Study of the physico-chemical properties of composites obtained by mechanochemical synthesis of nanoscale hydroxyapatite and synthetic zeolites

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

In this article, the features of synthesis and physicochemical properties of a composite material based on precipitated hydroxyapatite and synthetic aluminosilicate zeolites are investigated. Using modern methods of analysis, both the obtained composite material and individual components included in its composition are certified. The material was synthesized by mixing with simultaneous grinding in a vibration mill of synthetic zeolite and hydroxyapatite, followed by annealing of the resulting mixture. The characteristics of the initial aluminosilicate zeolites and hydroxyapatite were clarified by infared spectroscopy, their interaction during mechanochemical synthesis and subsequent heat treatment of composites obtained on their basis was assessed. X-ray phase analysis of the initial synthetic zeolites indicates the loss of adsorbed and crystallization water and decomposition to complex aluminosilicate oxides of calcium and sodium during heat treatment at 1000 °C. It was also found that although precipitated hydroxyapatite is structurally unstable and its phase composition depends on temperature, the behavior of the composite material obtained on its basis differs significantly during high-temperature treatment. It was proven that thermal annealing of the composite obtained by mechanosynthesis during heat treatment at 1000 °C does not lead to chemical modification of the hydroxyapatite structure and the formation of a new compound due to the introduction of zeolite. Differential thermal analysis showed an increase in the stability of the composite material relative to its individual components. The morphology of the original materials and those subjected to heat treatment was studied using scanning electron microscopy; a change in morphology during sintering was shown. Along with the study of the thermal stability of the materials, an assessment of the linear shrinkage of the samples and their microhardness was carried out. The conducted comprehensive studies made it possible to recommend composites based on precipitated hydroxyapatite, containing 15 wt.% aluminosilicate zeolites in their composition, as promising materials for further study, possessing the best functional characteristics, including strength.

Sobre autores

Alla Shirokova

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of heterogeneous processes chemistry

Svetlana Bibanaeva

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Email: bibanaeva@mail.ru
Researcher, Laboratory of heterogeneous processes chemistry

Ekaterina Bogdanova

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS; Giredmet

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of heterogeneous processes chemistry, Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS; Leading Researcher, Laboratory of electrochemical devices for hydrogen energy, JSC Giredmet

Vladimir Skachkov

Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of heterogeneous processes chemistry

Olga Koryakova

I.Ya. Postovsky Institute of Organic Synthesis of the Ural Branch of RAS

Ph. D., Researcher, Laboratory of Spectral Research Methods

Bibliografia

  1. Mantsopoulos, K. Hydroxyapatite bone cement in the reconstruction of defects of the long process of the incus: Personal experience and literature review / K. Mantsopoulos, V. Thimsen, F. Wohlleben et al. // American Journal of Otolaryngology-Head and Neck Medicine and Surgery. - 2021. - V. 42. - I. 4. - Art. № 103002. - 4 p. doi: 10.1016/j.amjoto.2021.103002.
  2. Kim, H-I. A 3D calcium-deficient hydroxyapatite-based scaffold with gold nanoparticles effective against Micrococcus luteus as an artificial bone substitute / H-I. Kim, N. Raja, J. Kim et al. // Materials & Design. - 2022. - V. 219. - Art. № 110793. - 10 p. doi: 10.1016/j.matdes.2022.110793.
  3. Basirun, W.J. Development of the third generation of bioceramics: Doping hydroxyapatite with s-, p-, d-, and f-blocks cations and their potential applications in bone regeneration and void filling / B. Nasiri-Tabrizi, W.J. Basirun, C.H. Yeong, W.M. Thein // Ceramics International. - 2023. - V. 49. - I. 5. - P. 7142-7179. DOI: 101610/j.ceramint.2022.12.117.
  4. Abere, D.V. Mechanical and morphological characterization of nano-hydroxyapatite (nHA) for bone regeneration: A mini review. / D.V. Abere, S.A. Ojo, G.M. Oyatogun et al. // Biomedical Engineering Advances. - 2022. - V. 4. - Art. № 100056, - 12 p. doi: 10.1016/j.bea.2022.100056.
  5. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Сабирзянов Н.А., Богданова Е.А., Хонина Т.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. - № 2008140563/15; заявл. 13.10.08; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35. - 5 с.
  6. Zhao, R. Osteoporotic bone recovery by a bamboo-structured bioceramic with controlled release of hydroxyapatite nanoparticles / R. Zhao, T. Shang, B. Yuan et al. // Bioactive Materials. - 2022. - V. 17. - P. 379-393. doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.01.007.
  7. Chandran, S. Osseointegration of osteoporotic bone implants: Role of stem cells, silica and strontium - A concise review / S. Chandran, A. John // Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma. - 2019. - V. 10. - Suppl. 1. - P. 32-36. doi: 10.1016/j.jcot.2018.08.003.
  8. Pena, P. Effect of graphene on setting and mechanical behaviour of tricalcium phosphate bioactive cements / C. Baudín, T. Benet, P. Pena // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2019. - V. 89. - P. 33-47. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.09.002.
  9. Şimşek, B. Investigation of self-healing ability of hydroxyapatite blended cement paste modified with graphene oxide and silver nanoparticles / B. Şimşek // Construction and Building Materials. - 2022. - V. 320. - I. 5. - Art. № 126250. - 11 p. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.126250.
  10. Karimi, A.Z. Glass ionomer cements with enhanced mechanical and remineralizing properties containing 45S5 bioglass-ceramic particles / A.Z. Karimi, E. Rezabeigi, R.A.L. Drew // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2019. - V. 97. - P. 396-405. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.05.033.
  11. Mabroum, Y. Physicochemical, setting, rheological, and mechanical properties of a novel bio-composite. based on apatite cement, bioactive glass, and alginate hydrogel / Y. Mabroum, H. Noukrati, H. Ben youcef et al. // Ceramics International. - 2021. - V. 47. - I. 17. - P. 23973-23983. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.05.106.
  12. Богданова, Е.А. Получение биокомозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита с оксидами циркония и кремния / Е.А. Богданова, В.М. Скачков, И.М. Гиниятуллин, Д.И. Переверзев, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - С. 655-663. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.655.
  13. Богданова, Е.А. Получение биокомозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита с соединениями титана / Е.А. Богданова, В.М. Скачков, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 521-530. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.521.
  14. Гиниятуллин, И.М. Разработка композиционных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита, упрочненного оксидами алюминия и циркония / И.М. Гиниятуллин, Е.А. Богданова, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 571-579. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.571.
  15. Переверзев, Д.И. Получение биокомпозитов на основе наноразмерного гидроксиапатита, допированного оксидом циркония и фторидом кальция/ Д.И. Переверзев, Е.А. Богданова, К.В. Нефедова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2020. - Вып. 12. - С. 697-705. doi: 10.26456/pcascnn/2020.12.697.
  16. Богданова, Е.А. Влияние армирующих добавок на процессы спекания и упрочнения наноразмерного гидроксиапатита / Е.А. Богданова, И.М. Гиниятуллин, Д.И. Переверзев, В.М. Разгуляева // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 548-554. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.548.
  17. Бибанаева, С.А. Синтез и исследование функциональных характеристик композиционных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и синтетических цеолитов / С.А. Бибанаева, Е.А. Богданова, В.М. Скачков // Физико-химические аспекты изучения нанокластеров и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 913-923. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.913.
  18. Bacakova, L. Applications of zeolites in biotechnology and medicine - a review / L. Bacakova, M. Vandrovcova, I. Kopova, I. Jirka // Biomaterials Science. - 2018. - V. 6. - I. 5. - P. 974-989. - doi: 10.1039/c8bm00028j.
  19. Iqbal, N. Microwave synthesis, characterization, bioactivity and in vitro biocompatibility of zeolite-hydroxyapatite (Zeo-HA) composite for bone tissue engineering applications / N. Iqbal, M.R.A. Kadir, N.H.B. Mahmood et al. // Ceramics International. - 2014. - V. 40. - I. 10. - P. 16091-16097. doi: 10.1016/j.ceramint.2014.07.038.
  20. Youssef, H.F. Preparation and characterization of novel bio-composites based on functionalized zeolite and nano-hydroxyapatite for a potential application in bone treatment / H.F. Youssef, A.M. El-Kady, M.M. Ahmed, H.H. Abo-almaged // Journal of Porous Materials. - 2021. - V. 28. - I. 6. - P. 1979-1998. doi: 10.1007/s10934-021-01142-9.
  21. Mohandesnezhad, S. In vitro evaluation of Zeolite-nHA blended PCL/PLA nanofibers for dental tissue engineering / S. Mohandesnezhad, Y. Pilehvar-Soltanahmadi, E. Alizadeh et al. // Materials Chemistry and Physics. - 2020. - V. 252. - Art. № 123152. - 9 p. doi: 10.1016/j.matchemphys.2020.123152.
  22. Бибанаева, С.А. Синтез алюмосиликатных цеолитов в условиях глиноземного производства / С.А. Бибанаева // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 747-753. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.747.
  23. Bogdanova, E.A. Formation of nanodimensional structures in precipitated hydroxyapatite by fluorine substitution / E.A. Bogdanova, V.М. Skachkov, I.S. Medyankina et al. // SN Applied Sciences. - 2020. - V. 2. - I. 9. - Art. № 1565. - 7 p. doi: 10.1007/s42452-020-03388-5.
  24. Speyer, R.F. Thermal analysis of materials / R.F. Speyer. - New York: Marcel Dekker Inc., 1994. - 285 p.
  25. Powder Diffraction File JCPDS-ICDD PDF-2 (Set 1-47). (Release, 2016). - Режим доступа: www.url: https://www.icdd.com/pdf-2/. - 15.06.2024).
  26. Prabakaran, K. Development of calcium phosphate-based apatite from hen's eggshell / K. Prabakaran, A. Balamurugan, S. Rajeswari // Bulletin of Materials Science. - 2005. - V. 28 - I. 2. - P. 115-119. doi: 10.1007/BF02704229.
  27. Annunziata, O.A. Hydroxyapatite/MCM-41 and SBA-15 nano-composites: preparation, characterization and applications / O.A. Annunziata, M.L. Martínez, A.R. Beltramone // Materials. - 2009. -V. 2. - I. 4. - P. 1508-1519. doi: 10.3390/ma2041508.
  28. Gibson, I.R. Novel synthesis and characterization of an AB-type carbonate-substituted hydroxyapatite / I.R. Gibson, W. Bonfield // Journal of Biomedical Materials Research. - 2001. -V. 59. - I. 4. - P. 697-707. doi: 10.1002/jbm.10044.
  29. Balonis, M. Phase relations in the calcium carbonate/ammonium phosphate system under aqueous conditions and 25°C / M. Balonis, X. Ma, I. Kakoulli // Journal of the American Ceramic Society. - 2020. - V. 103. - I. 6. - P. 3837-3850. doi: 10.1111/jace.17047.
  30. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, В.С. Комлев. - М.: Наука, 2006. - 204 с.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».