Επίδραση των ιόντων στροντίου (Sr) στη βιοενεργή συμπεριφορά βιοκεραμικών υλικών του τριαδικού συστήματος SiO 2 -CaO-MgO

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΦΥΣΙΚΗΣ ΥΛΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Επίδραση των ιόντων στροντίου (Sr) στη βιοενεργή συμπεριφορά βιοκεραμικών υλικών του τριαδικού συστήματος SiO 2 -CaO-MgO ΔΕΣΣΟΥ ΝΙΚΟΛΙΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Κ.Μ. ΠΑΡΑΣΚΕΥΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2016

2 1

3 Στην οικογένεια μου 2

4 3

5 Περιεχόμενα Περίληψη... 5 Abstract... 7 Πρόλογος... 9 Κεφάλαιο 1 ο : Θεωρητική Εισαγωγή Γενικά Βιοϋλικά Βιοΰαλοι κολλοειδούς γέλης (Sol Gel) Επεξήγηση επιλογής χρήσης μεταλλικών ιόντων Υγρά προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος (Simulated Body Fluids SBF s) Συμβατικό υγρό προσομοίωσης (c SBF) Έλεγχος βιομιμητικής συμπεριφοράς Κεφάλαιο 2 ο : Τεχνικές Χαρακτηρισμού Φασματοσκοπία Υπερύθρου (Infrared Spectroscopy, IR) Διαπερατότητας (Transmittance) Ανακλαστικότητας (Reflectance) Περίθλαση ακτινών-χ (XRD) Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης και Φασματοσκοπία Ενεργειακής Διασποράς ( SEM EDS) Θερμική Ανάλυση (Thermal Analysis TG-TDS) Κεφάλαιο 3 ο : Υλικά & Μεθοδολογία Παρασκευή βιοκεραμικής υάλου Μέθοδος παρασκευής υγρού προσομοίωσης σωματικών υγρών (c-sbf) Προετοιμασία δειγμάτων και εμβάπτισή τους στο SBF Επεξεργασία δειγμάτων και μεθοδολογία Κεφάλαιο 4 ο : Πειραματικά Αποτελέσματα Χαρακτηρισμός αρχικού υλικού Χαρακτηρισμός δειγμάτων μετά την εμβάπτισή τους στο SBF Μελέτη βιοενεργότητας Κεφάλαιο 5 ο : Συμπεράσματα Παράρτημα Βιβλιογραφία Αναφορές

6 Περίληψη Οι βιοενεργές ύαλοι είναι ϋαλοκεραμικά βιοϋλικά ικάνα για εφαρμογές οστικής αναγέννησης. Πολλές μελέτες έχουν δείξει, ότι ύαλοι που περιέχουν Si,Ca, Mg και Sr εμφανίζουν υψηλή βιονεργότητα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα το Sr φαίνεται να έχει θετικές επιδράσεις στα κύτταρα των οστών και να ενισχύει το σχηματισμό οστού τόσο in vitrο, όσο και in vivo. Στόχος αυτής της εργασίας ήταν η αξιολόγηση της βιοενεργής συμπεριφοράς δύο κεραμικών υάλων που περιέχουν Sr, με παρόμοιες συστάσεις, ονομαστικά SiO 2 60, CaO 30, MgO 5,SrO 5 και SiO 2 60, CaO 30, MgO 5, SrO 10 σε wt %, τόσο θερμικά επεξεργασμένες και μη επεξεργασμένες σε ανόργανο περιβάλλον (διάλυμα SBF). Οι βιοενεργές ύαλοι παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο κολλοειδούς γέλης. Το τεστ βιονεργότητας διεξήχθη σε υγρό προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος (διάλυμα SBF) με αναλογία 1,5 mg/ml, για διάφορες μέρες εμβάπτισης των δειγμάτων (1,3,5,10,15,20,25 και 30 ημέρες). Για το χαρακτηρισμό των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές Θερμική Ανάλυση (TG-TDS), Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FTIR), Περίθλαση ακτινών-χ (XRD) και Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης και Φασματοσκοπία Ενεργειακής Διασποράς (SEM/EDS). Η διαφορική θερμική και θερμοβαρυμετρική ανάλυση πραγματοποιήθηκε με αναλυτή Setaram SETSYS 16/18-TG-DTA (1400 C rod), με ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης 10 C/min -σε ατμόσφαιρα αζώτου. Αντίστοιχα, τα φάσματα FTIR λήφθηκαν χρησιμοποιώντας φασματσκόπιο Perkin-Elmer Spectrometer Spectrum 1000 στην περιοχή MIR ( cm -1 ) με ανάλυση 4cm -1. Για τη λήψη των μικροφωτογραφιών SEM, χρησιμοποιήθηκε JEOL JMS840A Oxford ISIS 300 Detector. Οι μετρήσεις περίθλασης ακτίνων-χ διεξήχθηξαν με τη χρήση ενός περιθλασίμετρου Philips (PW1710) με ακτινοβολία κύματος CuKa (με φίλτρο Ni). Τα στατισιτκά στοιχεία της μελέτης XRD ήταν : βήμα 0.02 o 2θ, αρχική γωνία 5 o, τελικά γωνία: 75 o, χρόνος βήματος : 1.5 sec. Οι θερμικές μετρήσεις των συντιθέμενων υλικών έδειξαν κορυφές κρυστάλλωσης στους 892 o C για το Sr5 και 903 o C για το Sr10, καθώς και συνολική απώλεια μάζας κάτω από 5% ανίστοιχα. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε τεστ 5

7 βιονεργής συμπεριφοράς, τόσο στα δείγματα που υπέστησαν πυροσυσσωμάτωση στις παραπάνω θερμοκρασίες, όσο και στα αρχικά δείγματα. Τα φάσματα FTIR έδειξαν ότι όλα τα συντιθέμενα αρχικά υλικά παρουσιάζουν τις χαρακτηριστικές κορυφές των πυριτικών υάλων. Μετά την παραμονή των δειγμάτων στο SBF για 5 ημέρες είναι εμφανής η δημιουργία στρώματος απατίτη στην επιφάνεια των δειγμάτων, το οποίο με την πάροδο των ημερών εμβάπτισης γίνεται πιο παχύ. Τα παραπάνω αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και από τις υπόλοιπες τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν. 6

8 Abstract Bioactive glasses are glass-ceramic biomaterials suitable for bone tissue engineering applications. Various studies have reported that Si-, Ca-, Mg- and Srcontaining glasses are highly bioactive and could be used for biomedical applications. Specifically, Sr has been shown to have positive effects on bone cells and to enhance bone formation both in vitro and in vivo. The aim of this work was the evaluation of the bioactive behaviour of two Sr-containing glass ceramic materials with similar composition, namely SiO 2 60, CaO 30, MgO 5,SrO 5 and SiO 2 60, CaO 30, MgO 5, SrO 10 in wt %, both thermally treated and untreated in inorganic environment (SBF solution). Bioactive glasses were produced with the sol-gel method. The bioactivity test of glass-ceramics was conducted in SBF, with a ratio of 1.5 mg/ml for various immersion times (1, 3, 5, 10, 15, 20,25 and 30days). FTIR, TG-DTA, XRD and SEM/EDS were used for the characterization of the samples. Differential thermal and thermogravimetric analysis were performed with a Setaram thermogravimetric-differential thermal analyzer SETSYS 16/18-TG-DTA (1400 C rod), with heating and cooling rates 10 C/min in nitrogen atmosphere and furnace cooling, respectively FTIR transmittance spectra, were obtained using a Perkin-Elmer Spectrometer Spectrum 1000 in MIR region ( cm -1 ) with a resolution 4 cm -1. XRD measurements were carried out using a Philips (PW1710) diffractometer with Ni-filtered CuKa wave radiation. The counting statistics of the XRD study were: step size 0.02 o 2θ, start angle 5 o, end angle: 75 o and the time per step: 1.5 sec. The thermal measurements of the synthesized materials revealed the crystallization peaks at 892 o C and 903 o C respectively, as well as the mass loss of both materials, which was under 5%. Then, a bioactive behavior test underwent, in thermally treated at the above temperatures samples, and in the original samples. The FTIR spectra revealed that all the synthesized glass- ceramic materials presented the characteristic bands of silicate glasses. After 5 days of immersion in SBF solution, FTIR spectra revealed the formation of apatite layer on the surface of the samples, 7

9 which became thicker as the immersion time passed by. The aforementioned results are confirmed by all characterization techniques used. 8

10 Πρόλογος Στόχος της παρούσας πτυχιακής εργασίας με τίτλο Επίδραση των ιόντων στροντίου (Sr) στη βιοενεργή συμπεριφορά βιοκεραμικών υλικών του τριαδικού συστήματος SiO 2 -CaO-MgO είναι η παρασκευή και η in vitro μελέτη της βιοενεργής συμπεριφοράς ενός νέου βιοκεραμικού υλικού. Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φασματοσκοπίας Υπερύθρου, του τομέα Στερεάς Κατάστασης, στο τμήμα Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στο πλαίσιο του Προπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών και παρουσιάστηκε στο 31 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και Φυσικής των Υλικών με τον τίτλο: «Effect of synthesis through foam replica technique method on the porosity and mechanical strength of Cu containing scaffolds». Η εργασία αυτή διαιρείται σε πέντε κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται παράθεση γενικών πληροφοριών για τα βιοϋλικά και περιγραφή του ρόλου τους σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των παρασκευασθέντων βιοκεραμικών υάλων. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη διεξαγωγή της προκείμενης μελέτης, ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η αποτίμηση των πειραματικών αυτών αποτελεσμάτων, καθώς και η εξαγωγή των τελικών συμπερασμάτων. Για την πραγματοποίηση αυτής της εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κύριο Παρασκευόπουλο Κωνσταντίνο, καθηγητή του Τμήματος Φυσικής, για την ευκαιρία που μου έδωσε να δουλέψω στο πρόγραμμα αυτό και την εμπιστοσύνη και την κατανόηση που μου έδειξε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την επίκουρη καθηγήτρια Οδοντιατρικής Σχολής, κυρία Κοντονασάκη Ελεάνα, για την μετάδοση των γνώσεων της στο αντικείμενο των βιοϋλικών και την συνεισφορά της, όποτε την χρειαζόμουν. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κυρία Ζορμπά Τριανταφυλλιά, για την πολύτιμη βοήθειά της στην αποτίμηση των αποτελεσμάτων, τη μετάδοση των γνώσεων της και την στήριξή της. Επιπλέον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα της 9

11 Σχολής Θετικών Επιστημών, Γιώργο Θεοδώρου, για συνολική του βοήθεια στην εκπόνηση της εργασίας, την καθοδήγηση του σε κάθε στάδιο της πειραματικής διαδικασίας, αλλά και τη διαρκή υποστήριξη και εμψύχωση που μου παρείχε. Θα ήθελα, επίσης, να ευχαριστήσω την επίκουρη καθηγήτρια Τμήματος Γεωλογίας, κυρία Παπαδοπούλου Λαμπρινή, τον καθηγητή του Τμήματος Φυσικής, κύριο Χρυσάφη Κωνσταντίνο, και τον επίκουρο καθηγητή του Τμήματος Γεωλογίας, κύριο Καντηράνη Νίκο, για την λήψη των πειραματικών μετρήσεων και την αποτίμηση των αποτελεσμάτων, χωρίς τη συνδρομή των οποίων θα ήταν αδύνατο να ολοκληρώσω την εργασία μου. Τέλος, θα ήταν παράλειψη μου σε αυτό το σημείο να μην πω ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένεια μου και στους φίλους μου που ήταν δίπλα μου και με στήριζαν διαρκώς. 10

12 Κεφάλαιο 1 ο : Θεωρητική Εισαγωγή 1.1 Γενικά Βιοϋλικά ονομάζονται τα υλικά τα οποία μπορούν να εισαχθούν σε βιολογικά συστήματα με στόχο να βελτιώσουν ή να αντικαταστήσουν τη λειτουργία οργανικών ιστών ή οργάνων [1]. Τα υλικά αυτά, χωρίζονται σε βιοαδρανή (bio inert) και σε βιοενεργά (bioactive) και σε βιοαποικοδομίσημα (biodegradable). Οι κυριότερες κατηγορίες υλικών που χρησιμοποιούνται ως βιοϋλικά είναι τα μέταλλα, τα κεραμικά, τα πολυμερή και τα σύνθετα υλικά [2]. Η ιδιότητα των βιοενεργών υλικών να αλληλεπιδρούν με τους ιστούς ονομάζεται βιοενεργότητα. Λόγω αυτής της ιδιότητας έχουν τη δυνατότητα ανταλλαγής ιόντων μεταξύ του βιοενεργού ενθέματος και των υγρών του σώματος με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ενός στρώματος βιολογικού απατίτη (HCAp) στη διεπιφάνεια επαφής μεταξύ του ιστού και του εμφυτεύματος, μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η σύνδεση τους [3],[4]. Κάνοντας μια σύντομη ιστορική αναδρομή, παρατηρούμε ότι οι πρώτες αναφορές στην χρήση των βιοϋλικών γίνονται στους αρχαίους Φοίνικες, οι οποίοι για να αντικαταστήσουν την απώλεια κάποιου δοντιού, έδεναν ένα τεχνητό στη θέση του χαμένου, το οποίο συνέδεαν με σύρματα χρυσού ενώ έχει βρεθεί ξύλο και ελεφαντόδοντο στις Αιγυπτιακές μούμιες [5]. Ωστόσο οι πρώτες καταγεγραμμένες αξιολογήσεις για in vivo μελέτες εμφανίζονται στις αρχές του 19 ου αιώνα. Στις αρχές του 20ου αιώνα, εμφυτεύονται οι πρώτες πλάκες οστών για τη σταθεροποίηση καταγμάτων των οστών και την επιτάχυνση της θεραπείας τους. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών 1950 και 1960 αναπτύσσονται τεχνητές καρδιακές βαλβίδες και τεχνητά εμφυτεύματα για αντικαταστάσεις των ισχύων, ενώ πραγματοποιείται και αντικατάσταση αιμοφόρων αγγείων σε κλινικές δοκιμές [6]. Σήμερα, ο κλάδος αυτός της επιστήμης των υλικών εμφανίζει μεγάλη ανάπτυξη. Καθώς ο σύγχρονος τρόπος ζωής και η αύξηση του προσδόκιμου ζωής δημιουργούν ανάγκη για νέες τεχνικές και ταυτόχρονα ενθαρρύνουν την χρήση τεχνητών εμφυτευμάτων γίνονται μεγάλες επενδύσεις στον τομέα της έρευνα των βιοϋλικών. 11

13 1.2 Βιοϋλικά Ως βιοϋλικό ορίζουμε κάθε μη φαρμακευτική ουσία, επιφάνεια ή κατασκευή που μπορεί να εισέλθει και να αλληλεπιδράσει με βιολογικά συστήματα. Κανένα υλικό που δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο τον οργανισμό δεν είναι πλήρως συμβατό. Όλες οι ουσίες που δεν παράγονται από τον οργανισμό αναγνωρίζονται σαν ξένες και προκαλούν αντιδράσεις. Αυτές οι αντιδράσεις εξαρτώνται από τον τύπο του υλικού [7]. Τα βιοϋλικά με βάση την αλληλεπίδρασή τους με τους ιστούς μπορούν να κατανεμηθούν στις εξής κατηγορίες [4], [8], [9], [10]: 1. Αδρανή 2. Βιοενεργά 3. Βιοαπορροφήσιμα/ βιοαποικοδομήσιμα Αναλυτικότερα: 1. Αδρανή βιοϋλικά: ονομάζονται τα βιοϋλικά όταν τοποθετηθούν στον οργανισμό έχουν ελάχιστη επίδραση με τον περιβάλλοντα ιστό. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το ανοξείδωτο ατσάλι, το τιτάνιο, η αλουμίνα, η μερικώς σταθεροποιημένη ζιρκονία και το πολυαιθυλένιο εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους. 2. Βιοενεργά υλικά: ονομάζονται τα βιοϋλικά τα οποία τα οποία αλληλεπιδρούν με τα περιβάλλοντα οστά και σε πολλές περιπτώσεις ακόμη και με μαλακούς ιστούς. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Στα βιοενεργά υλικά τάξης Α και Β. Τα υλικά τάξης Α έχουν την δυνατότητα πέρα από το να συνδέονται µε το οστό και να προάγουν την ανάπτυξη νέου οστού κατά μήκος της επιφάνειάς τους, να παράγουν και νέο οστό, μακριά από τη διεπιφάνεια υλικού/οστού, το οποίο συνδέεται και µε τους μαλακούς ιστούς, όπως είναι τα ούλα και ο χόνδρος. Σε αυτά ανήκουν οι βιοϋαλοι. Τα υλικά τάξης Β συνδέονται µε το σκληρό ιστό (οστό) και προάγουν την ανάπτυξή του νέου οστού στην επιφάνειάς τους [11]. Σε αυτά ανήκει ο συνθετικός υδροξυαπατίτης. 12

14 3. Βιοαπορροφήσιμα/ βιοαποικοδομήσιμα υλικά: ονομάζονται τα βιοϋλικά τα οποία αρχίζουν με αργούς ρυθμούς να διαλύονται και να απορροφώνται από τον οργανισμό έως ότου αντικατασταθούν. Τα βιοϋλικά μπορεί να είναι είτε φυσικά είτε τεχνητά υλικά. Λόγω της ικανότητας τους να έρχονται σε επαφή με τα υγρά του σώματος για μεγάλες χρονικές περιόδους, προκαλώντας ελάχιστες έως καθόλου παρενέργειες στον οργανισμό [12], χρησιμοποιούνται για να αντικαταστήσουν ή να συμπληρώσουν τµήµατα και για να κατευθύνουν λειτουργίες των ιστών του ανθρώπινου σώματος, οι οποίοι έχουν υποστεί βλάβη [2]. Οι εφαρμογές των βιοϋλικών εμφανίζουν ευρεία γκάμα. Συναντάμε βιοϋλικα από απλές εφαρμογές τις οδοντιατρικής έως σε σύνθετα και επεξεργασμένα υλικά που χρησιμοποιούνται ως μοσχεύματα. Οι παράγοντες που καθορίζουν τη χρήση ενός βιοϋλικού είναι η βιοσυμβατότητα, η βιοενεργότητα και η διαθεσιμότητα του [13]. Ένας πρώτος διαχωρισμός των βιοϋλικών γίνεται βάση τη χημική τους φύσης [14]. Ο διαχωρισμός αυτός είναι: Κεραµικά υλικά Μέταλλα και κράµατα μετάλλων Πολυµερή Σύνθετα υλικά Αναλυτικότερα : 1. Κεραµικά (ceramics): ονομάζονται όλα τα ανόργανα μη μεταλλικά υλικά που έχουν υποστεί θερμική κατεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες [15]. Συνήθεις ιδιότητες των κεραμικών είναι η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, η αντίσταση στην παραμόρφωση, η ψαθυρότητα, οι μονωτικές ιδιότητες και οι χαμηλές τιμές σε μηχανικές ιδιότητες. Βασικά πλεονεκτήματα των κεραμικών που ευνοούν την χρήση τους ως βιοϋλικά είναι η αυξημένη αντίσταση στην διάβρωση και η σχετικά χαμηλή πυκνότητα ενώ τα βασικά μειονεκτήματά τους είναι η ευθραυστότητα και η μικρή αντοχή στην κόπωση. Υποκατηγορία των 13

15 κεραµικών υλικών αποτελούν οι ύαλοι. Χαρακτηριστικά κεραμικά υλικά είναι η αλουµίνα, η πορσελάνη, η ζιρκόνια και τα κεραµικά φωσφορικού ασβεστίου. Βιοκεραµικό χαρακτηρίζεται ένα οποιοδήποτε κεραµικό υλικό όταν αυτό παρουσιάζει κάποιου είδους βιοσυµβατότητα [16]. 2. Μέταλλα και κράµατα μετάλλων (metals & metal alloys): είναι μια μεγάλη κατηγορία χημικών στοιχείων που εμφανίζουν κοινές ιδιότητες. Οι ιδιότητες αυτές είναι η υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, η σκληρότητα, η ανθεκτικότητα, η λάμψη καθώς και ότι είναι ελατά (δυνατότητα σχηματισμού ελασμάτων) και όλκιμα (δυνατότητα σχηματισμού συρμάτων). Τα μέταλλα χρησιμοποιούνται ως βιοϋλικά λόγω της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους αλλά και χάρη στις εξαιρετικές μηχανικές τους ιδιότητες. Τα περισσότερα μέταλλα γίνονται αποδεκτά από τον οργανισμό, ωστόσο αυτό συμβαίνει για ελάχιστες ποσότητες καθότι τα μεταλλικά εμφυτεύματα εμφανίζουν αλλεργικές αντιδράσεις. Επίσης, ένα άλλο βασικό πρόβλημα είναι η βλαβερή επίδραση που είναι δυνατόν να προκαλέσει σε ιστούς και όργανα, η διάβρωση των εμφυτευμάτων και τα προϊόντα της στο in vivo περιβάλλον. Χαρακτηριστικά παραδείγματα μετάλλων και κραμάτων αυτών είναι τα µμαγνητικά µμέταλλα, τα μεταλλικά κράµατα Co-Cr, Ti και ο ανοξείδωτος χάλυβας. 3. Πολυµερή (polymers): ονομάζονται οι χημικές ενώσεις με μακρομόρια, που σχηματίζονται από τη σύνδεση πολλών όμοιων μικρών μορίων, που λέγονται "μονομερή". Τα πολυμερή που χρησιμοποιούνται ως βιοϋλικά είναι φυσικά ή τεχνητά. Τα φυσικά πολυμερή παράγονται από βιολογικές διεργασίες και βρίσκονται κυρίως στην εξωκυττάρια ουσία των συνδετικών ιστών (τένοντες, δέρμα, οστά, δόντια και αιμοφόρα αγγεία). Παραδείγματα φυσικών πολυμερών είναι το κολλαγόνο, η ελαστίνη, το μετάξι, η κερατίνη, η ακτίνη και η μυοσίνη. Ο λειτουργικός τους ρόλος είναι η θερμική μόνωση, η εξωτερική προστασία, η μηχανική στήριξη, η συστολή και η κινητικότητα. Τα τεχνητά πολυμερή χρησιμοποιούνται εκτεταμένα ως βιοϋλικά λόγω της ικανότητάς τους να μορφοποιούνται εύκολα και να αποκτούν διάφορες μορφές, όπως νήματα, ράβδοι, ιξώδη υγρά και υμένια. Ακόμη ένα θετικό στοιχείο είναι ότι απορροφώνται αργά από τον οργανισμό, ωστόσο από τη διάσπαση και την απορρόφησή τους μπορούν να προκληθούν αλλεργικές αντιδράσεις. Στα 14

16 τεχνητά πολυμερή η δομή είναι αποτέλεσμα μίμησης των φυσικών βιολογικών δομών. 4. Σύνθετα υλικά (composite material): Σύνθετα είναι τα υλικά, τα οποία μακροσκοπικά αποτελούνται από δύο ή περισσότερα χημικά ευδιάκριτα συστατικά μέρη που έχουν μια συγκεκριμένη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ τους. Τα δύο ή περισσότερα συστατικά συνδυάζονται έτσι ώστε να επιτευχθούν ειδικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά, που από μόνο του καθένα από τα συμμετέχοντα συστατικά δεν μπορεί από να επιτύχει. Τα σύνθετα υλικά αξιοποιώντας τον υδροξυαπατίτη, μιμούνται τη δομή και τις ιδιότητες των φυσιολογικών οστών με αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται ευρέως στην Ορθοπεδική και στην Οδοντιατρική. Το πρώτο υλικό που σχημάτισε ισχυρό δεσμό με οστό και ορίστηκε ως «βιοϋαλος» (bioglass) εφευρέθηκε στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα (University of Florida) το 1971 από τον Larry Hench και τους συνεργάτες του [17]. Η αυθεντική σύνθεση που ενέκρινε και όρισε ως βιοϋαλο ο Οργανισμός Ελέγχου Φαρμάκων και Τροφίμων ( Food and Drug Administration FDA) [18] καθώς και η πρώτη καλά μελετημένη σύνθεση είναι γνωστή ως 45S5 η Bioglass. Ωστόσο, υπάρχουν πολλές παραλλαγές αυτής με πιο γνωστή την 58S. Η βιοϋαλος 45S5 κατασκευάστηκε με τη μέθοδο ταχείας ψύξης τήγματος, ενώ η 58S με τη μέθοδο της κολλοειδούς γέλης [19], [20]. Και οι δύο βιοϋάλοι είναι γνωστές για τον υψηλό βαθμό βιοενεργότητας που εμφανίζουν και οι περιεκτικότητες τους φαίνονται παρακάτω [21]: Πίνακας 1.1: Περιεκτικότητες 45S5 και 58S SiO 2 CaO Na 2 O P 2 O 5 45S5 46,1 mol% 26.9 mol% 24.4 mol% 2,6 mol% 58S 60 mol% 36 mol% - 4 mol% Η ανακάλυψη του Bioglass έφερε την επανάσταση στον τομέα της προσθετικής. Tο Βioglass χρησιμοποιήθηκε σε κλινικές εφαρμογές, όπως η θεραπεία της περιοδοντικής νόσου (PerioGlas) και ως οστικό μόσχευμα (NovaBone), με μεγάλη επιτυχία. Εμφυτεύματα Bioglass έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την 15

17 αντικατάσταση κατεστραμμένων οστών του αυτιού, αποκαθιστώντας έτσι τις ακουστικές ικανότητες των ασθενών [22]. Η επιτυχία της συγκεκριμένης σύστασης οφείλεται σε τρία βασικά χαρακτηριστικά, τα οποία είναι υπεύθυνα για την εμφάνιση βιοενεργότητας. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι: 1. το ποσοστό του SiO 2 (<60%) 2. η υψηλή περιεκτικότητα σε Na 2 O και CaO 3. ο µεγάλος λόγος ασβεστίου προς φωσφόρο στο σύστηµα [23]. Μέχρι τη δεκαετία του 90, οι βιοενεργοί ύαλοι παρασκευάζονται παραδοσιακά με τη χρήση συμβατικών τεχνολογιών κατασκευής γυαλιών. Οι διαδικασίες αυτές όμως παρουσιάζουν αρκετά μειονεκτήματα, όπως είναι τα χαμηλά επίπεδα καθαρότητας, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που συνδέονται με την τήξη και ομογενοποίηση, αλλά και η χαμηλή περιεκτικότητα πυριτίου και υψηλή περιεκτικότητα αλκαλίων που χαρακτηρίζουν τις βιοενεργές ύαλους οι οποίες παρασκευάζονται με τις συμβατικές αυτές τεχνικές. Σήμερα, υπάρχουν διάφορα είδη παρασκευής βιοενεργών υάλων, μεταξύ των οποίων αυτές που εφαρμόζονται εκτενέστερα είναι η μέθοδος της απότομης ψύξης (quenching) και η μέθοδος κολλοειδούς γέλης (sol-gel technique). 16

18 1.2.1 Βιοΰαλοι κολλοειδούς γέλης (Sol Gel) Στην παρούσα εργασία για την παρασκευή των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος κολλοειδούς γέλης (sol-gel). Ιστορικά, η μέθοδος κολλοειδούς γέλης αναπτύχθηκε τα τελευταία 40 χρόνια. Συγκεκριμένα, το ενδιαφέρον για αυτή τη μέθοδο ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 1980 όταν παρατηρήθηκε ότι η υδρόλυση του ορθοπυριτικού τετρααιθυλίου (tetraethyl orthosilicate - TEOS), σε όξινες συνθήκες, οδήγει στον σχηματισμό του SiO2 με τη μορφή ινών και μονολίθων. Οι πρώτοι που εφάρμοσαν την μέθοδο κολλοειδούς γέλης ήταν οι Li, Clarck και Hench με σκοπό να παρασκευάσουν βιοενεργές υάλους διαφόρων συνθέσεων. Στη δεκαετία του 1990 πάνω από εργασίες σχετικά με τη μέθοδο αυτή δημοσιεύτηκαν σε παγκόσμιο επίπεδο [20],[24],[25]. Η µέθοδος sol-gel χρησιμοποιείται ως εναλλακτικός τρόπος παρασκευής υάλων και κεραμικών που περιέχουν ένα ή περισσότερα χηµικά στοιχεία, σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε πολλές περιπτώσεις δίνει τη δυνατότητα να παρασκευαστούν συστάσεις που με άλλες μεθόδους δεν είναι δυνατές, αντικαθιστώντας έτσι τις παραδοσιακές τεχνικές [26], [27]. Γενικά, οι βιοΰαλοι που παρασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο εμφανίζουν ενισχυμένη βιοενεργή συμπεριφορά σε σύγκριση με τις βιοϋάλους που παρασκευάζονται με τη μέθοδο ταχείας ψύξης. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι βιοΰαλοι που παρασκευάζονται με τη μέθοδο κολλοειδούς γέλης, μπορούν να θεωρούνται βιοενεργές ακόμη και σε περιεκτικότητα μέχρι και 80 mol% σε πυρίτιο. Για την καλύτερη βιοενεργή συμπεριφορά ευθύνονται η ύπαρξη του πορώδους και της αυξημένης επιφάνειας που εμφανίζουν τα υλικά κολλοειδούς γέλης, τα οποία είναι απαραίτητα χαρακτηριστικά για την δημιουργία σύνδεσης υάλου με τον βιολογικό ιστό [28]. Συγκεκριμένα, οι πυριτικές ύαλοι μπορούν να παρασκευαστούν με δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι μέσω πολυμερισμού κολλοειδών σωματιδίων πυριτίου σε υδάτινο περιβάλλον. Ο δεύτερος είναι μέσω των αντιδράσεων συμπύκνωσης και πολυμερισμού. Με οποιαδήποτε από της δύο μεθόδους παρασκευαστούν, το άμορφο δίκτυο το οποίο θα μετατραπεί σε γυαλί, είναι σε διαρκή επαφή με κάποια υγρή φάση που γεμίζει το πορώδες τους (οι ύαλοι που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο παρουσιάζουν πορώδες το οποίο δεν παρουσιάζεται με τις άλλες μεθόδους παρασκευής υάλων). «Sol-gel» ονομάζονται όλες οι διεργασίες κατά τις οποίες ένα διάλυμα (sol) εξελίσσεται σταδιακά προς το σχηματισμό μίας άκαμπτης πορώδους μάζας, 17

19 δηλαδή μία γέλης (gel) που περιέχει τόσο μία υγρή και μία στερεή φάση [26], [27], [29]. Πρωτογενείς ουσίες είναι τα μεταλλικά αλκοξείδια και τα μεταλλικά χλωριούχα άλατα, τα οποία μετά από υδρόλυση και αντιδράσεις πολυσυμπύκνωσης σχηματίζουν το κολλοειδές. Η βασική δομή ή μορφολογία της στερεάς φάσης μπορεί να κυμαίνεται οπουδήποτε μεταξύ διακριτών κολλοειδών σωματιδίων και συνεχών δικτύων πολυμερών. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η διάλυση των πρόδρομων ενώσεων, σε κατάλληλο διαλύτη και στη συνέχεια η προσθήκη καταλύτη, συµπλοκοποιητή και νερού. Έτσι δηµιουργείται ένα κολλοειδές διάλυµα (sol) το οποίο µε τη πάροδο του χρόνου μετατρέπεται σε πήκτωμα ή γέλη (gel). Ο όρος «κολλοειδής» χρησιμοποιείται για να περιγράψει τα μίγματα στα οποία τα κολλοειδή σωματίδια είναι διεσπαρμένα σε διάφορες βαθμίδες σε κάποιο υγρό μέσο. Τα κολλοειδή σωματίδια είναι στερεά σωματίδια µμεγέθους nm και στη θερμοκρασία δωματίου είναι διασκορπισμένα λόγω της διαρκούς θερμικής τους κίνησης μέσα σε ένα µέσο, το οποίο μπορεί να είναι είτε αέρας, είτε κάποιο οργανικό υγρό, είτε νερό µε αποτέλεσμα να σχηματίζονται αερολύματα, οργανικά λύματα και υδρολύματα αντίστοιχα. Ο όρος γέλη (gel) αναφέρεται σε ένα δίκτυο στερεής φάσης τριών διαστάσεων που είναι στενά συνδεδεμένη µε µία ακίνητη συνεχή υγρή φάση, η οποία είναι εγκλωβισμένη μέσα στη στερεά [29]. Το gel περιέχει πόρους, οι οποίοι έχουν διαστάσεις μικρότερες του μικρομέτρου καθώς και αλυσίδες πολυµερούς, των οποίων το μέγεθος κατά µέσο όρο είναι λίγο μεγαλύτερο του μικρομέτρου. Ο όρος gel περιλαμβάνει µια μεγάλη ποικιλία υλικών διαφόρων συνδυασμών τα οποία μπορούν να ταξινομηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: καλά οργανωμένα παχύρευστα υλικά ομοιόμορφα δίκτυα πολυµερών τα οποία βρίσκονται σε πλήρη αταξία δίκτυα πολυµερών τα οποία έχουν σχηματιστεί µε φυσική συσσώρευση και στα οποία επικρατεί αταξία συγκεκριμένες δομές σε αταξία Τα βασικά στάδια της παραγωγής ενός κεραμικού ή μίας υάλου με τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι τα εξής [30]: 1. Μηχανική ανάδευση (Mixing): Τα συστατικά αναμειγνύονται σε νερό ή/και αλκοόλη µε στόχο την δημιουργία αιωρημάτων, σε ph κατάλληλο ώστε να μην επιτρέπεται η ανάπτυξη συσσωματωμάτων. Κατά το στάδιο αυτό λαμβάνουν 18

20 χώρα αρχικά αντιδράσεις υδρόλυσης και στη συνέχεια αντιδράσεις συμπύκνωσης και πολυσυμπύκνωσης των αλκοξειδίων (Μ(OR) n ) οι οποίες ξεκινούν σε διάφορα σημεία του μίγματος. Όταν δημιουργούνται αρκετοί δεσμοί Μ-Ο-Μ σε μία περιοχή, σχηματίζονται κολλοειδή σωµατίδια με διαστάσεις μικρότερες από το μικρόμετρο. Οι αντιδράσεις που περιγράφουν αυτή τη διαδικασία είναι οι εξής: Υδρόλυση: Μ(OR) n + nh 2 O M(OH) n + nroh Συμπύκνωση: Πολυσυμπύκνωση: M-OR + M-OH M-OH + M-O-M + R-OH και M-OH + M-OH M-O-M + H-OH Μ-Ο-Μ + M-OH Μ-Ο-Μ-Ο-Μ + H-OH 2. Χύτευση (Casting) : Στο στάδιο αυτό το διάλυμα sol, που έχει ως χαρακτηριστικό το χαμηλό ιξώδες, χυτεύεται σε συγκεκριμένα καλούπια ώστε να μορφοποιηθεί κατάλληλα. Το χαμηλό ιξώδες ευνοεί την μορφοποίηση του. Τα καλούπια πρέπει να είναι κατασκευασμένα από τέτοιο υλικό ώστε να αποφεύγεται η προσκόλληση του gel. 3. Σχηματισμός Gel (Ζελατινοποίηση- Gelation): Τα απομονωμένα κολλοειδή αρχίζουν να διασυνδέονται με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου πλέγματος. Προοδευτικά αυξάνεται το ιξώδες και η πυκνότητα του διαλύματος και το sol το οποίο βρίσκεται μέσα στο καλούπι και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος αρχίζει και παίρνει τελικά το σχήμα του καλουπιού. 4. Γήρανση (Ageing): Το στάδιο της γήρανσης μπορεί να διαρκέσει από ώρες έως και μερικές μέρες ανάλογα με την μια περίοδο που πρέπει το gel να παραμείνει βυθισμένο στο υγρό. Στη διάρκεια του σταδίου αυτού συνεχίζεται η πολυσυμπύκνωση και το μεγέθους των σωματιδίων αυξάνεται, ενώ μειώνεται το πορώδες και παρατηρείται περαιτέρω μείωση του ιξώδους. Η γήρανση συμβάλλει στην αύξηση της ισχύος του gel, γεγονός πολύ σημαντικό ώστε να αποφευχθεί η διάσπασή του κατά την ξήρανση. Έτσι δημιουργείται gel µε μεγαλύτερη συνοχή και μηχανική αντοχή. 19

21 5. Ξήρανση (Drying): Κατά το στάδιο της ξήρανσης απομακρύνονται τα υγρά που έχουν παραμείνει στο δίκτυό του. Το στάδιο αυτό αποτελεί το πιο κρίσιμο στάδιο γιατί επιλέγεται το αν επιθυμείται να ληφθεί σκόνη ή συμπαγές υλικό. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, όταν το µμέγεθος των πόρων είναι μικρό (<20nm), αναπτύσσονται μεγάλες τριχοειδείς τάσεις. Οι τάσεις αυτές μπορούν να επιφέρουν την καταστροφή του gel λόγω της διάσπασής του. Για το λόγο αυτό είναι σημαντικό να ελέγχεται η επιφανειακή τάση του υγρού, ώστε όταν είναι απαραίτητο να μειώνεται, είτε µε την προσθήκη κατάλληλων ενώσεων, είτε με υπερκρίσιμη εξάτμιση. 6. Χημική Σταθεροποίηση (Chemical Stabilization): Στο στάδιο αυτό, το υλικό θερμαίνεται σε διάφορες θεοκρασίες με αποτέλεσμα να απομακρύνονται οι δεσμοί Μi-OH από την επιφάνεια του υλικού. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα χηµικά σταθερότερο υλικό. 7. Αύξηση της πυκνότητας (Densification): Το στάδιο αυτό είναι προαιρετικό και εξαρτάται από το επιθυμητό αποτέλεσμα. Στο στάδιο αυτό παρατηρείται απαλοιφή των πόρων του υλικού με αποτέλεσμα να προκύπτει ένα υλικό τόσο πυκνό όσο ο τηγμένος χαλαζίας. Εικόνα 1.1 : Σχηματική αναπαράσταση διαδικασίας παρασκευής βιοϋάλου με την μέθοδο sol-gel 20

22 Τις τελευταίες δεκαετίες, η μέθοδος κολλοειδούς γέλης έχει προκαλέσει μεγάλο τεχνολογικό και επιστημονικό ενδιαφέρον. Ο λόγος είναι ότι εμφανίζει αρκετά πλεονεκτήματα όσον αφορά τη σύνθεση βιοενεργών υλικών και συγκεκριμένα βιοενεργών υάλων και υαλοκεραµικών, σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους σύνθεσης. Τα πλεονεκτήματα αυτά συνοψίζονται στα εξής [29]: Χαμηλότερες θερμοκρασιακές συνθήκες παραγωγής των προϊόντων, από τις συνηθισμένες, με άμεσο αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας ( ο C). Υψηλά επίπεδα καθαρότητας λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών, της υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο και της χαμηλής περιεκτικότητας σε αλκάλια. Παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων προϊόντων. Βελτιωμένη ομοιογένεια. Δυνατότητα χρήσης περισσότερων συστατικών, διατηρώντας τη βιοενεργότητα. Υψηλότερη βιοενεργότητα λόγω της ύπαρξης του πορώδους και της αυξημένης επιφάνειας που εμφανίζουν. Ποικιλία στην παραγωγή των δομών μέσω ελέγχου των αντιδράσεων της υδρόλυσης και της συμπύκνωσης. Παρασκευή υάλων σε διάφορα επιθυμητά σχήματα, ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία προορίζονται. Μεγαλύτερη ευκολία στη δημιουργία σκόνης. Έλεγχος των προσμίξεων και επίτευξη προϊόντων εξαιρετικής καθαρότητας (µέχρι και 99.99%). Καλύτερος έλεγχος της βιονεργότητας ελέγχοντας τη σύνθεση των συστατικών ή των μικροδοµών. 21

23 1.2.2 Επεξήγηση επιλογής χρήσης μεταλλικών ιόντων Προκειμένου να ενισχυθεί η βιοενεργότητα των βιοενεργών υάλων, για συγκεκριμένες βιολογικές εφαρμογές, έχουν διερευνηθεί πολλές προσεγγίσεις ενσωμάτωσης διαφόρων μεταλλικών ιόντων στο πυριτικό δίκτυο. Ο κύριος στόχος είναι να αυξηθούν οι διεγερτικές επιδράσεις των βιοενεργών υάλων στην οστεογένεση, στην αγγειογένεση και στην προώθηση των αντιβακτηριδιακών ιδιοτήτων [30]. Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι ύαλοι που περιέχουν ιόντα Si, Ca, Mg και Sr είναι εξαιρετικά βιοενεργοί και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές [31], [32], [33]. Η ελεγχόμενη απελευθέρωση αυτών των ενεργών ιόντων, σε επιθυμητά επίπεδα δόσης σε φυσιολογικό περιβάλλον, επηρεάζει θετικά τη συμπεριφορά των ανθρώπινων κυττάρων και ενισχύει τα θεραπευτικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, το Si είναι απαραίτητο για τις μεταβολικές διαδικασίες, το σχηματισμό και την ασβεστοποίηση του ιστού των οστών [34], [35]. Η διαιτητική πρόσληψη του Si αυξάνει την οστική πυκνότητα (BMD) [36]. Επίσης, το υδατικό Si προκαλεί καθίζηση ΗΑp [37]. Τέλος, το Si(OH)4 διεγείρει το σχηματισμό του κολλαγόνου Ι και την οστεοβλαστική διαφοροποίηση [38]. Το Mg, διεγείρει το σχηματισμό νέου οστού [39] και αυξάνει την προσκόλληση των κυττάρων των οστών (bone cell adhesion) και τη σταθερότητα (πιθανώς, λόγω αλληλεπιδράσεων με ιντεγκρίνες, διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που αποτελούν μια ομάδα μεμβρανικών υποδοχέων που αναγνωρίζουν εκλεκτικά δομικά συστατικά της βασικής μεμβράνης και καθορίζουν την σύνδεση των κυττάρων με το εξωκυτταρικό υλικό) [39], [40]. Το Ca, ευνοεί τον πολλαπλασιασμό των οστεοβλαστών, τη διαφοροποίηση τους και την ενασβεστίωση εξωκυττάριας θεμέλιας ουσίας (ECM) [41], παράλληλα, ενεργοποιεί τους υποδοχείς/αισθητήρες Ca (Ca-sensing) στα κύτταρα των οστεοβλαστών και αυξάνει την έκφραση των αυξητικών παραγόντων, π.χ. IGF- I ή IGF- II [42], [43]. Τέλος, το Sr φαίνεται να έχει θετικές επιδράσεις στα κύτταρα των οστών και να ενισχύει την δημιουργία οστού τόσο in vitro, όσο και in vivo [44], [45], ενώ ταυτόχρονα μειώνει την επαναρρόφηση οστού αποτελώντας ελπιδοφόρο 22

24 παράγοντα για τη θεραπεία της οστεοπόρωσης [46]..Οι ύαλοι με ενσωματωμένο Sr έχει αποδειχτεί ότι εμφανίζουν αυξημένη εξωκυτταρική βιοδραστικότητα και ότι απελευθερώνουν κρίσιμες συγκεντρώσεις των ιόντων Sr στο μέσο διάλυσης, εντός του φάσματος 1-5 ppm [47], [48]. H απελευθέρωση αυτή των ιόντων Sr, έχει φανεί ότι ενισχύει την κυτταρική δραστηριότητα των οστών [49]. Επίσης, in vivo μελέτες έχουν επιβεβαιώσει την υψηλή βιοσυμβατότητα του 45S5 Bioglass που περιέχει Sr, η οποία είναι εμφανής λόγω των ισχυρών δεσμών με τα οστά, μέσω του στρώματος HCA και χωρίς φλεγμονώδεις επιδράσεις, παρότι δεν έχουν παρατηρηθεί διαφορές της συμπεριφοράς in vivo σε σύγκριση με το Bioglass χωρίς Sr [50]. 23

25 1.3 Υγρά προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος (Simulated Body Fluids SBF s) Ένα βιοϋλικό που παρουσιάζει βιοενεργότητα, όπως έχει προαναφερθεί, συνδέεται με τις επιφάνειες στις οποίες τοποθετείται μέσω της ανάπτυξης ενός επιφανειακού στρώματος απατίτη. Η κρυσταλλική φάση απατίτη, που είναι όμοια με το ανόργανο συστατικό των οστών, αναπτύσσεται στην επιφάνεια των υλικών και δημιουργεί το δεσμό με το οστό [16],[51]. Μελέτες έχουν δείξει ότι η ικανότητα ενός βιοϋλικού να συνδέεται με οργανικό ιστό, αποδεικνύεται, τόσο in vitro όσο και in vivo. Για την εξακρίβωση της καταλληλότητας ή μη των βιοϋλικών για χρήση σε ιατρικές εφαρμογές πραγματοποιούνται διάφοροι έλεγχοι. Οι έλεγχοι αυτοί επικεντρώνονται στις χημικές, φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών. Στις in vitro τεχνικές, το υλικό τοποθετείται σε διάφορα υγρά τα οποία προσομοιώνουν το ανόργανο τμήμα του πλάσματος αίματος, με ή χωρίς την παρουσία κυττάρων. Η διάλυση του βιοϋλικού μέσα σε αυτά, καθώς και ο τύπος των ανθρακικών φωσφορικών αλάτων που θα κατακαθίσουν, εξαρτώνται από παραμέτρους του διαλύματος. Οι παράμετροι που έχουν σημαντική επίδραση είναι το αρχικό ph, η συγκέντρωση ιόντων και η θερμοκρασία [52]. Με την πάροδο του χρόνου, καθώς η διάλυση βρίσκεται σε εξέλιξη, αλλάζει η συγκέντρωση των ιόντων και κατά συνέπεια αλλάζει το ph, γεγονός που επηρεάζει τελικά το λόγο διάλυσης. Αν το ph ανέβει πάνω από μία κρίσιμη τιμή, επέρχεται κυτταροτοξικότητα [53], [54]. Παρακάτω αναφέρονται τα κυριότερα διαλύματα που έχουν χρησιμοποιηθεί για in vitro μελέτες: Tris buffer: αποστειρωμένο διάλυμα που περιέχει tris(hydroxymethyl)aminomethane c-sbf: ανόργανο διάλυμα με ιοντική συγκέντρωση παρόμοια αυτής του πλάσματος αίματος a-mem και D-MEM : διαλύματα που περιλαμβάνουν οργανικά αλλά και βιολογικά συστατικά του πλάσματος αίματος [55]. 24

26 1.3.1 Συμβατικό υγρό προσομοίωσης (c SBF) Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υγρό προσομοίωσης της ανόργανης φάσης του πλάσματος του αίματος είναι το c-sbf [56], [57]. Η τοποθέτηση ενός υλικού στο SBF, όπως και σε κάθε άλλο υγρό προσομοίωσης, γίνεται με στόχο τον έλεγχο της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιόντων του υγρού και της επιφάνειας του υλικού. μελετάται: Συγκεκριμένα, στην περίπτωση των βιοϋάλων, 1. η ανάπτυξη ή μη απατίτη, 2. ο χρόνος έναρξης δημιουργίας του, 3. ο ρυθμός ανάπτυξής του (βαθμός βιοενεργότητας), 4. ο ρυθμός βιοαποικοδόμησής του. Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο SBF αποτελεί το συμβατικό SBF (conventional SBF ή c-sbf). Η διαφορά του c-sbf από τα υπόλοιπα υγρά προσομοίωσης έγκειται κατά κύριο λόγο στις ποσότητες των ιόντων Cl - και HCO - 3. Στο c-sbf παρατηρείται ότι,σε σύγκριση με το πλάσμα του αίματος, τα ιόντα Cl - είναι περισσότερα ενώ τα ιόντα HCO - 3 λιγότερα. Συνεπώς, οι διαφοροποιήσεις στη σύσταση του SBF επηρεάζουν τις διεργασίες ανάπτυξης απατίτη, το χρόνο που απαιτείται για να επιτευχθεί η ανάπτυξή του, την κρυσταλλικότητα του και το πάχος του αναπτυσσόμενου στρώματος, εφόσον ο απατίτης περιέχει ανθρακικά ιόντα [58]. Πίνακας 1.2: Συγκέντρωση των ιόντων του c- SBF και του πλάσματος αίματος Ιόν SBF Πλάσµα Na K qmg Ca Cl HCO HPO SO Στα in vitro πειράματα, σημαντική παράμετρο αποτελεί και ο λόγος επιφάνειας υλικού προς όγκο του διαλύματος (SA/V) και πρέπει να λαμβάνεται 25

27 υπόψη. Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος SA/V, τόσο αυξάνεται και ο ρυθμός σχηματισμού απατίτη στην επιφάνεια του υλικού και τόσο υψηλότερο είναι το τελικό ph του διαλύματος [54], [59]. Τα συστατικά που απαιτούνται για την παρασκευή του c-sbf, εκτός από διςαπεσταγμένο νερό, καταγράφονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας NaCl 2. NaHCO 3 3. KCl 4. K 2 HPO 4. 3H 2 O 5. MgCl 2.6H 2 O 6. 1N-HCl (aq) 7. CaCl 2.2H 2 O 8. Na 2 SO 4 9. Tris(hydroxymety aminomethane NH 2 C(CH 2 OH) Έλεγχος βιομιμητικής συμπεριφοράς H βιοενεργότητα που παρατηρείται σε κάποια βιοϋλικά οφείλεται στην ικανότητά να σχηματίζουν στην επιφάνειά τους ένα στρώμα κρυσταλλικού απατίτη, όταν βρεθούν σε κάποιο βιολογικό ή προσομοιωμένο υγρό, κατά τα in vitro πειράματα [60]. Το επίπεδο βιοενεργότητας ενός συγκεκριμένου υλικού σχετίζεται με τον το χρόνο (t 0.5bb ) που απαιτείται για να συνδεθεί περισσότερο από το 50% της διεπιφάνειας με οστό. Η εξάρτηση αυτή φαίνεται στην παρακάτω σχέση. I B = 100 t 0.5bb (1.1) Για υλικά τα οποία παρουσιάζουν τιμή I B μεγαλύτερη από 8, π.χ. το 45S5 Bioglass, είναι δυνατή η επίτευξη σύνδεσης τόσο µε τους μαλακούς όσο και µε τους σκληρούς ιστούς. Για υλικά µε τιµή του I B από 0 έως 8, π.χ. ο συνθετικός υδροξυαπατίτης, η επίτευξη σύνδεσης είναι δυνατή µόνο µε τους σκληρούς ιστούς [61], [62]. 26

28 Ανάπτυξη απατίτη in vivo Για την ανάπτυξη ενός τύπου ένυδρου απατίτη πραγματοποιούνται χημικές αντιδράσεις σε προσομοιωμένα υγρά πλάσματος του αίματος. Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζονται τα στάδια στα οποία πραγματοποιούνται αυτές οι αντιδράσεις. Τα πρώτα πέντε στάδια δεν εξαρτώνται από την ύπαρξη ιστού ενώ τα υπόλοιπα στάδια είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη ιστού και εμφυτεύματος [63]. Ο χρόνος πραγματοποίησης των σταδίων είναι λογαριθμικός. Ο ρυθμός σχηματισμού του ανόργανου στρώματος πυριτίου και η ανάπτυξη του υδροξυαπατίτη επιδρούν στην ανάπτυξη και τον προσανατολισμό του οστού, αφού έχουν άμεση επίδραση στην προσέλκυση και διαφόριση των εμβρυονικών κυττάρων. 1. Βιοενεργό Γυαλί 2. Σχηματισμός Si-OΗ δεσμών 3. Συμπύκνωση των δεσμών SiOH+SiOH -Si-O-Si- 4. Απορρόφηση Ca+PO 4 +CO 3 5. Κρυστάλλωση ΗΑ 6. Απορρόφηση βιολογικών ουσίων πάνω στο στρώμα απατίτη 7. Ενεργοπίηση φαγοκυττάρων 8. Προσκόλληση εμβρυονικών κυττάρων 9. Διαίρεση εμβρυονικών κυττάρων 10. Γέννηση μήτρας 11. Κρυστάλλωση μήτρας Διάγραμμα 1.1: Στάδια ανάπτυξης απατίτη in vivo 27

29 Ανάπτυξη απατίτη in vitro Η βιομιμητική συμπεριφορά των διαφόρων υλικών και συγκεκριμένα των υάλων σχετίζεται άμεσα µε την ατομική δομή τους. Ενώσεις που ονομάζονται υαλοσχηµατιστές (σχηματιστές πλέγματος) και υαλο-µορφοποιητές (µορφοποιητές πλέγματος) δημιουργούν τις υάλους [64]. Η τελική μορφή της δομής υάλου εξαρτάται από τις οι αναλογίες και τα είδη των υαλοσχηµατιστών και των υαλοτροποποιητών. Εν συντομία, οι υαλοσχηματιστές είναι κυρίως οξείδια, όπως P 2 O 5, B 2 O 5, Bi 2 O 3 και SiO 2. Σχηματίζουν δεσμούς της π.χ. Si-O-Si. Το πυρίτιο σχηματίζει τετράεδρα µε το οξυγόνο και ανά δύο τα πυρίτια μοιράζονται ένα κοινό οξυγόνο. Το οξυγόνο αυτό ονομάζεται γεφυρωτικό ή bridging oxygen [65]. Οι υαλοµορφοποιητές είναι κυρίως στοιχεία από τα αλκάλια ή τις αλκαλικές γαίες. Ως μορφοποιητές πλέγματος χρησιμοποιούνται συνήθως τα στοιχεία Li, Na, K, Ca και Mg. Στόχος τους είναι να σπάνε τους δεσμούς του οξυγόνου, οι οποίοι ενώνουν τα τετράεδρα μεταξύ τους (δηλαδή τα γεφυρωτικά οξυγόνα) και να γίνονται τερματικά (αγεφύρωτα οξυγόνα ή non-bridging oxygens)[65],[66]. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η αταξία της δομής της υάλου και έτσι η θερμοκρασία τήξης της υάλου μειώνεται ενώ ταυτόχρονα μειώνεται και το ιξώδες. Απότοκο αυτών των μειώσεων είναι η διευκόλυνση της διαδικασίας παρασκευής των υάλων. Λόγω της δομής των υάλων λοιπόν, που μόλις περιγράφηκε, η δραστηριότητα των υάλων μέσα σε υδάτινο περιβάλλον ευνοείται. Η έντονη αυτή δραστηριότητα είναι και το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των βιοενεργών υάλων όσον αφορά την χρήση τους στην ιατρική. Η ύαλος αντιδρά με τα υγρά του σώματος και τα προϊόντα της αντίδρασης της αυτής οδηγούν στον σχηματισμό απατίτη. Παρακάτω παρουσιάζονται οι αντιδράσεις καθώς και τα στάδια των επιφανειακών αντιδράσεων σχηματισμού του δεσμού της βιοενεργής υάλου και του βιολογικού ιστού όπως προέκυψαν από τη μελέτη του τετραδικού συστήματος του Hench. 28

30 Εικόνα 1.2: Αναπαράσταση σχηματισμού απατίτη σε βιοενεργές επιφάνειες 1 ο στάδιο: Πραγματοποιείται έκπλυση της επιφάνειας της υάλου και ανταλλάσσονται ταχέως ιόντα Na + ή K + της επιφάνειας µε Η + ή Η 3 Ο + από το διάλυμα για το σχηματισμό σιλανολών. Στο στάδιο αυτό διαχέονται ιόντα από το κυρίως διάλυμα στην επιφάνεια του υλικού. Η ανταλλαγή αυτή γίνεται σύμφωνα µε την παρακάτω αντίδραση : Si-Ο-Νa + + Η + + ΟΗ - Si-ΟΗ - + Νa + (aq)+ ΟΗ - Τα ιόντα Η + αντικαθίστανται με κατιόντα και έτσι το ph του διαλύματος αυξάνεται. 2 ο στάδιο: Καταστρέφονται οι γέφυρες οξυγόνου του πυριτικού πλέγματος (Si- O-Si) και σχηματίζονται και πάλι σιλανόλες εξαιτίας της απώλειας των ιόντων Na + από την επιφάνεια της υάλου. Ταυτόχρονα, όταν κάποιο άτομο πυριτίου χάσει όλες τις γέφυρές του απελευθερώνονται στο διάλυμα ομάδες Si(OH) 4 σύμφωνα µε την αντίδραση: Si-O-Si + H 2 O Si-OH + HO-Si 29

31 Η επιφάνεια αποκτά ζελατινώδη υφή (silicagel) και υψηλό πορώδες. Η ειδική επιφάνεια είναι της τάξης των 100m 2 και η διάμετρος των πόρων της τάξης των 30-50Å. 3 ο στάδιο: Οι σιλανολικές ομάδες, οι οποίες έχουν ήδη δημιουργήσει ένα στρώμα υψηλής συγκέντρωσης πυριτικών μονάδων SiO 2 και χαμηλής συγκέντρωσης αλκαλίων στην επιφάνεια της υάλου συμπυκνώνονται και επαναπολυμερίζονται σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: 4 ο στάδιο: Τα ιόντα Ca , PO 4 και CO 3 προσροφώνται από το διάλυμα στο επιφανειακό στρώμα της πυριτίας, πάνω στο οποίο αναπτύσσεται στη συνέχεια ένα άµορφο στρώμα ασβεστίου-φωσφόρου CaO-P 2 O 5 µε την παρουσία και άλλων ιόντων όπως CO 2 3. Ca 2+ +PO 3-4 CaO-P 2 O 5 -στρώμα 5 ο στάδιο: Μέσω της επίδρασης των ιόντων OH - και CO 2-3 στο διάλυμα, το άμορφο στρώμα CaO-P 2 O 5 κρυσταλλώνεται με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός στρώματος κρυσταλλικού υδροξυαπατίτη (HCAp) [68], [69], [70]. Συνεπώς, η κρυστάλλωση του ένυδρου στρώματος CaO-P 2 O 5 αποτελεί το βασικό κριτήριο βιοενεργότητας και για αυτό το λόγο απαραίτητη προϋπόθεση για την σύνδεση της υάλου ή του υαλο-κεραµικού στους ιστούς είναι ο σχηµατισµός ενός βιολογικά ενεργού στρώματος ανθρακικού υδροξυαπατίτη. Τα πέντε σταδία που περιγράφονται παρατηρούνται φασματοσκοπικά σε in vitro μελέτες με διάλυμα SBF. Μετά το σχηματισμό του απατίτη, ακολουθούν στάδια που αφορούν την αλληλεπίδραση της βιοϋάλου με τον βιολογικό ιστό προς 30

32 σχηματισμό δεσμού. Τα στάδια αυτά μπορούν να μελετηθούν μονό με in vivo μελέτες και κυτταροκαλλιέργειες όπως αναφέρεται στην παραπάνω παράγραφο [71] Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη απατίτη Η ανάπτυξη απατίτη στα κεραμικά υλικά, βάσει πειραματικών αποτελεσμάτων, εξαρτάται και επηρεάζεται από κάποιους βασικούς παράγοντες. Αυτοί παρατίθενται παρακάτω [54]: Το υγρό προσομοίωσης το οποίο χρησιμοποιείται κατά τη μελέτη των βιοϋλικών. Το c-sbf παρουσιάζει μια σταθερότητα της τάξης των 60 ημερών σε αντίθεση με άλλα υγρά προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος που δημιουργούν συσσωματώματα. Το πορώδες και η επιφάνεια των υλικών. Το πορώδες επηρεάζει την αύξηση της επιφάνειας καθώς η ανάπτυξη του απατίτη συντελείται και μέσα στους πόρους του υλικού. Η επιφάνεια των υλικών σύμφωνα με έρευνες [72], συνεισφέρει στο κατώτερο όριο των 80 m 2 /gr. Οι ομάδες OH- που υπάρχουν στο κεραμικό και κυρίως οι ομάδες Si-OH. Οι ομάδες αυτές έχει αποδειχθεί ότι αποτελούν κέντρα πυρηνοποίησης και προσέλκυσης των ατόμων Ca/P ωστόσο δεν είναι ξεκάθαρο ακόμη κατά πόσο η αύξηση ή μείωση του αριθμού τους στο υλικό σχετίζεται με το ρυθμό ανάπτυξης του απατίτη. Οι μεταβολές που υφίσταται η επιφάνεια των κεραμικών μέσα στο διάλυμα SBF. Οι αντιδράσεις, οι οποίες πραγματοποιούνται στην επιφάνεια κεραμικών πυριτίου ή τιτανίου οδηγούν στην ανάπτυξη αρνητικού φορτίου ενώ σε κεραμικά αλουμίνας στην ανάπτυξη θετικού φορτίου. Τα δύο πρώτα κεραμικά έχουν αποδείξει τη βιοενεργότητά τους ενώ της αλουμίνας δεν έχει αποδειχθεί. Άλλες παράμετροι όπως πιθανές ατέλειες στο κεραμικό, θεωρείται πως παίζουν ρόλο. Εν κατακλείδι, η βασική ιδιότητα όλων των βιοενεργών υλικών είναι η δημιουργία δεσμού μεταξύ αυτών και των ιστών. Η σύνδεση αυτή επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη ενός βιολογικά ενεργού στρώματος υδροξυαπατίτη. Ο χρόνος 31

33 ανάπτυξης και το σημείο κρυστάλλωσης του απατίτη διαφέρουν. Αν αυτός ο χρόνος είναι ιδιαίτερα μεγάλος, δε δημιουργείται δεσμός με τους ιστούς, έτσι το υλικό δεν καθίσταται βιοενεργό. Αφού ένα υλικό χαρακτηριστεί ως βιοενεργό, για να επιβεβαιωθεί η χρήση του και η αποτελεσματικότητά του στον ανθρώπινο οργανισμό πρέπει να ελεγχθεί η βιοαποικοδόμησή του. Η αποικοδόμηση μέσα στον οργανισμό είναι απαραίτητη για την επίτευξη αναγκαίων βιολογικών λειτουργιών, όπως για την υποστήριξη, τη σταδιακή ανάπτυξη και τελικά την αντικατάσταση και την αναγέννηση ενός ιστού, καθώς και την εξάλειψη των κινδύνων που μπορεί να υφίστανται λόγω της μακράς παρουσίας ενός ξένου υλικού στον ανθρώπινο οργανισμό [73]. 32

34 Κεφάλαιο 2 ο : Τεχνικές Χαρακτηρισμού Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι τεχνικές που χρησιμοποιήσαμε για το χαρακτηρισμό των βιοκεραμικών υάλων που παρασκευάσαμε. Υπάρχουν πολλές τεχνικές που μπορούν να εφαρμοστούν, οι οποίες συνήθως χρησιμοποιούνται συνδυαστικά, ώστε να γίνει δυνατός ο προσδιορισμός της δομής των βιοενεργών υάλων. Οι τεχνικές αυτές είναι η Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμούς Fourier (FTIR), η Περίθλαση ακτίνων-χ (XRD), η Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης (SEM-EDS ) και η Θερμική ανάλυση (TG). 2.1 Φασματοσκοπία Υπερύθρου (Infrared Spectroscopy, IR) Η φασματοσκοπία υπερύθρου αποτελεί μία από τις βασικότερες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό των υλικών και σήμερα είναι η πιο συνηθισμένη φασματοσκοπική τεχνική ταλαντώσεων. Στηρίζεται στην αλληλεπίδραση του υπέρυθρου φωτός με την ύλη [74], [75]. Καθώς όλα σχεδόν τα είδη της ύλης απορροφούν υπέρυθρη ακτινοβολία η τεχνική αυτή καθίσταται μια από τις πιο σημαντικές τεχνικές στην ταυτοποίηση μορίων. Χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές τόσο βιοϊατρικές όσο και σε τεχνολογικό επίπεδο, όπως στην αναγνώριση των ουσιών σε ένα δείγμα, στην ανάλυση εγκληματολογικών στοιχείων αλλά και στον ποιοτικό έλεγχο παραγωγής της βιομηχανίας [76],[77],[78]. Η φασματική περιοχή του υπερύθρου διακρίνεται σε τρεις υποπεριοχές: το εγγύς υπέρυθρο (NIR), στο εύρος cm -1 το μέσο υπέρυθρο (MIR), στο εύρος cm -1 το μακρινό υπέρυθρο (FIR), στο εύρος cm -1 Στο χαρακτηρισμό των υλικών η περιοχή που χρησιμοποιείται κυρίως είναι αυτή του μέσου υπέρυθρου (MIR). Τα μόρια αποτελούνται από άτομα που συγκρατούνται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς. Οι δεσμοί αυτοί, όπως και οι γωνίες μεταξύ τους δεν είναι σταθεροί. Τα άτομα των μορίων ακόμη και στην βασική ενεργειακή τους κατάσταση εκτελούν κινήσεις περιστροφής και δόνησης. Αντιθέτως. Όταν μια ποσότητα ύλης ακτινοβοληθεί με υπέρυθρη ακτινοβολία, ένα ποσοστό από τα μόρια που δέχονται 33

35 την ακτινοβολία διεγείρονται και μπορούν να δονούνται μεταξύ των ατόμων ή των δεσμών. Έτσι, αυξάνεται η ενέργεια δόνησης και περιστροφής τους. Ο αριθμός των τρόπων δόνησης, σχετίζεται με τον αριθμό των ατόμων και του δεσμού εντός του μορίου. Οι δονήσεις που πραγματοποιούνται στα μόρια διακρίνονται σε δύο κατηγορίες [74],[75] : Δονήσεις έκτασης: Τα άτομα του δεσμού διαδοχικά πλησιάζουν και απομακρύνονται μεταξύ τους κινούμενα κατά μήκος του άξονα δεσμού δηλαδή αλλάζει η μεσοατομική απόσταση. Δονήσεις κάμψης: Τα άτομα των γειτονικών δεσμών κινούνται έτσι ώστε να αλλάζει η γωνία μεταξύ δύο των δεσμών. Εκτός από τις παραπάνω λαμβάνουν χώρα και συνδυασμένες δονήσεις. Υπάρχουν δηλαδή και άλλα είδη παραμόρφωσης της δομής των μορίων, όπως όταν αυτό σείεται (wag), κλυδωνίζεται (rock), στρεβλώνεται (twist), ή έχει ψαλιδωτή κίνηση (scissor), κ.λπ. Οι δυνατές ταλαντώσεις παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα: Δονήσεις τάσης Δονήσεις κάμψης Συμμετρική έκταση Ασύμμετρη κάμψη σε επίπεδο (rock) Συμμετρική κάμψη σε επίπεδο (scissor) Ασύμμετρη έκταση Συμμετρική κάμψη εκτός επιπέδου (wag) Ασύμμετρη κάμψη εκτός επιπέδου (twist) Σχήμα 2.1 : Δυνατές ταλαντώσεις ατόμων ή δεσμών σε ένα μόριο. Αν ένα μόριο είναι συμμετρικό δεν παρατηρείται απορρόφηση υπέρυθρης 34

36 ακτινοβολίας. Για να απορροφηθεί η υπέρυθρη ακτινοβολία πρέπει να υπάρχει μεταβολή στη διπολική του ροπή κατά τη διάρκεια της δόνησης, διαφορετικά, η δόνηση θεωρείται ανενεργή στο IR. Έτσι μόρια όπως το H 2, Cl 2, F 2, He, Ne, Ar κ.λπ. είναι διαφανή στην υπέρυθρη ακτινοβολία, καθώς έχουν μηδενική διπολική ροπή. Με εξαίρεση τα παραπάνω, όλα τα μόρια στα οποία μεταβάλλεται η διπολική τους ροπή κατά την δόνηση ή την περιστροφή, όπως, HCl, NaCl κ.λπ. απορροφούν σε συγκεκριμένες συχνότητες στο υπέρυθρο, που είναι χαρακτηριστικές των ατόμων του μορίου και του τρόπου δόνησής τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η μεταβολή της διπολικής ροπής, τόσο ισχυρότερη είναι και η απορρόφηση. Στη φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier γίνεται χρήση μετασχηματισμών Fourier. Για τη λήψη του υπέρυθρου φάσματος συλλέγεται το συμβολογράφημα ενός φάσματος μέσω ενός συμβολόμετρου, ψηφοποιείται και έπειτα εκτελούνται οι μετασχηματισμοί Fourier. H βασική διάταξη λειτουργίας ενός φασματοσκοπίου FTIR φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 2.1 : Διάταξη λειτουργίας φασματοσκοπίου FTIR Συμπερασματικά, η φασματοσκοπία υπερύθρου με χρήση μετασχηματισμού Fourier (FTIR) είναι μια ταχύτατη, μη καταστροφική μέθοδος χαρακτηρισμού για ένα ευρύ φάσμα υλικών. Είναι εξαιρετικά ευαίσθητη και μπορεί να ανιχνεύσει και να χαρακτηρίσει τόσο υλικά όγκου όσο και υπέρλεπτα υμένια. Βασικά χαρακτηριστικά της είναι ότι μια πλήρης σάρωση διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα, 35

37 παρουσιάζει μεγάλη σταθερότητα μήκους κύματος, ισχυρό σήμα εξόδου και μεγάλη ανάλυση (<0.1 cm -1 ), ενώ δεν παρουσιάζεται δέσμη διασποράς και τέλος ο λόγος του σήματος προς τον θόρυβο είναι μεγάλος. Η απορρόφηση της ακτινοβολίας μετράται και παριστάνεται γραφικά ως συνάρτηση του κυματάριθμου (1/λ) σε cm -1. Για να βρεθούν τα χαρακτηριστικά του δεσμού μελετάται η συχνότητα στην οποία εμφανίζονται οι κορυφές (ποιοτική μελέτη) ενώ για τον υπολογισμό της ποσότητας ενός συστατικού μελετάται το μέγεθος των κορυφών του φάσματός του (νόμος του Beer, ποσοτική μελέτη). Συγκεκριμένα, για τη μελέτη και την ταυτοποίηση της ανάπτυξης στρώματος HCAp σε βιοενεργά υλικά η φασματοσκοπία υπερύθρου FTIR αποτελεί μια από τις βασικότερες τεχνικές καθότι το φάσμα IR του υδροξυαπατίτη εμφανίζει χαρακτηριστικές κορυφές σε μία ευρεία περιοχή του μεσαίου υπερύθρου (MIR) στα 1100 cm -1, 1030 cm -1 και μια διπλή στα 602 και 576 cm -1 και έχει μελετηθεί ικανοποιητικά. Στα πλαίσια της μελέτης με αυτή την τεχνική εξετάζονται οι χαρακτηριστικές δονήσεις των δεσμών Ca-O, P-O και Si-O-Si. Αυτές επιβεβαιώνουν την ύπαρξη στρωμάτων SiO 2 και Ca-P στην επιφάνεια των υλικών αφού έχουν αντιδράσει σε υδατικά διαλύματα ή ζωντανό οστίτη ιστό. Έτσι, ελέγχεται η βιοενεργότητα των υλικών ανάλογα με τη σύνθεση τους, την αναλογία επιφάνειας υλικού προς τον όγκο του διαλύματος και τον χρόνο αντίδρασης [79]. Ένα φάσμα IR παρουσιάζει στον άξονα των x τη συχνότητα υπερύθρου σε μονάδες κυματάριθμου (cm -1 ) και στον άξονα των y την επί τοις εκατό διαπερατότητα (% Τ). Οι αλληλεπιδράσεις που είναι σημαντικές είναι η απορρόφηση και η εκπομπή Διαπερατότητας (Transmittance) Στην τεχνική αυτή μετράται η διερχόμενη ακτινοβολία από το δείγμα. Το φάσμα IR αποκαλύπτει τα φωτόνια ή της απορροφήσεις που απορροφώνται από το μόριο και δε φτάνουν στον ανιχνευτή, όταν το δείγμα εκτίθεται σε πηγή συνεχούς υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η μορφή που έχει είναι σαν μια σειρά από ταινίες απορρόφησης και τα αποτελέσματα εκφράζονται σαν Transmittance ή Absorbance. Για δεδομένο μήκος κύματος ή συχνότητα ισχύει η: 36

38 A=log1/T Όπου A η απορρόφηση και Τα η διαπερατότητα. Για να μετρηθεί η διερχόμενη ακτινοβολία θα πρέπει να πληρείται μια από τις δύο παρακάτω προϋποθέσεις το δείγμα πρέπει να είναι πολύ λεπτό, κάποια ελάχιστη ποσότητα του υλικού να αναμιχθεί με κάποια μη απορροφούσα -στη φασματική περιοχή που μας ενδιαφέρει- ουσία πχ. KBr Ανακλαστικότητας (Reflectance) Σε αυτή την τεχνική μετράται η ανακλώμενη ακτινοβολία από την επιφάνεια του δοκιμίου. Τα αποτελέσματα εκφράζονται σαν Reflectance. Προκειμένου να μετρηθεί η ανακλώμενη ακτινοβολία, το δείγμα δεν χρειάζεται κάποια επεξεργασία, η ποιότητα όμως της επιφάνειας (roughness) επηρεάζει σημαντικά την ένταση της ανακλαστικότητας και το λόγο σήματος προς το θόρυβο (S/N) του φάσματος. Η μέθοδος της ανακλαστικότητας εμφανίζει πλεονεκτήματα σε σχέση με αυτή της απορρόφησης. Τα πλεονεκτήματα αυτά είναι: είναι μεγαλύτερης διακριτικής ικανότητας επιτρέπει τον ακριβέστερο προσδιορισμό και την ταυτοποίηση πολλών συνυπαρχόντων φάσεων στα οξείδια είναι μη καταστροφική μέθοδος για το δείγμα [74],[75]. 2.2 Περίθλαση ακτινών-χ (XRD) Μία άλλη τεχνική που χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση και το χαρακτηρισμό άγνωστων κρυσταλλικών υλικών είναι η περίθλαση ακτίνων-χ (XRD), η οποία αποτελεί μια αποτελεσματική αναλυτική μέθοδο. Κατά την εφαρμογή αυτής της τεχνικής παρατηρείται η ένταση της ελαστικά σκεδαζόμενης ακτινοβολίας 37

39 μιας δέσμης ακτίνων-χ, η οποία προσπίπτει σε ένα δείγμα, σαν συνάρτηση της γωνίας σκέδασης, της πόλωσης και του μήκους κύματος. Οι ακτίνες-χ αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια στα άτομα. Όταν τα φωτόνια των ακτίνων-χ συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια, κάποια φωτόνια της προσπίπτουσας δέσμης εκτρέπονται από την αρχική τους διεύθυνση. Η σκέδαση αυτή ονομάζεται ελαστική (σκέδαση Thompson) αν το μήκος κύματος των σκεδαζόμενων ακτίνων-χ δεν αλλάξει, δηλαδή αν αλλάξει μόνο η ορμή και όχι η ενέργεια. Οι πληροφορίες που μεταφέρει η ελαστικά σκεδαζόμενη ακτινοβολία αφορούν την κατανομή των ηλεκτρονίων σε ένα υλικό και είναι αυτή που μας ενδιαφέρει στα πειράματα περίθλασης. Σχήμα 2.2: Εκτροπή φωτονίων ακτίνων-χ από το δείγμα Η Powder XRD είναι η πιο γνωστή τεχνική χαρακτηρισμού υλικών με περίθλαση ακτινών -Χ. Στην τεχνική αυτή το δείγμα είναι συνήθως σε μορφή σκόνης, η οποία αποτελείται από λεπτούς κόκκους ενός μονοκρυσταλλικού υλικού. Ο όρος σκόνη σημαίνει ότι οι κόκκοι είναι τυχαία προσανατολισμένοι στο δείγμα. Έτσι τα περιθλώμενα κύματα να δημιουργούν ένα μέγιστο (κορυφή) συμβολής το οποίο είναι συμμετρικό της κατανομής των ατόμων. Για την αναγνώριση της δομής (ή φάσης) του υλικού χρησιμοποιούνται οι θέσεις και οι εντάσεις των μεγίστων αυτών. 38

40 Για παράδειγμα, οι γραμμές περίθλασης του γραφίτη θα είναι διαφορετικές από αυτές του διαμαντιού, παρόλο που και τα δύο αποτελούνται από άτομα άνθρακα [80]. Τα δείγματα, το οποία είναι υπό μορφή σκόνης, τοποθετούνται πάνω σε δειγματοφορείς. Τα δείγματα είναι σε μορφή σκόνης για να υπάρχει τυχαία κατανομή όλων των κρυσταλλογραφικών διευθύνσεων του υπό µελέτη δείγµατος. Η μονοχρωματική ακτινοβολία ακτίνων-χ προσπίπτει στην επιφάνεια στερεών δειγμάτων και περιθλάται από τα διάφορα σετ των κρυσταλλογραφικών επιπέδων που υπάρχουν στη δοµή του υλικού µε βάση την εξίσωση του Bragg : 2d hkl sinθ=nλ όπου d hkl η απόσταση µεταξύ δύο κρυσταλλογραφικών επιπέδων, θ η γωνία µεταξύ του επιπέδου του δείγµατος και της προσπίπτουσας δέσµης, n είναι ακέραιος αριθµός και λ το µήκος κύµατος των ακτίνων Χ. Σε όλες τις άλλες γωνίες θα πρέπει να µην λαµβάνεται ακτινοβολία. Ο νόμος του Bragg αναπαρίσταται γραφικά στο σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3 : Σχηματική αναπαράσταση του νόμου Bragg Με την περίθλαση ακτινών-χ προσδιορίζουμε τη δομή και τη σύσταση του δείγματος και παρέχεται η ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της περιεκτικότητας αυτού. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής είναι ότι απαιτεί μικρή και εύκολη προετοιμασία του δείγματος και είναι µη καταστροφική. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα μελέτης στερεών οποιασδήποτε χημικής φύσης, όπως χημικές ενώσεις, κράματα μετάλλων, ορυκτά και άλλα σύνθετα υλικά, είτε κρυσταλλικά, είτε 39

41 άμορφα. Τέλος, μπορούν να αντληθούν πολλές πληροφορίες από τη βιβλιοθήκη των γνωστών κρυσταλλικών υλικών, η οποία και είναι πολύ πλούσια. 2.3 Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης και Φασματοσκοπία Ενεργειακής Διασποράς ( SEM EDS) Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) αποτελεί µια αρκετά διαδεδομένη τεχνική για τη μορφολογική μελέτη των υλικών. Η ανάλυση αυτής της μεθόδου είναι αρκετά υψηλή, περίπου στα 10 nm. Τα αντικείμενα εξετάζονται σε πιο λεπτομερή κλίμακα ως αποτέλεσμα της χρήσης δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αντί για φως. Η δέσμη των ηλεκτρονίων σαρώνει την επιφάνεια του δείγματος, µε το οποίο και αλληλεπιδρά και έτσι, προκύπτουν οι πληροφορίες για τα άτομα των στοιχείων που απαρτίζουν το προς εξέταση δείγμα. Σχήμα 2.4: Σχηματική αναπαράσταση ηλεκτρονικού µμικροσκοπίου σάρωσης Σε ένα τυπικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, η εκπομπή ηλεκτρονίων γίνεται με θερμιονική εκπομπή από νήμα βολφραμίου. Η δέσμη των ηλεκτρονίων έχει τυπικά εύρος ενεργειών από μερικές εκατοντάδες ev έως 100 kev. Μετά την εκπομπή, συγκεντρώνεται από έναν ή δύο συμπυκνωτές φακούς σε μια πολύ λεπτή δέσμη, η οποία είναι της τάξης των νανομέτρων. Για την σάρωση μιας μεγάλης περιοχής του δείγματος, η οποία έχει ορθογώνιο σχήμα, η δέσμη διαπερνάει δύο 40

42 αντικειμενικούς φακούς, οι οποίοι αποκλίνουν τη δέσμη οριζόντια και κάθετα. Όταν η αρχική δέσμη ηλεκτρονίων αλληλεπιδρά με το δείγμα, τα ηλεκτρόνια χάνουν ενέργεια από την επαναλαμβανόμενη σκέδαση και απορρόφηση. Ο όγκος αλληλεπίδρασης του δείγματος έχει έκταση από λιγότερο από 100nm μέχρι περίπου 5μm μέσα στην επιφάνεια. Από αυτή την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ της δέσμης των ηλεκτρονίων και του δείγματος προκύπτει η εκπομπή ηλεκτρονίων και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να ανιχνεύεται από έναν ανιχνευτή και να μεταφράζεται σε εικόνα [81]. Ταυτόχρονα, με την εκπομπή δευτερογενών και οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων κατά την πρόσπτωση της δέσμης στο δείγμα, εκπέμπονται και ακτίνες- Χ. Οι ακτίνες-χ είναι χαρακτηριστικές των στοιχείων του δείγματος, οφείλονται στη σκέδαση των ηλεκτρονίων της δέσμης από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του δείγματος και συλλέγονται από τους κρυστάλλους της Φασματοσκοπίας Ενεργειακής Διασποράς. Οι εικόνες SEM έχουν χαρακτηριστική τρισδιάστατη εμφάνιση και είναι υψηλής διακριτικής ικανότητας γι αυτό και είναι χρήσιμες στην αναγνώριση της επιφανειακής δομής ενός δείγματος [81], [82]. Έτσι το SEM δίνει πληροφορίες για την μορφολογία και τη σύσταση της επιφανείας του δείγματος. Η ημιποσοτική στοιχειακή ανάλυση του υλικού επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ενός συστήματος ανίχνευσης της διασποράς των ενεργειών των ακτινών-χ που δημιουργούνται στην επιφάνεια από την προσπίπτουσα δέσμη. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα ποιοτικού προσδιορισμού των επιφανειών του υλικού σε σχέση με τις ανωμαλίες και την συνέχεια της διευθέτησης των πόρων σε όλες τις διαστάσεις. Δηλαδή, το SEM χρησιμοποιείται για την εξέταση μικροδοµής στερεών δειγμάτων και για τη λήψη εικόνων υψηλού βαθμού διείσδυσης. 2.4 Θερμική Ανάλυση (Thermal Analysis TG-TDS) Η θερμική ανάλυση αποτελεί μια σειρά τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση ιδιοτήτων των υλικών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, του χρόνου και της μάζας. Η χρήση της θερμικής ανάλυσης είναι ευρεία και βρίσκει εφαρμογή τόσο στην έρευνα και στην ανάπτυξη, όσο και στον έλεγχο ποιότητας των υλικών. 41

43 Αναφορικά για την πρώτη κατηγορία χρησιμεύει στην επιλογή υλικών, στην ανάπτυξη νέων υλικών, στην πρόβλεψη της επίδοσης τους και στη συγκριτική αξιολόγηση τους. Οι πληροφορίες που δίνονται από τα διαγράμματα θερμικής ανάλυσης αφορούν το σημείο τήξης, την κρυσταλλικότητα, τη θερμοχωρητικότητα, την καθαρότητα, glass transition, curing and cross linking, oxidate stability, thermal stability, composition analysis, modulus, creep & stress relaxation, energy dissipation/samping, thermal expansion [83]. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές θερμικής ανάλυσης. Στη συγκεκριμένη εργασία εφαρμόσαμε το συνδυασμό των μεθόδων TGA - DSC. Συγκεκριμένα, η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC - Differential Scanning Calorimetry) είναι μία θερμική τεχνική κατά την οποία η διαφορά στην ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας ενός δείγματος και της αναφοράς μετριέται σα συνάρτηση της θερμοκρασίας. Τόσο το δείγμα, όσο και η αναφορά διατηρούνται σε περίπου ίδια θερμοκρασία σε όλη τη διάρκεια του πειράματος. Το πρόγραμμα θερμοκρασίας είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε η θερμοκρασία της θήκης του δείγματος να αυξάνεται γραμμικά ως μια συνάρτηση του χρόνου. Το δείγμα αναφοράς πρέπει να έχει μια καλά καθορισμένη θερμοχωρητικότητα πάνω από την περιοχή θερμοκρασιών που πρέπει να σαρωθεί. Υπάρχουν δύο είδη DSC : Power compensated DSC (σταθερή παροχή ρεύματος) Heat flux DSC (σταθερή ροή θερμότητας) Η βασική αρχή που διέπει την τεχνική αυτή είναι ότι όταν το δείγμα υφίσταται φυσικό μετασχηματισμό όπως οι αλλαγές φάσης, πρέπει να ρέει σε αυτό είτε περισσότερή, είτε λιγότερη θερμότητα από το ποσό που ρέει στην αναφορά ώστε να διατηρηθούν στην ίδια θερμοκρασία. Η ροή θερμότητας προς το δείγμα εξαρτάται από το αν η διαδικασία είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη. Παρατηρώντας τη διαφορά στη ροή θερμότητας μεταξύ του δείγματος και της αναφοράς, η DSC είναι 42

44 σε θέση να μετρήσει την ποσότητα θερμότητας που απορροφάται ή απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτών των αλλαγών. Το αποτέλεσμα ενός πειράματος DSC είναι μια καμπύλη της ροής θερμότητας ροής ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ή του χρόνου. Υπάρχουν δύο διαφορετικές συμβάσεις: οι εξώθερμες αντιδράσεις στο δείγμα φαίνονται με μια θετική ή αρνητική κορυφή, ανάλογα με το είδος της τεχνολογίας που χρησιμοποιείται στο πείραμα. Αυτή η καμπύλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των ενθαλπίες των μεταβολών. Αυτό γίνεται με την ενσωμάτωση της κορυφής που αντιστοιχεί σε μια δεδομένη μεταβολή. Η ενθαλπία της μεταβολής μπορεί να εκφραστεί χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση : ΔH=K*A όπου ΔH είναι η ενθαλπία μετάβασης, Κ είναι η θερμιδομετρική σταθερά, και Α είναι η περιοχή κάτω από την καμπύλη. Η θερμιδομετρική σταθερά ποικίλει από όργανο σε όργανο. Διάγραμμα 2.1 : Ενδεικτική καμπύλη θερμοράφηματος Η θερμοσταθμική ανάλυση (TGA - Thermogravimetric analysis) είναι μια μέθοδος θερμικής ανάλυσης στην οποία οι αλλαγές στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των υλικών μετρώνται σα συνάρτηση της αύξησης της θερμοκρασίας (με σταθερή ταχύτητα θέρμανσης), ή σα συνάρτηση του χρόνου (με σταθερή 43

45 θερμοκρασία ή/και σταθερή απώλεια μάζας). Η μέθοδος αυτή μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τα φυσικά φαινόμενα, όπως οι αλλαγές φάσης δεύτερης τάξης, συμπεριλαμβανομένης της εξάτμισης, της εξάχνωσης, της απορρόφησης, της προσρόφησης και της εκρόφησης. Επίσης παρέχει πληροφορίες σχετικά με χημικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένης της απορρόφησης χημικών, της αποδιαλυτοποίησης, της αποσύνθεσης, και των αντιδράσεων στερεού-αερίου (π.χ., οξείδωση ή αναγωγή). Η TGA χρησιμοποιείται συνήθως για τον προσδιορισμό επιλεγμένων χαρακτηριστικών των υλικών που εμφανίζουν είτε απώλεια μάζας, είτε αύξηση που οφείλεται στην αποσύνθεση, την οξείδωση, ή τη απώλεια των πτητικών (όπως η υγρασία). Το όργανο TGA ζυγίζει συνεχώς ένα δείγμα καθώς αυτό θερμαίνεται σε θερμοκρασίες μέχρι 2000 C Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, τα διάφορα συστατικά του δείγματος αποσυντίθενται και το ποσοστό βάρους του κάθε δείγματος από κάθε αλλαγή μάζας μπορεί να μετρηθεί. Τα αποτελέσματα απεικονίζονται σε ένα διάγραμμα με την θερμοκρασία στον άξονα x και την απώλεια μάζας στον άξονα y. Τα δεδομένα μπορούν να ρυθμιστούν με χρήση της καμπύλης εξομάλυνσης. 44

46 Κεφάλαιο 3 ο : Υλικά & Μεθοδολογία 3.1 Παρασκευή βιοκεραμικής υάλου Στην εργασία αυτή παρασκευάστηκαν δύο βιοκεραμικά υλικά που περιέχουν στρόντιο, με παρόμοιες συστάσεις, ονομαστικά SiO 2 60, CaO 30, MgO 5,SrO 5 και SiO 2 60, CaO 30, MgO 5, SrO 10 σε wt %, οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω. Για ευκολία θα αναφερόμαστε στις δύο παρασκευές ως Sr5 και Sr10, αντίστοιχα. Η παρασκευή των υλικών αυτών έγινε με την διαδικασία της κολλοειδούς γέλης όπως περιγράφεται στην υπάρχουσα βιβλιογραφία [84], [85], [86]. Αρχικά, και για τις δύο παρασκευές, τοποθετήθηκαν σε ποτήρι ζέσεως 29ml διςαπεσταγμένο νερό, 4,8ml 2N HNO3 και 30ml TEOS. Στο διάλυμα προστέθηκε ένας μαγνήτης και το ποτήρι ζέσεως τοποθετήθηκε πάνω στον αναδευτήρα στους 400 rpm. Τα τρία πρώτα συστατικά αφέθηκαν να αναδεύονται έως ότου το διάλυμα να γίνει διαυγές, δηλαδή να πραγματοποιηθεί η υδρόλυση του TEOS. Στη συνέχεια προστέθηκαν με τη σειρά στο διάλυμα τα Ca(NO 3 )2 4H 2 O, Mg(NO 3 )2 6H 2 O και Sr(NO 3 ) 2 των οποίων οι ποσότητες για κάθε παρασκευή φαίνονται στον Πίνακα 3.1. Πίνακας η Παρασκευή : Sr5 2 η παρασκευή : Sr 10 Συστατικά Ποσότητα Ποσότητα 1 dh 2 O 29ml 29ml 2 HNO3 (2N) 4.8ml 4.8ml 3 TEOS 30ml 30ml 4 Ca(NO 3 )2 4H 2 O gr 13.22gr 5 Mg(NO 3 )2 6H 2 O 2.871gr 2.871gr 6 Sr(NO 3 ) gr 4.739gr Το διάλυμα αφέθηκε να αναδεύεται για 50 λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου. Κατόπιν, παρέμεινε στους 60 C για 2 μέρες και 7 ώρες ώστε να πραγματοποιηθεί το στάδιο της γήρανσης. Στη συνέχεια, έγινε αλλαγή στο πρόγραμμα θέρμανσης, ώστε να πραγματοποιηθεί η ξήρανση του υλικού παρουσία 45

47 υγρασίας. Το πρόγραμμα που επιλέχθηκε αποτελείται από τα θερμικά στάδια 60 C 90 C 120 C. Η μετάβαση από το ένα στάδιο στο άλλο έγινε, συνολικά, σε χρονικό διάστημα 2 ημερών και 21 ωρών. Για την επίτευξη υγρασίας τοποθετήθηκαν στο πίσω μέρος του κλιβάνου, παράλληλα με το υλικό, καψάκια αλουμίνας (aluminium oxide - Al 2 O 3 ) γεμάτα με απεσταγμένο νερό. Έπειτα, αφαιρέθηκαν οι κάψες αλουμίνας, το υλικό μεταφέρθηκε σε κάψα πλατίνας (platinum Pt) και έγινε αλλαγή του προγράμματος για το τελικό στάδιο της χημικής σταθεροποίησης.. Το τελικό πρόγραμμα αποτελείται από τα θερμικά στάδια 400 C 600 C 700 C και διήρκησε συνολικά 2 μέρες και 18 ώρες. Εικόνα 3.1: Τελικό στάδιο παρασκευής του sol-gel (Ξήρανση - Γήρανση) Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί, μετά την παραπάνω διαδικασία, οι παρασκευές χωριστήκαν σε δύο μέρη η καθεμία. Το ένα μέρος του κάθε υλικού διατηρήθηκε και το άλλο υποβλήθηκε σε θερμική κατεργασία. Από θερμοκρασία δωματίου 18 C και με βάση τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης που υπέστησαν τα δύο υλικά, στην οποία θα αναφερθούμε εκτενέστερα στο Κεφάλαιο 4, το Sr5 τοποθετήθηκε στο φούρνο υψηλών θερμοκρασιών για 87 λεπτά, ενώ το Sr10 για 89 λεπτά, με ρυθμό ανόδου θερμοκρασίας και για τα δυο, 10 C/min. Το 46

48 αποτέλεσμα ήταν να φτάσουν σε θερμοκρασίες 892 C και 903 C αντίστοιχα. Στη θερμοκρασία αυτή παρέμειναν για 10 λεπτά και στη συνέχεια αφέθηκαν μέχρι να ψυχθούν σε θερμοκρασία δωματίου. 3.2 Μέθοδος παρασκευής υγρού προσομοίωσης σωματικών υγρών (c-sbf) Στη συνέχεια παρασκευάσαμε το υγρό προσομοίωσης σωματικών υγρών (c- SBF) που έγινε σύμφωνα με τη βιβλιογραφία [87]. Για την παρασκευή 1L διαλύματος SBF, χρειάστηκαν τα παρακάτω όργανα: ζυγός ακριβείας (με 4 δεκαδικά ψηφία του γραμμαρίου) μαγνητικός αναδευτήρας (magnetic stirrer) κωνική φιάλη 1L πεχάμετρο με ενσωματωμένο θερμόμετρο ποτήρια ζέσεως πιπέτα και πουάρ Τα παραπάνω σκεύη, για να χρησιμοποιηθούν, καθαρίστηκαν αρχικά με διάλυμα HCl, 1N, στη συνέχεια με ακετόνη και τέλος με δισ-απεσταγμένο νερό. Στα παρακάτω βήματα παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την παρασκευή του c-sbf : 1 ο βήμα: Σε θερμοκρασία δωματίου τοποθετήθηκε το δις-απεσταγμένο νερό σε ογκομετρική φιάλη 1L, στην οποία πραγματοποιήθηκε η διάλυση των αλάτων και των στοιχείων του ρυθμιστικού διαλύματος. 2 ο βήμα: Η ογκομετρική φιάλη τοποθετήθηκε πάνω σε μαγνητικό αναδευτήρα και ξεκίνησε η συνεχής ανάδευση του διαλύματος. Κάθε αντιδραστήριο προστέθηκε στη φιάλη μετά από την πλήρη διάλυσή του προηγούμενου, ώστε να μη δημιουργηθεί ίζημα. Η σειρά με την οποία προστέθηκαν παρουσιάζεται στον Πίνακα 3.2. Κατά τη διάρκεια της ανάμιξης το διάλυμα διατηρήθηκε διαυγές. 47

49 Πίνακας 3.2: Ποσότητα των αντιδραστηρίων για προετοιμασία 1L c-sbf. Αντιδραστήρια Ποσότητα 1 NaCl gr 2 NaHCO gr 3 KCl gr 4 K2HPO4. 3H2O gr 5 MgCl2. 6H2O gr M-HCl 3 ml 7 CaCl gr 8 Na2SO gr 9 (CH2OH)3CNH2 (TRIS) a gr a TRIS: tris(hydroxymethyl)aminomethane 3 ο βήμα: Το διάλυμα θερμάνθηκε μέχρι τους 37 ο C (θερμοκρασία ανθρώπινου σώματος). Το ph του ρυθμίστηκε στο 7,4 με προσθήκη σταγόνων διαλύματος HCl, 1Ν (μια διαδικασία η οποία γίνεται όταν κρίνεται απαραίτητο). 3.3 Προετοιμασία δειγμάτων και εμβάπτισή τους στο SBF Τα δύο βιοκεραμικά υλικά, που παράχθηκαν με τη διαδικασία που παρουσιάστηκε παραπάνω, τοποθετήθηκαν σε υδραυλική πρέσσα κενού και, υπό πίεση <10 τόνων, κονιορτοποιήθηκαν. Εικόνα 3.2: Μεταλλική μήτρα (die) για παρασκευή δισκίων σε υδραυλική πρέσσα 48

50 Στη συνέχεια, η σκόνη τους μεταφέρθηκε σε δοχείο από αχάτη, μέσα στο οποίο προϋπήρχαν σφαίρες από αχάτη. Το δοχείο τοποθετήθηκε στο σφαιρόμυλο για 30 λεπτά στους 300rpm. Εικόνα 3.3: Δοχείο αχάτη σφαιρόμυλου, μέσα στο οποίο μεταφέρεται η σκόνη των υλικών Μετά το σφαιρόμυλο, το υλικό τοποθετήθηκε σε ηθμό 40 μm, ώστε να ληφθεί σκόνη υλικού κάτω από τη συγκεκριμένη κοκκομετρία. Ακολούθησε η εμβάπτιση των υλικών στο διάλυμα c-sbf. Ο λόγος αναλογίας μάζας της σκόνης προς την ποσότητα του διαλύματος ήταν 1,5 mg/ml [88], άρα για 0,08 gr σκόνης που τοποθετήθηκαν σε κάθε δοχείο χρειάστηκαν 54ml διαλύματος c-sbf. Η εμβάπτιση έγινε για 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25 και 30 ημέρες, κατά τις οποίες τα δείγματα παρέμειναν σους 37 ο C, σε επωαστήρα. Η πρώτη ανανέωση του SBF πραγματοποιήθηκε μετά από 6 ώρες και στη συνέχεια κάθε δύο μέρες [84]. Μετά το πέρας των 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25 και 30 ημερών τα αντίστοιχα δείγματα υποβλήθηκαν σε διήθηση και έπειτα τοποθετήθηκαν στο φούρνο σε χαμηλή θερμοκρασία, περίπου C, ώστε να επιτευχθεί η ξήρανση και να έχουμε τα τελικά προς μελέτη δείγματα. Όλα τα μέσα που χρησιμοποιήθηκαν για την εμβάπτιση των δειγμάτων στο c-sbf (δοχεία, πιπέτες, λαβίδες) ήταν πλήρως αποστειρωμένα. 49

51 Εικόνα 3.4 : Εμβάπτιση υλικών στο διάλυμα c-sbf και τοποθέτηση δειγμάτων στον επωαστήρα Εικόνα 3.5 : Πλήρως αποστειρωμένα δοχεία που χρησιμοποιήθηκαν για την εμβάπτιση των δειγμάτων στο c-sbf Εικόνα 3.6 : Διαδικασία διήθησης 3.4 Επεξεργασία δειγμάτων και μεθοδολογία Ο χαρακτηρισμός των βιοκεραμικών υλικών, πριν και μετά την εμβάπτιση στο c- SBF έγινε με χρήση των τεχνικών FTIR, XRD, SEM-EDS και TGA-DSC. Για την λήψη των φασμάτων διαπερατότητας FTIR των υλικών παρασκευάστηκε δισκίο από βρωμιούχο κάλιο (KBr), το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως υπόβαθρο στο φασματοσκόπιο. Στη συνέχεια, λήφθηκε ποσότητα 20mg σε μορφή σκόνης από τα δείγματα, η οποία τοποθετήθηκε σε ιγδίο από αχάτη, όπου και ομογενοποιήθηκε με 50

52 0,2gr KBr (αναλογία 1/100). Στη συνέχεια η ομογενοποιημένη μάζα τοποθετήθηκε σε υδραυλική πρέσα, ύπο πίεση έως 7 τόνους. Το δισκίο που παρασκευάσθηκε, διαμέτρου 13mm, τοποθετήθηκε στο φασματοσκόπιο και λήφθηκε το φάσμα διαπερατότητας του υλικού. Οι φασματοσκοπικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο φασματοσκοπίας, που βρίσκεται στον τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο τμήμα Φυσικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ). Εικόνα 3.7 : Εργαλεία για την παρασκευή δισκίων για χρήση στο FTIR Τα φάσματα διαπερατότητας λήφθηκαν με το FTIR φασματοσκόπιο Spectrum 1000 της Perkin Elmer στην περιοχή του μεσαίου υπερύθρου,μιr ( cm-1), με διακριτική ικανότητα (resolution) 4cm-1 και 32 σαρώσεις (scans), ενώ τα φάσματα ανακλαστικότητας με το FTIR φασματοσκόπιο, IFS 113v, Bruker στην περιοχή MIR, με διακριτική ικανότητα (resolution) 2 cm -1. Οι μετρήσεις XRD πραγματοποιήθηκαν στο τμήμα Γεωλογίας του ΑΠΘ με χρήση περιθλασίμετρου τύπου PHILIPS (PW1710), εξοπλισμένο με λυχνία Cu και φίλτρο Νi για τη λήψη CuKα ακτινοβολίας, ενώ η περιοχή σάρωσης γωνίας 2θ ήταν 5-60, το βήμα 0,05ο και η ταχύτητα σάρωσης 0,01 o 2θ/sec. Τα δείγματα που μετρήθηκαν με την περίθλαση ακτίνων-χ μελετήθηκαν υπό μορφή σκόνης. 51

53 Η τοπογραφική αποτίμηση και η επιφανειακή στοιχειομετρική σύσταση των δειγμάτων, πριν και μετά την εμβάπτισή τους στο διάλυμα SBF, πραγματοποιήθηκε με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) Philips XL40, το οποίο είναι εξοπλισμένο με αναλυτή EDS. Τέλος, η θερμική ανάλυση πραγματοποιήθηκε με Setaram thermogravimetricdifferential thermal analyzer SETSYS 16/18-TG-DTA (1400 C rod), και ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης 10 C/min σε ατμόσφαιρα αζώτου. 52

54 Κεφάλαιο 4 ο : Πειραματικά Αποτελέσματα 4.1 Χαρακτηρισμός αρχικού υλικού Θερμική Ανάλυση Σε πρώτο στάδιο, έγινε η θερμική ανάλυση των δύο αρχικών υλικών Sr5 και Sr10. Τα αποτελέσματα φαίνονται στα Διαγράμματα 4.1 και 4.2. Sr5 Διάγραμμα 4.1 : TG-DSC για το Sr5 Από τις θερμικές μετρήσεις για το Sr5, προκύπτει η κορυφή κρυστάλλωσης στους 892 C και το σημείο τήξης στους 1302 C. Ταυτόχρονα παρατηρείται απώλεια μάζας περίπου μέχρι τους 855 C. Η απώλεια μάζας γίνεται σε 3 βήματα (steps): C -435 C απώλεια μάζας της τάξης 2,2% και συνοδεύεται από μία κορυφή στους 425 C στην καμπύλη heat flow. Η απώλεια αυτή, οφείλεται στην απώλεια οργανικών παραπροϊόντων που έχουμε χρησιμοποιήσει κατά την παρασκευή του υλικού μας, π.χ. H 2 O, ακετόνη, αιθανόλη και στην αναδιάρθρωση των ατόμων στο υλικό C-630 C απώλεια μάζας της τάξης 0,3% που οφείλεται στην απελευθέρωση του CO C απώλεια της τάξης του 0,8% της μάζας, η οποία οφείλεται στην απελευθέρωση του CO 2. 53

55 Sr10 Διάγραμμα 4.2 : TG-DSC για το Sr10 Για το Sr10 η κορυφή κρυστάλλωσης προκύπτει στους 903 C και το σημείο τήξης στους 1332 C. Όμοια με το Sr5 λόγω της απελευθέρωσης H 2 O, CO και CO 2 σε μορφή ατμών υπάρχει απώλεια μάζας περίπου μέχρι τους 900 C η οποία γίνεται επίσης σε 3 βήματα: C-415 C απώλεια μάζας, 1,3%, λόγω της απελευθέρωσης της υγρασίας (H 2 O) και των οργανικών παραπροϊόντων που έχουμε χρησιμοποιήσει και συνοδεύεται από μία ενδόθερμη κορυφή στους 375 C στην καμπύλη heat flow C απώλεια μάζας της τάξης του 0,2%, που οφείλεται στην απελευθέρωση του CO C απώλεια μάζας 2%, η οποία οφείλεται στην απελευθέρωση του CO 2. Ωστόσο, η συνολική απώλεια μάζας και στα δύο υλικά είναι λιγότερη από 5%. Το μικρό ποσοστό συνολικής απώλειας μάζας είναι σημαντικό γιατί επιθυμούμε η ποσότητα του υλικού που χειριζόμαστε να μην μειώνεται σημαντικά σε μάζα, δηλαδή υπάρχει η απαίτηση το υλικό που θα υποστεί την θερμική κατεργασία (και θα χρησιμοποιηθεί σα βιοκεραμικό υλικό) να διατηρεί μια σταθερή δομή, χωρίς σημαντικές μεταπτώσεις μάζας. 54

56 Όπως έχει ήδη προαναφερθεί, έγινε διαχωρισμός των υλικών σε treated και untreated, όπου τα πρώτα είναι υλικά που έχουν υποστεί θερμική κατεργασία, ενώ τα δεύτερα όχι. Η εύρεση των θερμοκρασιών της θερμικής κατεργασίας προέκυψε από τα παραπάνω αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης. Οι θερμοκρασίες αυτές είναι οι θερμοκρασίες κρυστάλλωσης, γιατί η μηχανική αντοχή ενός υλικού αυξάνει σύμφωνα με το ποσοστό κρυσταλλικότητας του. Ουσιαστικά, επιθυμούμε να έχουμε ένα υλικό με ταυτόχρονη παρουσία άμορφης και κρυσταλλικής φάσης. Για το λόγο αυτό η παρακάτω παρουσίαση και μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων θα διαχωρίζεται σε τέσσερα μέρη : Sr5 Sr10 untreated (Sr5u) untreated (Sr10u) treated (Sr5t) treated (Sr10t) 55

57 FTIR Πριν την εμβάπτιση των αρχικών υλικών σε SBF, έγινε ο χαρακτηρισμός τους (0 μέρες). Τα φάσματα FTIR που λήφθηκαν παρουσιάζονται παρακάτω: Sr5 Sr10 Διάγραμμα 4.3a : Φάσμα FTIR του Sr5 πριν την εμβάπτιση του στο SBF (0 μέρες) Διάγραμμα 4.3b : Φάσμα FTIR του Sr10 πριν την εμβάπτιση του στο SBF (0 μέρες) Παρατηρούμε ότι, τόσο για untreated, όσο και για treated, το αρχικά μας δείγματα Sr5 και Sr10 (0 days) εμφανίζουν τις χαρακτηριστικές φασματικές κορυφές των πυριτικών υάλων, όπως αναφέρονται στη βιβλιογραφία [89]. Συγκεκριμένα, εμφανίζεται μια ευρεία κορυφή στα cm -1 η οποία οφείλεται στη ασύμμετρη δόνηση έκτασης του δεσμού Si-O-Si και μια κορυφή στα cm -1, η οποία αποδίδεται στη δονητική κάμψη του δεσμού Si-O [90]. Επίσης παρατηρείται μικρή παρουσία υγρασίας, η οποία γίνεται αντιληπτή με την κορυφή στα 1646cm

58 Συγκεκριμένα: Untreated: Στα untreated δείγματα είναι εμφανής η ύπαρξη υδροξειδίου του ασβεστίου Ca(OH) 2, που υποδηλώνεται με την κορυφή στα 3640 cm -1. Παρουσιάζεται, επίσης, έντονη η κορυφή περίπου στα 1430 cm -1, που αποτελεί ένδειξη προσρόφησης ανθρακικών στο υλικό. Επιπλέον, εμφανίζονται και μικρές οξείες κορυφές, ένδειξη ύπαρξης άλλων κρυσταλλικών φάσεων, κυρίως ασβεστοπυριτικών, κάτι που είναι πιο έντονο στο δείγμα Sr10u. Οι οξείες, αυτές, κορυφές αποδίδονται κυρίως στη μορφή του ψεςυδοβολλαστονίτη (pseudowollastonite - CaSiO 3 ) [91], [92]. Treated: Στα treated υλικά παρατηρούμε ότι υπάρχει πολύ μικρή συμμετοχή υδροξειδίων του ασβεστίου Ca(OH) 2, όπως και ότι μειώνεται κατά πολύ η συμμετοχή των προσροφημένων ανθρακικών στο υλικό. Επίσης, και σε αυτά τα υλικά οι μικρές κορυφές που παρατηρούνται αποδίδονται κυρίως σε ασβεστοπυριτικές ενώσεις της μορφής του βολλαστονίτη (wollastonite - CaSiO 3 )[93], [94]. Υπάρχουν όμως και κορυφές που πιθανώς αποδίδονται στον πυρόξενο (pyroxene ABSi 2 O 6 )[95], δεν επιβεβαιώνονται όμως λόγω της πολυπλοκότητας των υλικών και των αλληλοεπικαλύψεων των κορυφών με τις ευρείες της υαλώδους φάσης. 57

59 SEM-EDS Ακολούθησε η λήψη μικροφωτογραφιών SEM όπως φαίνεται στις εικόνες 4.1, 4.2. Sr5 untreated treated Εικόνα 4.1 : : Μικροφωτογραφία SEM του Sr5 πριν την εμβάπτιση στο διάλυμα SBF Παρατηρούμε ότι, για όλα τα δείγματα Sr5 -untreated και treated- οι μικροφωτογραφίες SEM επιβεβαιώνουν μέγεθος κόκκων μικρότερο από 40μm. Sr10 untreated treated Εικόνα 4.2 : : Μικροφωτογραφία SEM του Sr10 πριν την εμβάπτιση στο διάλυμα SBF Όμοια με το Sr5, οι μικροφωτογραφίες SEM του Sr10 -untreated και treated- αποκαλύπτουν μέγεθος κόκκων κάτω από 40μm. 58

60 XRD Τέλος, για τον καλύτερο χαρακτηρισμό του αρχικού υλικού, λήφθηκαν τα ακτινογραφήματα XRD, όπως παρουσιάζονται παρακάτω. Sr5 Amorphous Διάγραμμα 4.4a : XRD του Sr5u πριν την εμβάπτιση του στο SBF (0 μέρες) Διάγραμμα 4.4b : XRD του Sr5t πριν την εμβάπτιση του στο SBF (0 μέρες) 59

61 Sr10 Διάγραμμα 4.5a : XRD του Sr10u πριν την εμβάπτιση του στο SBF (0 μέρες) Amorphous Διάγραμμα 4.5b : XRD του Sr10t πριν την εμβάπτιση του στο SBF (0 μέρες) Από τα ακτινογραφήματα XRD παρατηρούμε ότι υπάρχουν κάποιες διαφορές μεταξύ των φάσεων που εμφανίζονται στα untreated και στα treated δείγματα. Για το λόγο αυτό γίνεται ο παρακάτω διαχωρισμός. Untreated Στα untreated δείγματα παρατηρείται η εμφάνιση σημαντικής ποσότητας άμορφης φάσης, της οποίας το ποσοστό κυμαίνεται στο 40%. Επίσης, παρατηρούνται και διάφορες ασβεστοπυριτικές φάσεις, με κύρια αυτή του 60

62 ψευδοβολλαστονίτη (pseudowollastonite). Επιπλέον, βλέπουμε και την εμφάνιση άλλων φάσεων, όπως του στροντιανίτη (strontianite) και του πορτλαντίτη (portlandite), σε ποσοστά περίπου 10%. Τέλος, στο δείγμα Sr5u, έχουμε την εμφάνιση ανθρακικού ασβεστίου (lime), σε ποσοστο 6%. Τreated Στα treated δείγματα παρατηρείται, επίσης, η εμφάνιση μεγάλων ποσοστών άμορφης φάσης, τα οποία, ωστόσο, είναι μικρότερα των ποσοστών που εμφανίστηκαν στα untreated δείγματα. Εμφανίζονται, επιπλέον, διάφορες ασβεστοπυριτικές φάσεις, με κύρια αυτή του βολλαστονίτη (wollastonite). Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι στα treated δείγματα παρατηρείται η εμφάνιση του πυρόξενου (pyroxene). Ο πυρόξενος ανήκει στην κατηγορία των ασβεστοπυριτικών ενώσεων, και συγκεκριμένα είναι διοψίτης, στη δομή του οποίου έχουν προσροφηθεί ιόντα Sr, αντικαθιστώντας ιόντα Ca. Τέλος, μόνο στο δείγμα Sr10t, παρατηρούμε την ύπαρξη μικρού ποσοστού, της τάξης του 2%, μερβινίτη (merwinite). Συνοπτικά τα ποσοστά αυτών των φάσεων φαίνονται στον πίνακα 4.1. Πίνακας 4.1 Sr5 Sr10 Untreated Treated Untreated Treated Amorphous 45% 40% 32% 25% Calcium Silicates 26% 54% 54% 66% Strontianite 10% - 6% - Portlandite 12% - 8% - Lime 7% Pyroxene* - 6% - 7% Merwinite % *Pyroxene belongs in the silicates group 61

63 Κάποιες από τις ενώσεις που ανιχνεύονται με την περίθλαση ακτίνων-χ δεν είναι εμφανείς στη φασματοσκοπία υπερύθρου, επειδή μιλάμε για ασβεστοπυριτικές ενώσεις και υπάρχει μεγάλη πιθανότητα οι κορυφές τους να επικαλύπτονται. 4.2 Χαρακτηρισμός δειγμάτων μετά την εμβάπτισή τους στο SBF Μελέτη βιοενεργότητας Τα αρχικά δείγματα, στη συνέχεια, εμβαπτίστηκαν σε c-sbf, όπως περιγράφεται στο Κεφάλαιο 3. Μετά την εμβάπτιση τους διεξήχθη μελέτη των δειγμάτων με FTIR, SEM-EDS και XRD. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και η ανάλυση τους παρουσιάζονται παρακάτω: FTIR Sr5 Διάγραμμα 4.6a : Φάσμα FTIR του Sr5u, πριν και μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 1,3,5,10,15,20,25 και 30 μέρες Διάγραμμα 4.6b : Φάσμα FTIR του Sr5t, πριν και μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 1,3,5,10,15,20,25 και 30 μέρες 62

64 Sr5u Για το Sr5u, στο φάσμα FTIR μετά από 1 μέρα εμβάπτισης στο SBF, παρατηρούμε την εμφάνιση ευρείας κορυφής στα cm -1, η οποία οφείλεται στη δημιουργία της άμορφης ασβεστοφωσφορικής φάσης (Amorphous Calcium Phosphate Phase - ACP) και αποδίδεται στη δόνηση της ομάδας των φωσφορικών (PO 4 ) 3 [96], [97]. Βλέπουμε επίσης, την εμφάνιση μιας κορυφής στα 800 cm -1 η οποία αποδίδεται στην παρουσία δεσμού των γεφυρωτικών οξυγόνων (bridging oxygens). Η παρουσία αυτής της κορυφής σε ένα βιοκεραμικό υλικό υποδηλώνει την καθυστέρηση στη δημιουργία στρώματος απατίτη όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία [65]. Ταυτόχρονα, παρατηρούμε μια καμπή (shoulder) στα 958 cm -1, η οποία αποδίδεται στη δόνηση στης φωσφορικής ομάδας [98], όπως και τη μετατόπιση της ευρείας κορυφής από τα cm -1 προς χαμηλότερους κυματάριθμους, στα 1070 cm -1, η οποία φανερώνει την υπερκάλυψη των κορυφών των πυριτικών από τις κορυφές των φωσφορικών, λόγω της ανάπτυξης της ACP και επομένως αποδίδεται στη δόνηση της (PO 4 ) 3- ομάδας [96],[97]. Τέλος, είναι εμφανής η όξυνση της κορυφής στα 1450 cm -1, η οποία οφείλεται στη δόνηση της ομάδας των ανθρακικών (CO 3 ) 2- [99], καθώς επίσης και η κορυφή στα 1644 cm -1, η οποία αποτελεί ένδειξη για την παρουσία υγρασίας (H-OH) [100]. Στις 3 ημέρες εμβάπτισης, παρατηρείται μείωση της έντασης της κορυφής του υποστρώματος στα 466 cm -1. Η εξασθένιση των κορυφών του υποστρώματος, αποτελεί ένδειξη για τη δημιουργία παχέως στρώματος απατίτη. Βλέπουμε επίσης, την εμφάνιση της διπλής κορυφής στα 562 και 602 cm -1. Η διπλή κορυφή, οφείλεται στη δόνηση κάμψης της ομάδας (PO 4 ) 3- και αποτελεί επίσης χαρακτηριστικό δείγμα της έναρξης σχηματισμού του απατίτη [100]. Μετά από 5 ημέρες εμβάπτισης η μόνη διαφορά που παρατηρείται στο φάσμα FTIR είναι η μείωση της κορυφής στα 800 cm -1. Στη συνέχεια, μετά από 10 και 15 ημέρες εμβάπτισης, δεν παρουσιάζεται καμία αλλαγή. Στις 20 ημέρες παρατηρούμε την εμφάνιση της κορυφής στα 874 cm -1 η οποία αποδίδεται στ δόνηση της ομάδας των ανθρακικών [96], καθώς και τον καλύτερο σχηματισμό της κορυφής στα 958 cm

65 Στις 25 ημέρες βλέπουμε ότι χάνονται οι κορυφές του υποστρώματος στα 450 cm -1. Επίσης, εξαφανίζεται και η κορυφή που οφείλεται στα γεφυρωτικά οξυγόνα στα 800 cm -1. Παράλληλα, παρατηρούμε την όξυνση της διπλής κορυφής στα 564 και 602 cm -1, η οποία σε συνδυασμό με την όξυνση της κορυφής στα 1070 cm -1, αποτελεί ένδειξη για το ότι το στρώμα του απατίτη στην επιφάνεια του δείγματος είναι πλέον πιο παχύ. Τέλος, στις 30 ημέρες δε παρατηρούνται περαιτέρω μεταβολές στο φάσμα FTIR. Sr5t Στο φάσμα του δείγματος Sr5t, για 1 ημέρα εμβάπτισης στο SBF, παρατηρούμε την εμφάνιση μιας ευρείας κορυφής στα cm -1, που αποτελεί ένδειξη για την παρουσία της ACP και οφείλεται στη δόνηση της (PO 4 ) 3- ομάδας. Παρατηρούμε επίσης την εμφάνιση μιας κορυφής στα 800 cm -1, που αποδίδεται στη δόνηση του δεσμού των γεφυρωτικών οξυγόνων, όπως και την εμφάνιση μια μικρής κορυφής στα 960 cm -1, η οποία οφείλεται στη δόνηση της ομάδας των φωσφορικών. Ταυτόχρονα, είναι εμφανής η μετατόπιση της ευρείας κορυφής από τα cm -1 στα 1060 cm -1, η οποία συμβαίνει, λόγω της ανάπτυξης της ACP. Με την πάροδο των ημερών εμβάπτισης των δειγμάτων στο SBF, η κορυφή αυτή γίνεται όλο και πιο οξεία, γεγονός που φανερώνει τη βελτίωση του στρώματος του απατίτη στο υλικό. Στη συνέχεια, μετά από 3 ημέρες εμβάπτισης παρατηρείται η εξαφάνιση των κορυφών του υποστρώματος στα 695 cm -1 και 743 cm -1, που είχαμε παρατηρήσει. Επιπροσθέτως, εμφανίζονται μια κορυφή στα 874 cm -1, που αποδίδεται στη δόνηση της (CO 3 ) 2- ομάδας. Επίσης, εμφανίζεται αμυδρά η διπλή κορυφή στα 564 και 604 cm -1, η οποία είναι ένδειξη για την ανάπτυξη απατίτη στην επιφάνεια των δειγμάτων. Μετά από 5 ημέρες παραμονής των δειγμάτων στο SBF, το φάσμα αποκαλύπτει καλοσχηματισμένη, πλέον, διπλή κορυφή στα 564 και 604 cm -1. Επίσης, αποκαλύπτει όξυνση των κορυφών στα 800, 874 και 960 cm -1. Στις 10 ημέρες βλέπουμε μικρή μείωση της έντασης της κορυφής στα 467 cm -1, που αποδίδεται στην ομάδα των πυριτικών (SiO 4 ) 4-. Η μείωση αυτή υποδηλώνει ότι το πάχος του στρώματος του απατίτη αυξάνεται, με αποτέλεσμα να μην βλέπουμε 64

66 πλέον με την ίδια ευκολία τις κορυφές του υποστρώματος. Ταυτόχρονα, παρατηρούμε τη μείωση στην ένταση της κορυφής στα 800 cm -1, η οποία παραμένει η ίδια έως και τις 30 ημέρες. Τέλος, γίνονται λίγο πιο έντονες οι κορυφές στα 1420 cm -1 και 1640 cm -1, οι οποίες οφείλονται στη δόνηση της ομάδας των ανθρακικών (CO 3 ) 2-, και του δεσμού του υδροξυλίου στα μόρια του νερού που υπάρχουν στο υλικό, αντίστοιχα. Στις 20 ημέρες, παρατηρούμε την περεταίρω όξυνση της κύριας κορυφής στα 1060 cm -1, η οποία σε συνδυασμό με τη διπλή κορυφή στα cm -1 που γίνεται πιο έντονη, αποτελεί ένδειξη για το καλοσχηματισμένο στρώμα απατίτη που έχει δημιουργηθεί στην επιφάνεια των δειγμάτων. Στα φάσματα των 25 και των 30 ημερών δεν παρατηρείται καμία αλλαγή. Sr10 Διάγραμμα 4.7a : Φάσμα FTIR του Sr10u, πριν και μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 1,3,5,10,15,20,25 και 30 μέρες Διάγραμμα 4.7b : Φάσμα FTIR του Sr10t, πριν και μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 1,3,5,10,15,20,25 και 30 μέρες 65

67 Sr10u Για το Sr10u, στη 1 ημέρα εμβάπτισης, βλέπουμε στο φάσμα FTIR την εμφάνιση της ευρείας κορυφής στα cm -1, λόγω της δόνηση της (PO 4 ) 3- ομάδας, η οποία υποδεικνύει την ανάπτυξη της ACP. Παρατηρούμε, επίσης, την κορυφή που οφείλεται στη δόνηση του δεσμού των γεφυρωτικών οξυγόνων και εμφανίζεται στα 800 cm -1 και την εμφάνιση μιας κορυφής στα 874 cm -1, η οποία οφείλεται στη δόνηση της (CO 3 ) 2- ομάδας. Τέλος, είναι εμφανής η μετατόπιση της κύριας κορυφής από τα cm -1 στα 1058 cm -1. Η μετατόπιση αυτή υποδηλώνει την δημιουργία απατίτη στην επιφάνεια των δειγμάτων και αποδίδεται επίσης στη δονητική κάμψη της φωσφορικής ομάδας (PO 4 ) 3-. Στο φάσμα των 3 ων ημερών εμφανίζεται η διπλή κορυφή στα 564 και 603 cm -1, που φανερώνει την ανάπτυξη απατίτη στα δείγματα μας. Στις 5 ημέρες παρατηρούμε τη δημιουργία μιας καμπής (shoulder) στα 963 cm -1 και την όξυνση της κύριας κορυφής στα 1058 cm -1. Το φάσμα των 10 ημερών δεν φανερώνει καμία αλλαγή. Στη συνέχεια, στις 15 ημέρες, παρατηρούμε μείωση της έντασης της κορυφής του υποστρώματος στα 457 cm -1 που αποδίδεται στη δόνηση της ομάδας των πυριτικών (SiO 4 ) 4-. Η κορυφή αυτή αρχίζει να έχει συγκρίσιμο μέγεθος με την διπλή κορυφή που αναφέραμε ότι εμφανίζεται παραπάνω, τόσο λόγω εξασθένισής της, αλλά ταυτόχρονα και λόγω της όξυνσης της διπλής κορυφής. Από την παρατήρηση αυτή προκύπτει το συμπέρασμα ότι το στρώμα του απατίτη έχει αρχίσει να γίνεται πιο παχύ. Ταυτόχρονα, βλέπουμε μείωση της κορυφής στα 800 cm -1, που αποδίδεται στη δόνηση του δεσμού των γεφυρωτικών οξυγόνων. Παρατηρούμε. επίσης, την όξυνση της κορυφής στα 1456 cm -1 που οφείλεται στην δόνηση της ομάδας των ανθρακικών (CO 3 ) 2-, και της κορυφής στα 1640 cm -1, που υποδηλώνει την παρουσία υγρασίας (H-OH) στα δείγματα μας. Στις 20 ημέρες βλέπουμε περαιτέρω μείωση των κορυφών του υποστρώματος, που σε συνδυασμό με την αύξηση της έντασης της διπλής κορυφής στα 564 και 603 cm -1, φανερώνουν τη δημιουργία καλοσχηματισμένου στρώματος απατίτη. Βλέπουμε, παράλληλα, την αύξηση της έντασης της κορυφής στα 874 cm -1. Τέλος, 66

68 παρατηρούμε την εξαφάνιση της κορυφής στα 800 cm -1. Στο φάσμα των 25 ημερών, πλέον οι κορυφές του υποστρώματος δεν είναι εμφανείς, ενώ στο φάσμα των 30 ημερών δεν εμφανίζεται καμία αλλαγή. Sr10t Για το δείγμα Sr10t, το φάσμα FTIR, για 1 ημέρα εμβάπτισης, αποκαλύπτει την εμφάνιση μιας ευρείας κορυφής στα cm -1, η οποία υποδεικνύει την παρουσία της ACP και οφείλεται στη δόνηση της (PO 4 ) 3- ομάδας. Εμφανίζεται, επίσης, μια κορυφή στα 799 cm -1, η οποία οφείλεται στην δόνηση του δεσμού των γεφυρωτικών οξυγόνων. Τέλος, είναι φανερή η μετατόπιση στης ευρείας κορυφής από τα cm -1 προς τα 1066 cm -1, που επίσης οφείλεται στη δόνηση της (PO 4 ) 3- ομάδας. Στο φάσμα των 3 ημερών δεν παρατηρείται καμία αλλαγή. Μετά από 5 ημέρες εμβάπτισης, παρατηρούμε την όξυνση της κορυφής στα 1066 cm -1. Αμυδρά εμφανίζεται η διπλής κορυφή στα 562 και 603 cm -1, που υποδηλώνει την ανάπτυξη απατίτη στην επιφάνεια των δείγματα μας. Επίσης, παρατηρείται μικρή αύξηση της έντασης της κορυφής στα 799 cm -1. Ταυτόχρονα εμφανίζονται μια κορυφή στα 876 cm -1, η οποία αποδίδεται στη δόνηση της ομάδας (CO 3 ) 2-, καθώς και μία καμπή στα 960 cm -1, η οποία παραμένει η ίδια για τις επόμενες μέρες και αποδίδεται στη δόνηση της (PO 4 ) 3- ομάδας. Στο φάσμα των 10 ημερών φαίνεται η μείωση της έντασης της κορυφής του υποστρώματος στα 472 cm -1. Παράλληλα, η διπλή κορυφή στα 562 και 603 cm -1 γίνεται πιο έντονη. Οι δυο αυτές αλλαγές αποτελούν ενδείξεις για το ότι το στρώμα του απατίτη είναι πλέον πιο παχύ και δεν είναι πλέον τόσο εύκολο να δούμε τις κορυφές του υποστρώματος. Παρατηρούμε, επιπλέον, την όξυνση της κορυφής στα 1427 cm -1 και στα 1648 cm -1. Στις 15 ημέρες δεν αλλάζει κάτι στο φάσμα FTIR. Στις 20 ημέρες είναι φανερό πλέον ότι η διπλή κορυφή είναι πιο καλοσχηματισμένη. Παρατηρείται επίσης, όξυνση της κορυφής στα 876 cm -1. Το φάσμα των 25 ημερών δεν αποκαλύπτει καμία αλλαγή. Τέλος, στις 30 ημέρες παρατηρούμε ότι η κορυφή του υποστρώματος στα 472 cm -1 μειώνεται ακόμη περισσότερο και η κορυφή στα 800 cm -1 μειώνεται ελάχιστα. 67

69 SEM-EDS Παρακάτω παρατίθενται οι εικόνες που λήφθηκαν από το SEM για τα δείγματα μετά την εμβάπτιση και την παραμονή τους στο διάλυμα SBF για 5,10 και 20 μέρες. Sr5 Εικόνα 4.3 : : Μικροφωτογραφία SEM του Sr5u μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 5, 10, 20 μέρες Εικόνα 4.4 : : Μικροφωτογραφία SEM του Sr5t μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 5, 10, 20μέρες Sr10 Εικόνα 4.5 : : Μικροφωτογραφία SEM του Sr10u την εμβάπτιση στο διάλυμα SBF, για 5, 10, 20 μέρες. 68

70 Εικόνα 4.6 : : Μικροφωτογραφία SEM του Sr10t την εμβάπτιση στο διάλυμα SBF, για 5, 10, 20 μέρες (από αριστερά προς τα δεξιά) Ήδη από τις 5 ημέρες παραμονής τους στο SBF, οι μικροφωτογραφίες SEM αποκαλύπτουν τις αλλαγές που συμβαίνουν στη μορφολογία της επιφάνειας και εμφανίζονται βοτριωειδή. Από τις 10 ημέρες παρατηρούμε ότι τα συσσωματώματα είμαι μεγαλύτερα και στις 20 ημέρες η απόθεση απατίτη είναι ακόμη μεγαλύτερη. Λόγω της διαφορετικής μορφολογίας και από τα αποτελέσματα των λόγων Ca/P συμπεραίνουμε ότι κατά θέσεις έχουμε ανάπτυξη απατίτη. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης EDS καταγράφονται στον πίνακα 4.2. Sample Πίνακας days Ca/P Sr5u 1, Sr5t 1, Sr10u 1, Sr10t 1, days Sr5u 1, Sr5t 1, Sr10u 1, Sr10t 1, days Sr5u 1, Sr5t 1, Sr10u 1, Sr10t 1,

71 Η μέση μοριακή αναλογία Ca/P του συνθετικού απατίτη είναι 1,67. Η τιμή αυτή εμφανίζεται ιδανικά σε καθαρό στοιχειομετρικό απατίτη και όχι στο βιολογικό απατίτη που λαμβάνεται από in vitro πειράματα. Για το λόγο αυτό, παρότι στα δείγματα μας παρατηρείται η ανάπτυξη απατίτη, στους παραπάνω υπολογισμούς υπάρχουν μικρές αποκλίσεις. Οι αποκλίσεις αυτές οφείλονται είτε σε προσμίξεις, είτε στην παρουσία ανθρακικών στο πλέγμα. XRD Τόσο για την εύρεση και ταυτοποίηση των κρυσταλλικών φάσεων στα δείγματά μας, όσο και για την παρακολούθηση των μεταβολών που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του τεστ βιοενεργής συμπεριφοράς (επαλήθευση της δημιουργίας απατίτη στην επιφάνεια των δειγμάτων μετά από 5, 10 και 20 παρουσιάζονται παρακάτω τα περιθλασιογραφήματα XRD. μέρες εμβάπτισης), Sr5 Διάγραμμα 4.8a : XRD του Sr5u μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 5,10 και 20 μέρες 70

72 Διάγραμμα 4.8b : XRD του Sr5t μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 5,10 και 20 μέρες Sr10 Διάγραμμα 4.9a : XRD του Sr10u μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 5,10 και 20 μέρες 71

73 Διάγραμμα 4.9b : XRD του Sr10t μετά την εμβάπτιση του στο SBF, για 5,10 και 20 μέρες Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα ποσοστά των φάσεων ταυτοποιήθηκαν από την περίθλαση των ακτίνων-χ. όπως 72

74 Sr5u Sr10u Πίνακας 4.3 Sr5t 0 ημέρες εμβάπτισης amorphous 45% amorphous 40% calcium silicates 26% calcium silicates 60% strontianite 10% portlandite 12% lime 7% 5 ημέρες εμβάπτισης amorphous 56% amorphous 49% strontianite 12% calcium silicates 37% apatite 32% apatite 14% 10 ημέρες εμβάπτισης amorphous 42% amorphous 51% calcium silicates 5% calcium silicates 21% strontianite 9% apatite 44% apatite 28% 20 ημέρες εμβάπτισης amorphous 37% amorphous 39% strontianite 6% calcium silicates 5% apatite 57% apatite 56% Sr10t 0 ημέρες εμβάπτισης amorphous 32% amorphous 25% calcium silicates 54% calcium silicates 73% strontianite 6% merwinite 2% portlandite 8% 5 ημέρες εμβάπτισης amorphous 61% amorphous 46% strontianite 16% calcium silicates 42% apatite 23% apatite 12% 10 ημέρες εμβάπτισης amorphous 47% amorphous 35% strontianite 14% calcium silicates 38% apatite 39% apatite 27% 20 ημέρες εμβάπτισης amorphous 33% amorphous 28% strontianite 13% calcium silicates 20% apatite 54% apatite 52% 73

75 Καθώς περνάν οι μέρες εμβάπτισης, παρατηρούμε ότι τα ποσοστά των φάσεων του αρχικού υλικού μειώνονται. Από τα παραπάνω διαγράμματα επαληθεύουμε επίσης την δημιουργία απατίτη στην επιφάνεια και των τεσσάρων δειγμάτων, μετά από 5 μέρες εμβάπτισης στο SBF. Τα στοιχεία αυτά συνάδουν με τα αποτελέσματα των φασμάτων FTIR. Ημέρες εμβάπτισης Πίνακας 4.4 Δείγμα Sr5u Sr5t Sr10u Sr10t Ποσοστά εμφάνισης απατίτη % Από untreated σε treated, παρατηρούμε μικρότερα ποσοστά απατίτη και συμπεραίνουμε ότι υπάρχει υστέρηση στην ανάπτυξη του, όπως αναμενόταν. Ωστόσο μετά από 20 ημέρες τα ποσοστά και στα δύο υλικά είναι συγκρίσιμα. Κάνοντας σύγκριση μεταξύ των Sr5 και Sr10 δειγμάτων, βλέπουμε ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφορά στα ποσοστά εμφάνισης απατίτη. Από τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα παρατηρούμε ότι ήδη από τις 5 μέρες εμβάπτισης στο SBF έχουμε τη δημιουργία στρώματος απατίτη στην επιφάνεια όλων των δειγμάτων μας, το οποίο αυξάνεται σε πάχος με την πάροδο των ημερών εμβάπτισης των δειγμάτων στο SBF. Παρατηρούμε επίσης, ότι για το Sr5u το στρώμα απατίτη είναι καλύτερα σχηματισμένο σε σχέση με το Sr5t, ενώ για το Sr10t η ανάπτυξη απατίτη καθυστερεί ελαφρώς σε σύγκριση με όλα τα υπόλοιπα δείγματα. 74

76 Κεφάλαιο 5 ο : Συμπεράσματα Συμπερασματικά, λοιπόν, μπορούμε να πούμε ότι όλα τα υλικά μας εμφανίζουν καλή βιοενεργή συμπεριφορά, αφού παρατηρείται ότι μετά από 5 μέρες εμβάπτισης στο SBF αρχίζει να δημιουργείται μια άμορφη φάση απατίτη στην επιφάνεια των κόκκων των δειγμάτων και των δύο παρασκευών. Στις επόμενες μέρες, παρατηρείται περαιτέρω κρυστάλλωση απατίτη στην επιφάνεια των κόκκων του υλικού. Με την πάροδο του χρόνου το πάχος του στρώματος του απατίτη αυξάνεται. Μέχρι τις 25 μέρες, σε όλα τα δείγματα, είναι εμφανής η προσρόφηση ανθρακικών στη δομή του απατίτη, που υποδηλώνει την ύπαρξη βιολογικού απατίτη. Κάνοντας μια σύγκριση μεταξύ treated και untreated υλικών, για το Sr5 δεν παρατηρούνται μεγάλες διαφορές εκτός του ότι το στρώμα απατίτη στο untreated υλικό είναι πιο καλοσχηματισμένο, όπως φαίνεται και από τις τρεις μεθόδους. Για το Sr10, καθυστερεί η δημιουργία απατίτη στο ένα δείγμα. Στο treated δείγμα είναι ελαφρώς πιο αργή η διαδικασία ανάπτυξης απατίτη, πιθανότατα λόγω της παρουσίας της κορυφής των γεφυρωτικών οξυγόνων έως και τις 30 ημέρες. Κάνοντας μια σύγκριση μεταξύ Sr5 και Sr10, η μόνη διαφορά παρατηρείται ουσιαστικά στα treated δείγματα. Με λίγα λόγια το 10t καθυστερεί ελάχιστα σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα δείγματα όσον αφορά στη βιοενεργή συμπεριφορά του. Παρ όλα αυτά, τα υλικά αυτά θα πρέπει να υποβληθούν σε μελέτες κυτταροτοξικότητας, ιδιαίτερα με τη χρήση βλαστοκυττάρων, προκειμένου να διαπιστωθεί η έλλειψη τοξικότητας αλλά και η δυνατότητα ενεργοποίησης των βλαστοκυττάρων για το σχηματισμό ενασβεστιωμένων βιολογικών ιστών. Τα υλικά αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ικριωμάτων προκειμένου να αποτελέσουν τη μήτρα για την τρισδιάστατη οργάνωση των νεοσυντιθέμενων ιστών. Ταυτόχρονα, θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν πειράματα ICP-AES, δηλαδή πειράματα για τη μέτρηση της ποσότητας των ιόντων που απελευθερώνονται από τα δείγματα στο διάλυμα, καθώς τα ιόντα αυτά θα 75

77 μπορύσαν να συνεισφέρουν στην διαφοροποίηση και των πολλαπλασιασμό των κυττάρων. 76

78 Παράρτημα Synthesis and Characterization of Silicate Glasses Containing SrO through the Sol-Gel Process N.S. Dessou 1, G.S. Theodorou 1, E. Kontonasaki 2, L. Papadopoulou 3, N. Kantiranis 3, K. Chrissafis 1, K. M. Paraskevopoulos 1 1 Department of Physics, 2 School of Dentistry, 3 School of Geology, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Greece gtheodo@physics.auth.gr Bioactive glasses are glass-ceramic biomaterials suitable for bone tissue engineering applications. Various studies have reported that Si-, Ca-, Mg- and Sr-containing glasses are highly bioactive and could be used for biomedical applications [1]. Specifically, Sr has been shown to have positive effects on bone cells and to enhance bone formation both in vitro and in vivo [2]. The aim of this work was the evaluation of the bioactive behaviour of two Srcontaining glass ceramic materials with similar composition, namely SiO2 60, CaO 30, MgO 5,SrO 5 and SiO2 60, CaO 30, MgO 5, SrO 10 in wt %, both thermally treated and untreated in inorganic environment (SBF solution)[3]. Sol-gel derived bioactive glasses were produced as described in literature [4]. The bioactivity test of glass-ceramics was conducted in SBF, with a ratio of 1.5 mg/ml for various immersion times (5, 10, 15, 20, 25 and 30days) [5]. FTIR, TG-DTA, XRD and SEM/EDS were used for the characterization of the samples. Differential thermal and thermogravimetric analysis were performed with a Setaram thermogravimetric-differential thermal analyzer SETSYS 16/18-TG-DTA (1400 C rod), with heating and cooling rates 10 C/min in nitrogen atmosphere and furnace cooling, respectively FTIR transmittance spectra, were obtained using a Perkin-Elmer Spectrometer Spectrum 1000 in MIR region ( cm-1) with a resolution 4 cm-1. XRD measurements were carried out using a Philips (PW1710) diffractometer with Ni-filtered CuKa wave radiation. The counting statistics of the XRD study were: step size 0.02o 2θ, start angle 5o, end angle: 75o and the time per step: 1.5 sec. a b Figure 1: Thermal measurements of a) Sr5 and b) Sr10 glasses 77

79 10t 0d 10t 5d 5t 0d 10u 5d 10u 0d 5t 5d 5u 0d 5u 5d The thermal measurements (Fig.1) of the synthesized materials revealed crystallization peaks at 892 o C and 903 o C respectively. The melting point was found for Sr5 at 1302 o C and for Sr10 at 1332 o C. Both bioactive glasses are subject to mass loss up to approximately 900 o C due to release of H 2 O, CO and CO 2 in the form of vapors. Nonetheless the mass loss of both materials was well under 5%. FTIR spectroscopy revealed that all synthesized glass-ceramic materials presented the characteristic bands of silicate glasses, those being the broad peak at cm -1 and the peak at 496cm -1. These peaks are attributed to the asymmetric stretching vibration of Si-O-Si and the bending vibration of the Si-O-Si bonds respectively. After 5 days of immersion in SBF solution FTIR spectra revealed the formation of a double peak at 587cm -1 and 603cm -1 attributed to the vibrational bending of the (PO 4 ) 3- group. SEM microphotographs of the synthesized materials (Fig. 2, 0 days) revealed a grain size under 40μm and a representative microphotograph after 5 days of immersion revealed altered surface morphology, indicating the formation of apatite on the grains surface. The aforementioned results are confirmed by XRD patterns which are not presented here. Figure 2: FTIR spectra (left) and SEM microphotographs (right) of all synthesized glass ceramics (thermally treated and untreated) before immersion in SBF solution for days In this work, two glass-ceramic bioactive materials were synthesized successfully. Thermal analysis of the synthesized glasses defined their crystallization and melting temperatures and the in vitro bioactivity test revealed the formation of apatite on the surface of all samples (both thermally treated and not treated) even after 5 days of immersion. Refernces [1] A. Hoppe, N.S. Güldal and A.R. Boccaccini, Biomaterials 32 (2011) [2] P.J. Marie, P. Ammann P, G. Boivin and C. Rey, Calcif Tissue Int 69 (2001) [3] T. Kokubo, H. Kushitan, S. Sakka, T. Kitsugi and T. Yamamuro, J Biomed Mater Res 24 (1990) [4] J. Zhong and D.C. Greenspan, J Biomed Mater Res 53 (2000) [5] C. Wu and G. Chang, J Biomed Mater Res 83B (2006)