相关联,也就是说,H₂O和组标记在相应的数据。所有其他的红外光谱谱Sr-doped石膏标本密切相似G-Sr4因此没有说明。强度降低硝酸乐队一次洗后消失,这个乐队洗涤过程完成后确认清除残留的添加剂。观察,石膏的光谱:Sr纯石膏的光谱相似,没有额外的乐队。

3.4。显微结构的观察和元素图像分析

标本的SEM图像及其相应EDXA模式见图3来6。微观结构的纯石膏(图3(一个))被发现由许多棒状晶体相互纠缠及其对应的EDXA模式(图3 (b))显示钙和硫的存在为主要元素的石膏和黄金(Au)元素创建的涂料层。Sr-doped石膏标本的显微图(图4:G-Sr1,图5:G-Sr2和图6:G-Sr4)显示厚棒状晶体更细长和压实比纯石膏形态。在这些图片中,EDXA模式从水晶标有箭头显示的锶掺杂剂在石膏的构成元素。关于统一形态的石膏晶体和缺乏其他阶段:Sr(从XRD数据),这些EDXA模式可以作为补充证明Sr离子进入晶格结构的石膏。

3.5。密度

图7显示了Sr的合并的影响^{2 +}离子进入石膏粉密度。石膏粉的密度的增加是通过添加Sr的增加与Sr浓度和差异具有统计学意义()。Sr-doped石膏粉密度的增加与纯石膏相比是由于更高的Sr原子量(87.6克/摩尔)相比,Ca(40.0克/摩尔)。

3.6。抗压强度

图8显示了石膏生物陶瓷的抗压强度掺杂锶的各种内容。之间没有显著差异的抗压强度值包含各种大量的Sr(石膏)。然而纯石膏的抗压强度值显著低于Sr-doped的。一般来说,陶瓷体的机械强度是由其微观结构特性。的硫酸钙,纠缠的棒状晶体负责机械硬化现象。这些晶体石膏产生硫酸钙转化hemi-hydrate通过dissolution-precipitation过程(二水硫酸钙25]。这些纠缠的尺寸(长度和厚度)晶体和微观结构的压缩会影响石膏的机械性能。注意,厚和旷日持久的石膏晶体:Sr彼此紧紧锁定(数字4来6)找到为什么纯石膏的抗压强度低于石膏:Sr。

3.7。溶解度和锶释放

SBF溶液中的离子释放石膏陶瓷图所示9。这个实验进行了定期交换SBF溶液和结果表现为累积浓度的Ca(图9(一个))和Sr(图9 (b)对浸泡时间)。根据图9(一个)发布的钙离子的浓度,从所有石膏标本远远高于其他钙磷酸盐在其他研究报告(26]。它源于更高的溶解度,因此sulfate-based bioresorption率较高的钙和其他等知名生物陶瓷材料相比β磷酸三钙和羟磷灰石。Ca的浓度^{2 +}从纯石膏(g 0)离子释放到SBF溶液略高于石膏:Sr标本。由于钙浓度正比于吸收这样的生物陶瓷,锶离子的结果表明,掺入到石膏可以减少生物材料吸收速率。的降解率降低石膏:Sr表示更高的这些材料比纯石膏的化学稳定性。认为这是由于复杂的运动在水晶当遇到钙离子与Sr离子有较大的原子半径。Sr-sulfate集团的高结合强度与Ca-sulfate组相比也不应该忽视(注意,老的电负性大于Ca (27])。钙sulfate-based生物陶瓷已被用作骨组织再生,潜在的材料,因为他们的生物相容性和osteoconductivity。然而,这些材料的降解率高是主要的实际问题(28),导致材料丢失在组织修复缺陷网站之前完成。锶进入石膏可能在某种程度上控制其过快吸收速率。

结果清晰地表明一个连续整合锶离子进入SBF介质的释放。这意味着石膏可以作为一个合适的材料释放Sr和刺激成骨细胞的细胞和组织修复。老的浓度^{2 +}离子在SBF石膏Sr含量成正比。结束时评估阶段(14天),累计Sr释放是18毫克/ g / L G-Sr1(约4.7 - -8.9更易/ g /天)和114毫克/ g / L G-Sr4(约20 - 25更易/ g /天)。关于Sr的治疗剂量^{2 +}(如锶ranelate)在2.4 - -8.75的范围更易/天(每公斤的老鼠)口服药4),老的水平^{2 +}离子释放石膏:本研究Sr高于Sr-substituted羟磷灰石报道蓝迪et al。29日),而且与Sr-doped beta-tricalcium磷酸盐生物陶瓷报道Alkhraisat et al。26]。老释放的浓度^{2 +}离子应该在治疗范围,因为破骨细胞是被这些离子的有效剂量。SBF中的最大Sr / Ca摩尔比率大约是0.03,这是在Sr / Ca骨框架(24]。一般来说,我们的结果表明,Sr的释放^{2 +}离子变成SBF因此变成一个细胞培养基可以定制不同石膏晶体的浓度。

3.8。细胞增殖及碱性磷酸酶活性

图10显示了g - 292细胞增殖的结果在聚苯乙烯(控制),纯石膏,Sr-doped石膏标本。细胞附件后,成骨细胞增殖在所有标本,因为不同细胞之间的天数1、3和7 ()。在这项研究中,发现细胞的增殖在石膏标本明显()比控制标本,与此同时,成骨细胞的细胞增殖在一些石膏:Sr光盘率明显高于纯石膏。首先,根据Lazary et al。21),石膏的物理结构可能负责合适的成骨细胞的细胞扩散到石膏试样。换句话说,这些细胞可以被附加到石膏表面,因为它已经形成从熟石膏(卡索₄半水化合物)通过添加水和它的微观结构是由很多小棒状晶体相互纠缠提供较大的比表面积。其次,已经证明,锶离子可以刺激细胞反应和随后增加细胞增殖过程的速度。在这项研究中,老的效果^{2 +}对成骨细胞的增殖细胞被证明是存在剂量依赖的相关性,因为降低成骨细胞的增殖率G-Sr4相比其他Sr-doped样本。在协议与其他研究[30.]。

碱性磷酸酶被称为早期成骨细胞的分化细胞产生的标志,显示矿化细胞外基质(31日]。成骨细胞的碱性磷酸酶活性如图11作为标准化的吸光度数(单位细胞数)与文化。高山活动石膏的成骨细胞培养标本,特别是G-Sr1,比那些有教养的聚苯乙烯。在更高的高山活动被发现G-Sr1石膏相比,高山的差异值的纯石膏和其他Sr-doped石膏标本不是统计学意义()。碱性磷酸酶活性抑制7天对所有标本可能由于汇流延长细胞(16]。有许多研究证实这一事实,锶离子纳入生物陶瓷的合成可以提高成骨细胞的细胞的增殖和/或碱性磷酸酶活性(32]。在这项研究中,结果表明,老的存在^{2 +}离子晶格结构的石膏也可能在扩散和高山活动发挥重要作用的g - 292的成骨细胞的细胞。

4所示。结论

二水硫酸钙(石膏)与改进的抗压强度和细胞生物陶瓷属性是通过掺杂不同浓度锶的晶格材料。锶进入石膏影响其晶体结构和水溶性。Sr-doped石膏被发现是有用的作为发布材料连续发布概要文件中锶的解放锶浓度依赖的基质材料。两个人类骨肉瘤细胞增殖率和碱性磷酸酶活性在石膏:Sr可以提高公司的锶,根据Sr剂主晶格。这些观察结果也可以更好地预测体内功能锶掺杂石膏纯石膏相比,需要更多的调查。