Vliv fosfoserinu na degradační a mechanické vlastnosti kompozitního kostního lepidla

The influence of phosphoserine on the degradation and mechanical properties of composite bone adhesive

abstract

Czech

Kompozitní kostní lepidla, označována také jako tzv. kostní cementy, jsou založena na bázi fosforečnanu vápenatého. Tyto cementy jsou známy od 80. let minulého století a hrají důležitou roli v ortopedii, v zubním lékařství a dnes také ve vývoji 3D tištěných kostních implantátů. I přes mnoho výhod zahrnující bioaktivitu, zvýšení osteokonduktivity, injektovatelnost a schopnost vytvrdit se bez exotermní reakce, mají tyto cementy nedostatečné mechanické vlastnosti, které lze vylepšit použitím vhodného aditiva. Cílem této práce bylo modifikovat kostní cement vybraným aditivem a následně sledovat vliv tohoto aditiva na mechanické a degradační vlastnosti cementu. Jako aditivum byl vybrán fosfoserin, který je jako fosforylovaná aminokyselina přítomna v lidském těle při syntéze serinu a je obsažen v sloučeninách, například osteopontin, které mají regulační efekt při mineralizaci kosti. Jako první byla provedena optimalizace přípravy modifikovaného cementu, která zahrnovala způsob přídavku aditiva, koncentraci aditiva a poměr kapalné a práškové fáze v cementové pastě. Při tomto kroku byla vizuálně zhodnocena struktura pasty a její injektabilita. Pro zhodnocení mechanických vlastností cementu byly provedeny mechanické zkoušky v tlaku a poté rentgenová difrakční analýza pro zjištění chemického složení materiálu. Pozitivní vliv aditiva byl pozorován zvýšením maximální pevnosti v tlaku z přibližně 9 MPa na 15 MPa, kdy s přídavkem fosfoserinu se hodnota maximální pevnosti zvýšila o polovinu v porovnání s nemodifikovaným cementem. Dále byly provedeny degradační studie v simulovaných tělních tekutinách při pH 7 a akcelerovaná při pH 2,5. Při těchto studiích byl pozorován větší úbytek hmotnosti ve vzorcích s vyšší koncentrací aditiva a ve vzorcích umístěných v kyselém prostředí. Morfologie povrchu před a po degradacích byla pozorovaná pomocí skenovacího elektronového mikroskopu. Z výsledků byl potvrzen pozitivní vliv fosfoserinu na mechanické a degradační vlastnosti kostních cementů.

Composite bone adhesives, also known as bone cements, are based on calcium phosphate. These cements have been known since the 1980s and play an important role in orthopedics, dental medicine, and today, in the development of 3D-printed bone implants. Despite many advantages, including bioactivity, increased osteoconductivity, injectability, and the ability to harden without an exothermic reaction, these cements have inadequate mechanical properties, which can be improved by using a suitable additive. The aim of this study was to modify the bone cement with a selected additive and then observe the influence of this additive on the mechanical and degradation properties of the cement. The chosen additive was phosphoserine, which is a phosphorylated amino acid present in the human body during serine synthesis and is found in compounds such as osteopontin, which have a regulatory effect on bone mineralization. Firstly, the preparation of the modified cement was optimized, including the method of additive addition, additive concentration, and the ratio of liquid and powder phases in the cement paste. During this step, the paste's structure and injectability were visually assessed. To evaluate the mechanical properties of the cement, compression tests were performed, followed by X-ray diffraction analysis to determine the material's chemical composition. A positive influence of the additive was observed, as the maximum compressive strength increased from approximately 9 MPa to 15 MPa, with the addition of phosphoserine, the value of the maximum compressive strength increased by half compared to the unmodified cement. Further, degradation studies were conducted in simulated body fluids at pH 7 and accelerated conditions at pH 2.5. These studies showed a greater weight loss in samples with a higher concentration of the additive and in samples placed in an acidic environment. Surface morphology before and after degradation was observed using scanning electron microscopy. The results confirmed the positive effect of phosphoserine on the mechanical and degradation properties of bone cements.

Kompozitní kostní cement, fosfoserin, mechanické vlastnosti, degradační studie

Calcium phosphate cement, Phosphoserine, mechanical properties, degradation study

RASZKOVÁ, A.; HLINÁKOVÁ, K.; MICHLOVSKÁ, L.; VOJTOVÁ, L.; MENČÍK, P.

27. 4. 2023

Národní knihovna České republiky

978-80-11-03134-3

XIV. mezinárodní konference Bioimplantologie 2023

34

34

52

https://www.bioimplantologie.cz/down/bioimpl2023_prg.pdf