Strontium-dotierte biogene Hydroxylapatit/Glas-Keramik-Komposite: Synthese, Strukturcharakterisierung und verbesserte Bioaktivität

Hintergrund

Biogenes Hydroxylapatit (BHA) spiegelt die Nano- bis Mikroskalenarchitektur des natürlichen Knochenminerals wider und bildet in Kombination mit bioaktiven Gläsern Komposite, die Knochenregeneration unterstützen. Frühere Studien untersuchten verschiedene Ionen-Substitutionen – Fe²⁺/Fe³⁺, Cu²⁺, Ce²⁺, Si⁴⁺, La³⁺ – zur Steigerung des osteogenen Potenzials [1–14]. Strontium zeigte insbesondere duale Wirkungen: Stimulation der Osteoblastenproliferation bei gleichzeitiger Hemmung der Osteoklastenaktivität, was Knochenbildung begünstigt [15–18]. Klinisches Interesse an Sr-haltigen Materialien wird durch die Prävalenz von Osteoporose, einer durch verminderte Knochendichte gekennzeichneten Erkrankung, verstärkt [19–21]. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein Sr-dotiertes BHA/Glas-Komposit zu entwickeln, das mechanische Integrität mit Bioaktivität für potenzielle klinische Anwendung ausbalanciert.

Methoden

Probenpräparation

Nanostrukturiertes BHA wurde mit Natriumborosilikatglas (46 % SiO₂, 28 % B₂O₃, 26 % Na₂O) im 50/50 Gewichtsverhältnis gemischt. Die Mischung wurde zuerst bei 1100 °C gesintert, um einen Precursor zu bilden, dann gemahlen. SrO (1 Gew.-%) wurde eingearbeitet, gefolgt von Pelletierung (2,5 g, 11 mm Durchmesser) und Sintern bei 780 °C für 1 h.

Charakterisierung

Phasenanalyse: XRD (DRON-3M, Cu Kα, λ = 1,54178 Å). IR-Spektren: FSM 1202, 4000–400 cm⁻¹. Mikrostruktur: SEM (REM-106I). Porosität: scheinbare Dichte und offene/geschlossene Porosität gemessen nach ASTM C1701 mit Ethylensättigung. In-vitro-Löslichkeit: 0,9 % NaCl (fest/flüssig = 1:30) bei 36,5 °C für 2, 5, 7 Tage; Massenverlust mit OHAUS Pioneer PA214C Waage (0,0001 g) aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Phasenzusammensetzung

Anfangliches BHA entsprach dem JCPDS 72-1243-Muster mit Gitterparametern a = 9,432 Å, c = 6,881 Å (V ≈ 530 ų). Das 50/50 Gew.-Komposit behielt die HA-Phase bei, führte aber Na₂Ca₃Si₃O₁₀, Ca₂SiO₄, Na₄SiO₄ und Na₂BO₂ Phasen ein, was heterogene Erstarrung bestätigt. SrO-Zugabe veränderte die Phasenassemblage nicht, verschob aber Beugungspeaks zu höheren 2θ, was Gitterkontraktion durch Sr²⁺-Substitution für Ca²⁺ anzeigt (Sr²⁺ hat größeren Streufaktor).

XRD von reinem BHA

XRD von BHA/Glas-Komposit

XRD von BHA/Glas-Sr-Komposit

Mikrostruktur und Porosität

SEM zeigte eine Matrix-Typ-Struktur: Glas bildete ein kontinuierliches Gerüst, das HA-Kristalle einbettete. Porositätsanalyse zeigte Gesamtporosität des Sr-dotierten Komposits von ~61 %, fast doppelt so hoch wie das undotierte Material (~30 %). Offene Porosität stieg von 6 % auf 10 %, während geschlossene Porosität entsprechend abnahm (Abbildung 6). Die hohe Porosität entspricht natürlichem trabekulärem Knochen (55–70 %) und wird Zellinfiltration und Vaskularisation verbessern.

Porositätsverteilung für BHA/Glas und BHA/Glas-Sr Komposite

In-vitro-Auflösung

Nach 2 Tagen zeigte das Sr-dotierte Komposit eine Auflösungsrate von 0,19 % Masse/Tag, 2- bis 4-fach höher als das undotierte Gegenstück. Die erhöhte Löslichkeit korreliert mit gesteigerter offener Porosität und leicht kontrahiertem HA-Gitter, was Ionenfreisetzung erleichtert (Abbildung 8).

Massenverlust in Kochsalzlösung für BHA/Glas vs. BHA/Glas-Sr (2, 5, 7 Tage)

IR-Spektroskopie

Die Kompositspektren zeigten charakteristische HA-Bänder bei ~1040 und ~570 cm⁻¹, mit zusätzlicher Absorption durch das Glasnetzwerk. Sr-Zugabe verbreiterte und verschob Bänder im 700–1050 cm⁻¹-Bereich, was Gitterstörung anzeigt.

IR-Spektren von BHA/Glas und BHA/Glas-Sr Kompositen

Schlussfolgerungen

Wir fertigten erfolgreich Sr-dotierte BHA/Natriumborosilikatglas-Komposite (50/50 Gew., 1 Gew.-% SrO). XRD bestätigte Beständigkeit der HA-Phase mit Gitterkontraktion bei Sr-Inkorporation. Sr-Zugabe erhöhte Porosität und In-vitro-Auflösung markant, was überlegene Osteokondunktivität suggeriert. Diese Materialien versprechen für klinische Knochenreparatur, besonders in osteoporotischen Kontexten, wo verstärkte Resorption und Neuknochenbildung erwünscht sind.