机械活化法制备纳米结构金刚砂粉及其表征

文件类型:原始研究文章

作者

伊斯兰亚兹德大学科学与研究处生物材料系,伊朗亚兹德

抽象


目标: 迄今为止,已经对通过溶胶-凝胶法制备和表征基于Ca-Si的纳米陶瓷进行了广泛的研究,并评估了其生物活性,但是,很少有研究关注通过机械活化(MA)制备材料。 。这项研究的目的是通过机械活化方法和生物活性评价制备钙钛矿纳米粉。
方法: 通过MA方法和随后的热处理制备了钾长石。样品混合了氧化钙(CaO),二氧化硅(SiO2)和摩尔比分别为2:2:1的氧化镁(MgO)。将它们以球粉比10:1和300 rpm的转速研磨6 h,8 h和10 h。合成后,将样品在25 MPa下加压并在1100加热ºC持续3小时。通过X射线衍射(XRD),透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDX-mapping)分析来表征三种粉末。通过浸入模拟体液(SBF)中研究了钙钛矿陶瓷的生物活性评估。
结果: 根据XRD图谱,将样品在1100℃的热处理中研磨10小时 ºC仅表示纯钙钛矿相。纳米粉末的晶体尺寸表明,随着球磨时间的增加,晶体的尺寸减小。另外,SEM图像显示,发生了磷灰石成核并在样品表面上生长。

结论: 在本研究中,可以通过机械活化(MA)制备纳米结构钙钛矿粉末。

关键词


介绍

对于修复由外伤,手术切除和先天性畸形引起的骨损伤,骨组织工程是有用的[1]。作为新的生物材料,生物无机物和金属离子在新材料合成中的使用受到了广泛的关注[2]。生物活性材料通过与羟基磷灰石的形成与活骨紧密连接而获得合格性[3]。结果表明,非常重要的一组材料是基于CaO-Mg-SiO2系统的,可以用作骨再生的新型生物活性材料[4]。先前的研究表明,钙钛矿(Ca2MgSi2O7)陶瓷比Ca-P陶瓷具有更高的机械强度和生物活性[5]。合成CaO-SiO2基陶瓷的常用方法是溶胶-凝胶,喷雾干燥,溶液的蒸发分解以及高温下氧化物的固态反应。机械活化是用于制备纳米粉末和复合材料的通用方法。使用这种方法已经准备了各种类型的材料,包括金属,离子和氧化物(稀土氧化物,氧化锆,氧化钛等)[6]。该方法具有许多优点,例如简单和低成本。压力可以通过传统的碾磨设备施加,例如从低能球磨机到高能搅拌机的摩擦磨,行星磨或振动磨[7]。迄今为止,已经对基于Ca-Si的纳米陶瓷(例如Ca-Si-Mg [8-11],/ Zn [12, 13] / Ti [14-16通过溶胶-凝胶法评价了其的生物活性,但是,很少有研究关注通过机械活化(MA)制备材料。因此,有必要研究MA合成钙钛矿的特性。组织连接速率取决于HA形成的速度,表面和孔隙率特性以及测量溶液中的离子变化。在玻璃和玻璃陶瓷表面上形成的磷灰石层是其生物活性的重要因素,在组织中起关键作用–生物材料界面[17]。因此,本研究的目的是通过MA方法研究艾克曼尼特纳米粉的合成和表征,以及在SBF中的生物活性评估。

 

材料和方法

粉末的制备与表征

通过机械活化方法和随后的热处理来制备钙长石。样品以2:2的摩尔比混合氧化钙(CaO),(98%纯度,默克),二氧化硅(SiO2)(98%纯度,默克)和氧化镁(MgO)(98%纯度,默克) :1。将这些类型的粉末以10:1的球粉比和300 rpm的转速球磨6,8和10 h。合成钙钛矿后,将粉末在25 MPa下压制并在1100加热ºC持续3小时。 X射线衍射(XRD; Philips PW 3710),透射电子显微镜(TEM; EM208S)和钙钛矿颗粒的分布由能量色散X射线光谱(EDX映射; Philips XL30 4)显示。根据Scherrer方程[16],计算出纳米粉的晶体尺寸  by:

吨= 0.89λ / β cos θ

式中t是粒径λ是波长,β是在弧度的一半高度处选择的峰宽,θ is the Bragg angle.

 

准备分析样品

将纳米粉末牢固地安装在称为样品架的样品架上,并使用溅射镀膜机(Eiko IB3,日本东京)用金涂覆3分钟。操作显微镜以在15 kV下可视化样品。

用Cu K以0.02º/ min的扫描速率进行X射线粉末衍射(XRD)α辐射用于样品的晶体结构分析。

通过将粉末在乙醇中超声处理在箔片表面上得到悬浮液,然后将其放在铜杯上,最后干燥以通过TEM捕获图像,从而完成了样品制备。

通过获得粉末在乙醇中的悬浮液来完成样品的制备,然后将其滴在铜网上,最后干燥以通过TEM仪器捕获照片。

 

浸入SBF

通过浸没在SBF中来确定钙钛矿陶瓷的生物活性评估。根据Kokubo [18]描述的方法制备了SBF离子浓度。将其维持在SBF中30天后,将样品从溶液中取出并在30℃下干燥°C持续24 h,最后表征。扫描电子显微镜–能量色散光谱法(SEM-EDS; VEGA \\ TESCAN)用于研究纳米结构的磷灰石形成能力。

 

结果与讨论

通过机械活化法在三个球磨时间(6 h,8 h和10 h)并在1100℃下热处理3 h​​获得的钙钛矿粉末的XRD图谱(图1)。根据XRD图谱,在31.2处出现尖峰°可归因于钙钛矿阶段(对应于JCPDS卡号00-076-0841)。

 这些图案属于经过铣削6 h和8 h的样品,与其他图案相比,杂质很少(图1)。但是,对于在6小时和8小时之后研磨的样品,粉末中含有少量的硫铁矿(Ca3MgSi2O8)杂质。从Scherrer方程获得的结果表明,如果球磨时间增加,则晶体尺寸减小[19]。显示了三种粉末的粒度范围(如表1所示)。因此,球磨10 h的样品是最好的样品,其中包含纯的钙钛矿相和晶体尺寸。

 6 h,8 h和10 h并在1100加热后的球磨粉的TEM显微照片°C保持3小时(图2)。 TEM观察(10小时)显示,钙钛矿颗粒由球形和尖锐的点组成。然而,颗粒钙锰矿是纳米级的。如在TEM图像中观察到的,粉末的纳米结构表明,晶粒尺寸为约40-60nm(参见表1)。

EDX映射分析用于研究球磨样品中分散的Ca,Si和Mg元素10 h(图3)。 样品的EDX图谱显示,所有钙钛矿元素(Ca,Si和Mg)均已保存并充分分散在整个表面上。表面元素的存在可以诱导更多的生物活性,从而显着促进羟基磷灰石的形成[17]。两种方法用于研究生物陶瓷的体外生物活性。第一种方法用于评估SBF中的磷灰石形成潜力。另一种方法是在培养基中研究。 SBF方法主要用于测试生物陶瓷的体外生物活性[20]。

图4(a)和(b)显示了10 h后球磨样品在SBF中浸泡30天后制备的钙钛矿表面形貌的SEM显微照片。 SEM图像显示,发生了磷灰石形核并在样品表面上生长。图4c描述了Ca和P存在于表面上。由于钙钛矿成分不含p; EDS分析中p的存在与30天后磷灰石的形成有关。先前的报道表明,CaO和SiO2的释放对于在表面形成骨状磷灰石是必不可少的[21]。

 

结论

在本研究中,可以通过机械活化(MA)制备纳米结构钙钛矿粉末。该结果表明,球磨10 h的样品是含有纯钙钛矿相且粒径最小的最佳样品。研究表明,通过机械活化方法获得的粉末具有磷灰石形成的潜力。它可用作骨组织工程用途的新型生物材料。

 

 ACKNOWLEDGMENTS

这项研究得到了阿米尔卡比尔工业大学生物医学工程系的支持。

利益冲突

作者声明,有关此手稿的出版没有利益冲突。

1,刘Q,岑L,尹S,陈L,刘G,Chang J等。钙锰矿上脂肪衍生干细胞增殖和成骨分化的比较研究β-TCP陶瓷。生物材料。 2008; 29(36):4792-9。
2 Mohammadi H,Hafezi M,Nezafati N,Heasarki S,Nadernezhad A,Ghazanfari S等用于骨组织修复的生物活性硅酸钙陶瓷中的生物无机物:生物活性和生物学特性。 J Ceram科技。 2014; 5(1):1-12。
3.Srivastava AK,PyareR。CuO取代的45S5生物活性玻璃和玻璃陶瓷的表征。国际J科技技术研究。 2012; 1:28-41。
4,Mirhadi S,Tavangarian F,Emadi R.单相纳米结构bre指粉末的合成,表征和形成机理。 Mater Sci Eng C.2012; 32(2):133-9。
5刘G,吴C,范W,苗X,罪DC,克劳福德河,等。生物活性钙钛矿对聚丙交酯-乙交酯共聚物微珠的物理化学,药物传递和生物学特性的影响。 J生物医学材料研究B应用生物学。 2011; 96(2):360-8。
6.Cabrera A,Mendoza M.通过粉末的机械活化制备的Ca2SiO4层状陶瓷。 Rev Mex Fis。 2006; 52(4):346-51。
7,Fathi MH,Zahrani EM。转速和研磨时间对氟化羟基磷灰石生物材料合成及性能的影响。伊朗J药物科学。 2008; 4(3):201-8。
8.Wu C,ChangJ。一种新型的钙钛矿生物陶瓷:制备方法和特性。 J Biomater应用2006; 21(2):119-29。
9,Maleki-Ghaleh H,Hafezi M,Hadipour M,Nadernezhad A,Aghaie E,Behnamian Y等。硅酸三钙镁涂层对Ti-6Al-4V合金电化学和生物行为的影响。一。 2015; 10(9):e0138454。
10,Mihailova I,Radev L,Aleksandrova V,Colova I,Salvado I,Fernandes M.新型的褐铁矿/钙锰矿陶瓷:体外生物活性。保加利亚化学通讯社。 2015; 47(1):253-60。
11.Razavi M,Fathi M,Sababi O,Razavi SM,Beni BH,Vashaee D等。通过钙钛矿涂层的电泳沉积来控制生物活性镁植入物的降解速率。塞拉姆国际机场2014; 40(3):3865-72。
12.Ramaswamy Y,Wu C,Zhou H,Zreiqat H.人骨细胞对锌修饰的Ca的生物学反应–硅基陶瓷。 Acta Biomater。 2008; 4(5):1487-97。
13.王刚,卢Z,刘X,周X,丁C,Zreiqat H.纳米结构玻璃–骨科应用的陶瓷涂料。 J R Soc接口。 2011; 8(61):1192。
14.Wu C,Ramaswamy Y,Gale D,Yang W,Xiao K,Zhang L等。钛上的新型蝶粉涂料–6Al–4V用于使用sol的骨科植入物–凝胶法。 Acta Biomate。 2008; 4(3):569-76。
15.Wu C,Ramaswamy Y,Liu X,Wang G,Zreiqat H.在Ti-6Al-4V上进行等离子喷涂的CaTiSiO5陶瓷涂层,具有出色的结合强度,稳定性和细胞生物活性。 J R Soc接口。 2009; 6(31):159-68。
16 Ramaswamy Y,Wu C,Dunstan CR,Hewson B,Eindorf T,Anderson GI等。用于骨科涂层应用的Sphene陶瓷:一项体外和体内研究。生物学报。 2009; 5(8):3192-204。
17.侯X,殷G,陈X,廖X,姚Y,黄Z.钙钛矿形态对骨状磷灰石沉淀的影响。应用冲浪科学。 2011; 257(8):3417-22。
18.Kokubo T.生物活性玻璃陶瓷:特性和应用。生物材料。 1991; 12(2):155-63。
19.Ventura J,Tulyaganov D,Agathopoulos S,Ferreira J.钙钛矿基玻璃的烧结和结晶–陶瓷。马特·莱特(Mater Lett)。 2006; 60(12):1488-91。
20.Gheisari H,KaramianE。用硬钙皂石增强的羟基磷灰石的制备和表征,作为组织工程学的新型生物纳米复合材料。 Nanomed J.2015; 2(2):141-52。
21.Gough JE,Jones JR,Hench LL。在多孔生物活性玻璃支架上培养的人类原代成骨细胞的结节形成和矿化。生物材料。 2004; 25(11):2039-46。