31 . Mezinárodní slovenský a český kalorimetrický seminář

1. 31. Mezinárodníslovenský a českýkalorimetrický seminář hotel Boboty Terchová, Vrátna dolina, Slovensko 25.5. - 29.5.2009 Použitie termických metód pri štúdiu biomateriálov Martin Palou, Eva Kuzielová, Gabriela Lutišanová a Martin Vitkovič Ústav anorganickej chémie, technológie a materiálov, FCHPT, STU v Bratislave, Radlinského 9, 812 37 Bratislava

2. Biomateriály sú organické a anorganické syntetické alebo prírodné materiály použité v medicíne na náhradu alebo na obnovu mäkkých a tvrdých tkanív, formou trvalých implantátov, v ortopédii, maxilofaciálnej a kožnej chirurgii, stomatológii a pod.

3. Biomateriály Kovové biomateriály Biokeramiky Biopolyméry Biosklá Kompozitné biomateriály

4. Hip replacement Application of bioceramics to repair or to replace hard of soft tissues

5. TITÁNOVÉ BEDROVÉ IMPLANTÁTY ZUBNÉ IMPLANTÁTY KERAMICKÉ BEDROVÉ KĹBY Biomateriály •bioinertné • tvorba fibrózneho rozhrania • keramika na báze Al2O3, ZrO2 • náhrady bedrových kĺbov a čeľustných kostí, zubné protézy, keramické skrutky

6. •bioaktívne • medzifázové viazanie s tkanivami • bioaktívnesklá, hydroxyapatit, bioaktívnasklokeramika • rekonštrukcie bedrového hrebeňa, rekonštrukcie čeľustnej kosti, protézy stavcov •resorbovateľné • v organizme sa rozpúšťajú bez vzniku metabolicky škodlivých zložiek • materiályna báze bioskiel a fosforečnanu vápenatého • materiály pre výplň kostných defektov, injektovateľné implantáty pre uvoľňovanie liekov INJEKTOVATEĽNÝ TUHÝ IMPLANTÁT NÁHRADA KOSTNÉHO ŠTEPU

7. Stehenná kosť

8. APATITY • Hydroxyapatit • Fluórapatit • Chlórapatit • SKLA A SKLOKERAMIKY ZO SYSTÉMU LiO-CaO-SiO2-P2O5 (0-16 %) PRE KLINICKÉ APLIKÁCIE Termické metódy použité pri štúdiu biomateriálov Dilatometria Termická analýza TA (TG, DTG) DSC Termo-optická priepustnosť –transmitancia

9. Všeobecná charakteristika apatitov V mineralógii sa pojmom apatity súhrnne označuje skupina troch minerálov: hydroxyapatitu, fluórapatitu a chlórapatitu. Názvy minerálov sú odvodené od vysokej koncentrácie OH-, F- alebo Cl- iónov v štruktúre. V prírode sa najčastejšie vyskytuje fluórapatit, v ktorom prevláda prvok fluór. Sumárny vzorec hydroxyapatitu(HA) možno vyjadriť Ca10(PO4)6(OH)2alebo Ca5(PO4)3OH

10. HYDROXYAPATIT (HAP) V ĽUDSKOM TELE • V kostiach stavovcov, teda i človeka sa nachádza približne 60 % HAP. • Zubná sklovina obsahuje dokonca 90 % HAP.

11. SYNTÉZA HA • Hydroxyapatit je možné pripraviť zrážaciou metódou rôznymi spôsobmi podľa nasledujúcich rovníc: • 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H20 • 10Ca(OH)2 + 6(NH4)2HPO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H20 + 12NH4OH • 10Ca(OH)2 + 6Ca(H2PO4)2H2O = Ca10(PO4)6(OH)2 + 12H20

12. Sól-gél metóda • Najčastejší postup syntézy práškov hydroxyapatitu na prípravu biokompatibilných materiálov je postup pomocou roztokov Ca(NO3)2 a NH4H2PO4 alebo (NH4)2HPO4 podľa rovnice: • 5Ca(NO3)2 + 3NH4H2PO4 + 7NH4OH= Ca5(PO4)OH + 10NH4NO3 + 6H2O • Vznikajú xerogély (nanočastice) hydroxyapatitu

13. Fosfátny bioaktívny cement Ak sa prášková zmes Ca3(PO4)2 a Ca4(PO4)2 sa dostane do styku s vodou prebieha hydratačná reakcia, v dôsledku ktorej vzniká kohézny cementový tmel. Tuhnutie a tvrdnutie prebiehajú v dôsledku nukleácie a rastu kryštálov hydroxylapatitu 2Ca3(PO4)2 + Ca4(PO4)2 + H2O = 2Ca5(PO4)3OH

14. Tepelné spracovanie keramických výrobkov • Tepelne spracovanie keramických materiálov zahrňuje nasledujúci postupy: • Sušenie • Výpal • Spekanie

15. Príprava teliesok biokeramických materiálov na báze HA Tvarovanie práškov hydroxyapatitu lisovanie Spekanie Pri (800-1200) °C Dotvarovanie Rezanie a brúsenie

16. Kompaktný HA Porézny HA

17. TCP sintered particles HA melted

18. HA pripravený pri 0°C a spekaný pri 1000 °C. Veľmi jemné častice HA pripravený pri25°C a spekaný pri 1000 °C. Kostná štruktúra

19. HA pripravený pri75°C a spekaný pri 1000 °C. Kryštály s rôznymi veľkosťami HA pripravený pri100°C a spekaný pri 1000 °C. Kryštály s rôznymi veľkosťami

20. HA pripravený pri 0°C a spekaný pri 1250 °C. Kompaktná mikroštruktúra. HA pripravený pri25°C a spekaný pri 1250 °C.

21. Sklá a sklokeramika na báze dikremičitanu dilítneho •dikremičitan dilítny – lítium disilikát (LS2) •stomatológia •vysoká mechanická pevnosť, opalescencia, tepelná stabilita a chemická odolnosť • CaO, P2O5 a CaF2: v malých množstvách ako nukleačné činidlá  zubné korunky, mostíky, glazúry •až do súčasnosti je použitie týchto materiálov obmedzené na oblasti použitia bioinertných materiálovpreukázanie bioaktívnych vlastností skiel a sklokeramiky z tohto systémuby otvorilo cestu novým aplikáciám týchto materiálov

22. Tavenie skla • Príprava sklokeramiky • Test bioaktivity in vitro • Mechanické vlastnosti

23. Obsah P2O5 0 Obsah P2O5 4 5 6 8 10 12 14 0 4 6 8 10 12 14 FA - 9,47 11,84 14,21 18,95 23,69 28,42 33,16 SiO2 – skl. piesok 61,93 57,29 54,89 52,45 49,94 47,38 44,76 LS2 100 90,53 88,16 85,79 81,05 76,31 71,58 66,84 Li2CO3 38,07 35,22 33,75 32,24 30,71 29,13 27,52 CaF2 - 0,58 0,88 1,18 1,50 1,82 2,15 Ca3(PO4)2 - 6,91 10,48 14,13 17,86 21,67 25,58 Zloženie zmesí pre prípravu skiel (v hm. %) Teoretické zloženie pripravených vzoriek (v hm %)

24. Termické spracovanie Vývoj mikroštrútury keramika Sklá Sklo-keramika Čiastočná kryštalizácia

25. Sklo-keramika 550 °C Sklo-keramika 750 °C Materské sklo 5.07 ± 0.26 GPa 5.36 ± 0.62 GPa 5.40 ± 0.39 GPa 3.6 GPa Vzorky LS2 skla a vzorky obsahujúce FA 5.9 ± 0.60 7.37 ± 0.15 5.36 ± 0.25 E. Kuzielová, J. Hrubá, M. Palou, E. Smrčková, Ceram.-Silik. 50, 159(2006)

26. Zmena termo-optickej priepustnosti • Mechanizmus kryštalizácie skla • Kinetika kryštalizácie • Potenciálne aplikácie skla a sklokeramiky v medicíne (Tvrdosť a bioaktivita)

27. Klasický spôsob prípravy sklo-keramiky Teplota kryštalizácie Rast kryštálov T/°C Teplota nukleácie Zárodky, nukleá Čas /h

28. Isotermický ohrev a optická priepustnosť skla pri rôznych teplotách 28

29. Vplyv rýchlosti ohrevu na optickú priepustnosť

30. Mechanizmus a kinetika kryštalizácie skla Termická stabilita (odolnosť) skla proti kryštalizácie • Známe sú dve mechanizmy kryštalizácie • Povrchová kryštalizácia • Objemová kryštalizácia • Ray a Day návrhli metódu termickej analýzy podľa veľkosti častíc.

31. ; ak E f(veľkosť častíc)  ~n •n~ 1  povrchová kryštalizácia •n~ 3  objemová kryštalizácia • 1 <n< 3  povrchová a objemová kryštalizácia Identifikácia povrchovej a objemovej kryštalizácie •Ray a Day: mechanizmus kryštalizácie použitím DTA je predpovedaný zo závislosti troch parametrov od veľkosti častíc: 1. teploty korešpondujúcej s maximom DTA kryštalizačného píku, TP 2. maximálnej výšky DTA kryštalizačného píku, (T)P 3. pomeru , kde je šírka píku v polovičnom maxime • rozmernosť rastu kryštálov, n, (Avramiho parameter): Ray C.S., Day D.E.: Thermochim. Acta 280 (1996)163

32. Maximálna výška exotermického píku kryštalizácie, (δT)P (ΔT)Pje šírka píku v polovičnom maxime Teploty korešpondujúcej s maximom DTA kryštalizačného píku, TP

33. Mechanizmus kryštalizácie The glass samples were grinded and subsequently sieved to following fractions: The powdered glasses were heated from room temperature until the crystallization was complete at 10 °C min-1 rate and DTA measurements were realized in the atmosphere of nitrogen.

34. •TP s rastúcou veľkosťou častíc v prípade oboch skiel rastie  s rastúcou veľkosťou častíc teda kryštalizácia prebieha ťažšie • prídavok CaO, P2O5 a CaF2 vedie k posunu TP k nižším teplotám Teploty maxima DTA píku, TP, ako funkcie veľkosti častíc • (T)Ps rastúcou veľkosťou častíc až do  0.9 mm klesá • v prípade častíc >0.9 mm sa závislosť (T)P od veľkosti častíc u čistého LS2 skla mení na rastúcu, zatiaľ čo u skla obsahujúceho P2O5 sa (T)P javí ďalej ako nezávislá od veľkosti častíc Obr. Závislosť maximálnej výšky DTA píku, (δT)P, od veľkosti častíc skiel

35. •ako funkcia veľkosti častíc s rastúcou veľkosťou častíc klesá v prípade skla obsahujúceho 14 hm % P2O5 do veľkosti ~ 0.9 mm • v prípade čistého LS2 skla je závislosť klesajúca do veľkosti ~ 0.3 mm • od uvedených hodnôt s rastúcou veľkosťou častíc rastie, smernica závislosti skiel sa však podstatne líši Závislosť pomeru od veľkosti častíc skiel

36. maximálnej výšky DTA kryštalizačného píku, TP (°C) Intenzitakryštalizačného píku, (δT)P veľkosť /mm skloa sklo b skloa sklo b skloa sklo b 0.098 609.43 594.09 62.927 61.61 221.33 265.97 0.3025 636.68 606.86 50.276 44.46 181.77 223.606 0.4275 643.33 610.75 48.558 43.00 187.86 214.377 0.9 660.94 622.45 43.113 32.28 252.80 185.646 1.8 677.65 633.81 45.194 32.38 370.33 226.96 3.5 684.5 641.22 60,868 30,612 532,43 363,81 5.15 683.78 643.69 80,873 30,783 1461,11 402,27

37. • povrch vzorky s obsahom 14 hm % P2O5 po 3 h tepelnom spracovaní pri 500 °C tvoria sférolitické kryštály pravdepodobne lítium disilikátu •napriek kryštalickému povrchu je však lomová plocha vzorky hladká, bez náznaku kryštalickej fázy Obr. Povrch verzus lomová plocha vzorky so 14 hm % P2O5 po 3 h tepelnom spracovaní pri 500 °C; v pravo hore: detailný záber povrchu príslušnej vzorky

38. Two distinct zones are remarked characterizing crystallization by both mechanisms

39. Predominance of surface crystallization Glass-ceramics conatining FA

40. Termická stabilita skla voči kryštalizácii

41. Tx (začiatok teploty kryštalizácie) Teploty korešpondujúcej s maximom DTA kryštalizačného píku, TP TP Indukčná perióda Tx

42. Termická stabilita skla TA INSTRUMENT 2860 SDT. Vzorka skla s veľkosťou 71 - 125 μm sa podrobila termickou analýzou pri rôznych rýchlostiach ohrevu2, 4, 6, 8 and 12 °C min-1v atmosfére dusíka. Výpočet dĺžky indukčnej perióde

43. Štúdium kryštalizácie skiel •sklo LS2a sklo s obsahom 14 hm % P2O5 • vplyv prídavku CaO, P2O5 a CaF2 na tendenciu lítium dislikátového skla kryštalizovať bol hodnotený prostredníctvom určenia dĺžky indukčnej periódy a dĺžky celkovej izotermickej kryštalizácie • hodnoty kinetických parametrov boli vypočítané použitím izokonverznej integrálnej metódy • parametre A a Ea z rovnice (1) boli vypočítané programom KINPAR[1] •teoretické hodnoty teplôt sú dané rovnicou: kde Ti je teplota, pri ktorej je dosiahnutá fixná konverzia αi, A a Ea sú parametre a R plynová konštanta • indukčná perióda  Ti reprezentovala teplotu konca indukčnej periódy - Tx •celkový proces kryštalizácie Ti bola substituovaná teplotou maxima píkuTp. • rast kryštálov spodná hranica integrácie:Tx, horná hranica integrácie:Tp [1] Šimon P., Thomas P.S., Okuliar J., Ray A.S.: J. Therm. Anal. Cal. 72 (2003) 867

44. Sklo 0 hm % P2O5 14 hm % P2O5 Rýchlosť ohrevu/°C min-1 2 4 6 8 12 2 4 6 8 12 Tx/K 793 801 806 810 815 787 796 802 806 812 Charakteristické teploty pre hodnotenie tepelnej stability skiel zo systému Li2O-SiO2-CaO-P2O5- CaF2 Tp/K 853 868 877 883 893 824 838 847 853 863 • Experimentálne a vypočítané hodnoty • teplôt začiatku kryštalizácie skiel, • teplôt korešpondujúcich s maximom DTA kryštalizačného píku pre rôzne rýchlosti ohrevu

45. Glass (a) (b) Heat rate/°C min-1 2 4 6 8 12 2 4 6 8 12 Tx/K 794 801 807 811 813 791 796 802 805 810 TP/K 853 868 877 883 893 830 838 848 853 861 E(TP)/kJ mol-1 299  1 288  7 E(β)/kJ mol-1 313  1 303  8 Characteristic parameters for evaluation of thermal stability of glasses from Li2O-SiO2-CaO-P2O5-F system; E(TP) and E(β): activation energy determined from the Kissinger and Ozawa plot, respectively

46. • dĺžky izotermickej indukčnej periódy, ti, boli určené z rovnice (2): B A • Obr. Teplotná závislosť dĺžky • indukčnej periódy a • celkovej izotermickej kryštalizácie •získané kinetické parametre môžu byť použiténa navrhovanie vhodných režimov tepelného spracovania týchto skiel pre produkciu sklokeramiky • kryštalizácia skla obsahujúceho CaO, P2O5 a CaF2 vyžaduje kratší časový interval prídavok uvedených látok urýchlil nukleáciu aj rast kryštálov

47. Sklo 0 hm % P2O5 14 hm % P2O5 Parametre A/min Ea/kJ mol-1 A/min Ea/kJ mol-1 Indukčná perióda 7.7410-27 408 7 4.5910-24 364  8 Rast kryštálov 2.9110-16 270  2 1.4210-15 249  2 Celková kryštalizácia 1.9010-16 273  2 2.5510-16 262  3 Charakteristické parametre kryštalizácie skiel zo systému Li2O-SiO2-CaO-P2O5- CaF2

48. získané kinetické parametre môžu byť použiténa navrhovanie vhodných režimov tepelného spracovania týchto skiel pre produkciu sklokeramiky • kryštalizácia skla obsahujúceho CaO, P2O5 a CaF2 vyžaduje kratší časový interval prídavok uvedených látok urýchlil nukleáciu aj rast kryštálov

49. 14 hm % P2O5, sklo 14 hm % P2O5, 550 °C 14 hm % P2O5, 750 °C LS2, sklo Výsledky testovania bioaktivity in vitro • bioaktivita – tvorba biologicky aktívnej vrstvy hydroxyuhličitanového apatitu na povrchu materiálu po implantácii • in vitro testovanie: v SBF („simulated body fluid“) •na povrchu vzoriek skiel obsahujúcich (10 a 14) hm % P2O5 možno po 6 týždňoch v SBF pozorovať súvislú vrstvu pozostávajúcu z nových fáz •sklá bez obsahu P2O5 a so 6 hm % P2O5 majú povrch iba čiastočne pokrytý dispergovanými oblasťami nových fáz •povrchy vzoriek sklokeramiky vykazujú analogický charakter mikroštruktúry povrchu v závislosti od obsahu P2O5 • s rastúcou teplotou tepelného spracovania hrúbka vrstvy klesá Obr. Povrchová mikroštruktúra vzoriek pred (malé obrázky v rohoch) a po 6 týždňoch v SBF

50. Sklo bez P2O5 Sklo s 14 hm % P2O5 Biomineralizácia povrchu sklokeramiky in vitro