curs 3 - mc coll-ha

Upload: aylyn87

Post on 02-Jun-2018

263 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    1/87

    Materiale compozite pentru medicina

    Materiale compozite de tip polimer-ceramic

    Sl.dr.ing. Anton FICAI

    Universitatea POLITEHNICA din BucurestiFacultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor

    Catedra Stiinta si Ingineria Materialelor Oxidice si Nanomateriale

    2011-2012

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    2/87

    Structura modulului

    Materiale compozite de tip colagen/HA

    1. Noiuni introductive despre colagen si fosfaii de calciu (cuprecdere hidroxiapatita);

    2. Metode de obinere a colagenului si a HA;3. Selectarea metodelor adecvate pentru obinerea

    materialelor compozite si caracterizarea materialelorcompozite;4. Influenta rutelor de procesare asupra materialului

    compozit rezultat;

    5. Influenta speciilor chimice asupra materialului compozitrezultat (Mg2+, F-, CO32-, hidrolizat de colagen, etc);6. Poteniale aplicaii ale acestora - Funcionalitatea

    materialelor compozite).

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    3/87

    Colagen

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    4/87

    Compoziia colagenului

    Colagenul are la baza o compoziie si secvena neobinuita de

    aminoacizi Glicina (Gly) se repeta la fiecare ~3 grupri de aminoacizi Prolina (Pro) ~ 9% din molecula colagenului 2 Aminoacizi necaracteristici, care nu sunt rezultatul

    procesului de translaie ci, se obin in etapa post-translaieprin aciunea a doua enzime care funcioneazdrept oxidazesi necesita vitamina C drept cofactor Hidroxiprolina (Hyp), rezultat prin oxidarea prolinei.

    Hidroxilisina (Hyl), rezultat prin oxidarea lisinei (Lys).

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    5/87

    Formarea COLAGENULUI tip IMajoritatea tipurilor de colagen se formeazin acelai fel; in cazul colagenuluitip I etapele principale sunt: Intracelular

    Doua tipuri de catene peptidice se formeaz in procesul de translaiepe ribozomi de-a lungul reticulului endoplsmatic rugos (ROR), catene

    cunoscute sub denumirea de pre-procolagen Catenele polipeptidice sunt eliberate in lumenul RER. Peptidele de extensie (Signal peptides) ptrund in interiorul RER

    formnd catena pro-alfa. Hidroxilarea lisinei si prolinei are loc in interiorul lumenului RER,

    procesul fiind dependent de vitamina C (acid ascorbic = co-factor). Are loc glicozilarea specifica a hidroxilisinei. Se formeza structura triplu helix (2catene alfa1 si o catena alfa2). Procolagenul trece in aparatul Golgi unde are loc mpachetarea si apoi

    secreia acestuia prin exocitoza.

    Extracelular Se formeaztropocolagenul sub aciunea procolagen peptidazei. Moleculele de tropocolagen formeaz fibrilele de colagen prin

    intermediul unor reticulari covalente induse de lisil-oxidaza (legturilordintre hidroxilisina si lisina); mai multe fibrile => fibre

    Colagenul poate fi atasat de celulele membranare prin intermediulctorva proteine (fibronectina, integrinele).

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    6/87

    Reticul endoplasmatic rugosReticul edoplasmatic RE este locul translaiei genei i mijlocul detransport al proteinelor ce urmeaz s devinparte din membrana celular (de exemplureceptori transmembranari) sau care urmeaz sfie secretate prin exocitoz (de ex. enzime

    digestive, neurotransmitori, colagen, etc.). RE este format dintr-o reea de tuburi i cisterne.RE este acoperit n parte de ribozomi (careproduc proteine din aminoacizi, bazat pe codulgenetic) = RE rugos. Prile fr ribozomi senumesc reticul endoplasmatic neted. Ribozomii

    transfer proteinele gata produse n RE laaparatul Golgi.Reticul endoplasmatic rugos RE rugos produce i transport proteinele.Acesta este acoperit de ribozomi care l fac sarate "rugos". Re rugos se ntlneste n maimulte celule, de exemplu n celulele dinpancreas, care sunt implicate n secreia deinsulinn circuitul sanguin.

    n plus, RE rugos este i un productor demembrane, deoarece nglobeaz proteinelemembranare n structura sa, iar cnd este nevoiede ele le transfera. Acest organit modificproteinele.

    1. nucleu 2. por nuclear 3. RER 4.RE neted5. ribozom aflat pe RER 6.proteine transportate 7. vezicule detransport 8. aparat Golgi 9. faa Cisa aparatului Golgi 10. faa Trans al

    aparatului Golgi 11. cisterneleaparatului Golgi

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    7/87

    Biosinteza colagenului: faza intracelular

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    8/87

    Biosinteza colagenului: faza extracelulara

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    9/87

    Actiunea lisil-oxidazei si formareareticularilor transversale dintre

    moleculele de tropocolagen

    Fibrilogeneza/reticularea covalenta

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    10/87

    Descoperirea tipurilor de colagen

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    11/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    12/87

    colagen fibrilar (I, II, III, V i XI)constituie structuraproteicde bazdin esuturi (piele, tendon, cartilaj, os)i scheletul de susinere din diverse organe (plmni,ficat etc.)

    Tipurile de colagen IV, VIII i X formeazstructuricuaternaresub form de reea plas, respectivmembrane bazale

    Clasa colagenilor asociat fibrilelor - FACIT (IX, XII,XIV, XVI, XIX) au triplu helix ntrerupt

    Fibrile de ancorare (VII)

    Proteine cu domenii colagene

    Clasificare

    Tipurile decolagen

    apte clase, nfuncie de

    asemnareacaracteristicilorstructurale i de

    schimburilecuaternare,

    polimericepecare le

    formeaz.

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    13/87

    Caracteristicile de baza ale

    principalelor tipuri de COLAGEN

    Rezistena lasolicitrimecanice

    Interaciunislabe,numaicudermatansulfat

    Fibroblaste,osteoblaste,ondoblaste,condroblaste

    mpachetare dens,fibrilesubiri cuvariaiemare dediametru

    mpachetareneargentofilic,birefringenputernic,fibre galbenesau roii, fibrecolagenice

    Derm,oase,tendoane,dentin,scler,cartilagii,fibrefasciale

    [(1(I)]2

    2(I))

    I

    FuncieInterac

    iuni

    Localizar

    ea

    biosintezei

    Ultrastruc

    tura

    Caracteristic

    i

    microscopice

    Apartene

    na la

    esuturi

    Forma

    mole-

    cular

    Tip

    ul

    decola

    gen

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    14/87

    Rezistenalapresiuneintermitent

    Interaciuniputernice,

    n specialcucondroitinsulfat

    Condroblaste

    Nu seformeazfibre, fibrilefoarte fineincluse nsubstanainterfibrilar

    Reeacolagenic,vizibilnumai nluminpolarizat

    Cartilagiihialine ielastice,trahee

    [1(II)]3II

    Func

    ie

    Interaciu

    ni

    Local

    izarea

    biosintezei

    Ultrastruct

    ura

    Caracteristi

    ci

    microscopice

    Aparten

    ena la

    esuturi

    Forma

    mole-

    cular

    Tip

    ul

    decola

    gen

    Caracteristicile de baza ale

    principalelor tipuri de COLAGEN

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    15/87

    Pstrareastructuriiorganelor nexpansiune

    Niveldeinteraciuneintermediar,cuheparinsulfat

    Fibroblaste, celulemusculare, celulereticulareiSchwan,hepatocite

    mpachetri defibrile finecudiametreuniforme

    Reea laxsau slabargentofilic,birefringenredus,fibre verzui,fibrereticulare

    Muchinetedendoneurium, artere,uter, ficat,splina,rinichi,plmn

    [1(III)]3III

    Funci

    e

    Intera

    ciuni

    Localiza

    rea

    biosintezei

    Ultrastru

    ctura

    Caracterist

    ici

    microscopice

    Apartenen

    a la

    esuturi

    Forma

    mole-

    cular

    Tip

    ul

    decola

    gen

    Caracteristicile de baza ale

    principalelor tipuri de COLAGEN

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    16/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    17/87

    Dateinsuficiente

    Dateinsuficiente

    Dateinsuficiente

    Dateinsuficiente

    Dateinsuficiente

    Placent,membranebazale

    [(1(V)]

    2

    2

    (V)sau

    (1A)3si

    (1B)3

    V

    Func

    ie

    Intera

    ciuni

    Localiz

    area

    biosintezei

    Ultrastru

    ctura

    Caracterist

    ici

    microscopice

    Apartenen

    a la

    esuturi

    Forma

    mole-

    cular

    Tip

    ul

    decola

    gen

    Caracteristicile de baza ale

    principalelor tipuri de COLAGEN

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    18/87

    Date

    insuficiente

    Date

    insuficiente

    Date

    insuficiente

    Filamente

    , microfibre

    Date

    insuficiente

    Cornee,

    placent

    1(VI)2

    (VI)3(VI)

    VI

    FuncieInteraci

    uni

    Localiza

    rea

    biosintezei

    Ultrastru

    ctura

    Caracteris

    tici

    microscopice

    Aparten

    ena la

    esuturi

    Forma

    mole-

    cular

    Tipu

    l de

    colagen

    Caracteristicile de baza ale

    principalelor tipuri de COLAGEN

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    19/87

    Metode deobinere

    a colagenului

    Derma pieii de viel

    Decalcifiere,

    exces de ap, 6% sulfat de amoniu, 30 oC, 2 ore

    Tratament enzimatic:1,2% Tripsin; 30oC, 1 or

    Neutralizare i splare

    Reglare pH ==== 3

    Tratament enzimatic:0,2% pepsin, 28-30oC, 12 ore

    Inactivare enzimPrecipitare cu NaCl 1%

    Dializ/ tampon fosfat pH ==== 7,2

    Solubilizare n mediu acid

    20o

    C, 3% HCl

    Omogenizare

    Maturare ++++ 4oC

    Gel de colagen atelopeptidic

    Colagenul se obine prin extracie

    chimico-enzimatica din:-Placenta (inclusiv umana)-Piele bovina, porcina-Pete

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    20/87

    Forme colagenice comerciale Geluri de colagen

    Matrici de colagen

    Fibre de colagen

    Solubile

    insolubile

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    21/87

    Fosfaii de calciu

    Caracteristici generale ale fosfailor de calciu

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    22/87

    Hidroxiapatita

    Hidroxiapatita nanometricaa fost sintetizata pentruprima data in 1995

    Ca10(PO4)6(OH)2

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    23/87

    Proprietile mecanice ale HA si ale osului

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    24/87

    Rute de sinteza a HA Metoda precipitrii (calea umeda)

    Metoda hidrotermala si sinteza in camp de microunde

    Metoda ultrasonarii

    Sol-gel

    Pirosol Metoda microemulsiei Electrodepunere, Metoda imprentarii 3D

    .

    10Ca(OH)2 +6H3PO4 => Ca10(PO4)3(OH)2+18H2O5Ca(NO3)2.H2O + 3(NH4)H2PO4 =>Ca5(PO4)3OH + 3NH4NO3+ 7HNO3

    AmestecareT= 90 120 0C

    Gelificare

    Uscare in aerT=340 0C

    Tratament termic

    T=800 0C

    Compozitiapulberii:

    HA: 81 85 %, -TCP:10 14 %, CaO: 4 5 %

    Suspensie in apa

    Ca/P=1,67

    Uscare in aer T=120 0C

    Hidroxiapatita pulbere

    Prepararea solutiei

    amoniacale, C/P > 1,67

    Ca(NO3)2.4H2O

    (NH4)2HPO4

    EDTA

    Uree

    (NH4)2HPO4

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    25/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    26/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    27/87

    MineralizareMineralizare in vitroin vitroa colagenuluia colagenului

    t=37400CpH=89Ca/P

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    28/87

    Mineralizarea enzimatica a colagenuluiMineralizarea enzimatica a colagenului

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    29/87

    Asamblare declanAsamblare declanatat termictermic

    Injectarea precursorilorcompozitului (suspensia acid

    de colagen, ce conine ionii deCa2+ i fosfat ncapsulai nlipozomi) n defectul osos.

    Dup injectare, temperatura

    crete i ncepe procesul degelifiere cu formarea reeleifibroase de colagen.

    La temperatura corpului uman(370C) = temperatura detranziie a lipozomilor, ioniifosfat i Ca2+ sunt eliberai incepe procesul demineralizare.

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    30/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    31/87

    Mineralizarea structurilor colagenice

    Osteosintezanaturala Metoda mineralizarii in vitro

    Ca2+ Colagen

    Depunere Ca2+

    Nucleerea HApH = 910, t = 3537 0C

    Cresterea particulelor de HA

    Fosfat

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    32/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    33/87

    Caracterizare: IR

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    34/87

    Caracterizare: SEM

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    35/87

    Caracterizare: XRD

    Caracterizarea compozitelor COL/HA obtinute prin mineralizarea fibrelor decolagen raportat la difractograma osului natural

    10 20 30 40 50 60 70

    I

    (CPS)

    B

    2Theta

    A

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    36/87

    Obtinerea compozitelor COL/HAprin mineralizarea matricilor colagenice

    Obinere: Matrici de colagen

    Suspensie Ca(OH)2

    Soluie NaH2PO4 Temperatura 3335 0C

    pH-ul etapei de precipitare 9 9.50

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    37/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    38/87

    Caracterizarea matricilor de colagen

    ABSORBTIA DE VAPORI DE APA

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    0 10 20 30 40 50timp, h

    %d

    eaparetinu

    t

    1SO

    2SO

    3SO

    4SO

    5SO

    6SO

    7SO

    umiditatea relativa a matricilor

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    1 2 3 4 5 6 7

    matricea

    continutulde

    hidrolizat,%

    12

    12.5

    13

    13.5

    14

    14.5

    umiditatea,

    %

    % HIDROLIZAT

    Umiditatea, %, conform

    STAS 8574-92

    absorbtia de apa (24h)

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    1 2 3 4 5 6 7

    matricea

    continutulde

    hidrolizat

    1000

    1200

    1400

    1600

    18002000

    2200

    absorbtiadeapa

    % HIDROLIZAT

    Absorbtia de apa dupa 24h,

    %

    permeabilitatea

    0

    10

    20

    30

    40

    5060

    70

    1 2 3 4 5 6 7

    matricea

    continutdehidroliz

    at

    800

    850

    900

    950

    permeabilitatea

    % HIDROLIZAT

    Permeabilitatea la vapori de apa, mg/24h

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    39/87

    Caracterizare SEM

    1SO 3SO

    5SO 6SO

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    40/87

    Caracterizare SEM

    (SO7 mineralizat)

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    41/87

    Mineralizarea matricilor prin procedeul LbL

    Reprezentarea schematicaa procesului de minera-

    lizare prin procedeul LbL.

    A.FICAI, E. ANDRONESCU, et all:Material Science and Engineering

    C; 2009; 29(7): 2217-2220

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    42/87

    XRD

    10 20 30 40 50 60 70

    I(C

    PS)

    2Theta

    line - obtained COLL/HA composite

    column - HA (ASTM 74-5066)Difractogramele deraze X nregistratepentru compozitul

    COLL/HA sirespectiv a HApure, conformASTM 74-5066

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    43/87

    SEM

    Imaginile SEM inregistrate pentru compozitele COLL/HAcu 1,3,5, straturi de HA depuse

    LbL5; 3500x

    LbL5; 1000x

    LbL3; 1000x

    LbL1; 1000x

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    44/87

    FTIR

    Spectrele FT-IR ale matricii colagenice si respectiv a matricilor

    mineralizate cu 1 sau 3 straturi.

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    45/87

    Analiza termogravimetrica

    0 200 400 600 800 1000-100

    -50

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    LbL3LbL5

    LbL8DTA,

    uV

    T, 0C100 200 300 400 500 600 700

    2025

    3035404550556065

    707580859095

    100

    -0.0025

    -0.0020

    -0.0015

    -0.0010

    -0.0005

    0.0000

    TG,%

    t, 0C

    TG LbL8

    TG LbL5

    TG LbL3

    DrTG LbL8

    DrTG LbL5

    DrTG LbL3

    Analiza ATD-TG inregistrate pentru compozitele COLL/HA cu

    3, 5, 8 straturi

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    46/87

    Analiza (termo)gravimetricay = 4.6529x + 15.458

    R2= 0.9857

    20

    30

    40

    50

    1 2 3 4 5 6 7 8numar de perechi deimersii

    ontn

    ut

    e

    valori obtinute prin analiza termogravimetrica

    valori obtinute prin masuratori gravimetrice

    Variatia continutului de HA depus functie de numarul de straturi depuse

    Mineralizarea biomimetica a

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    47/87

    Mineralizarea biomimetica a

    matricilor colageniceConcentraia ionilor din SBF i plasma umana

    Ionii Concentraia ionilor

    SBF Plasma uman

    Na+ 142 142

    K+ 5 5

    Mg

    2+

    1.5 1.5Ca2+ 2.5 2.5

    Cl- 120 103

    HCO3- 27 27

    HPO42- 2.27 1.0

    SO42- 0.5 0.5

    Anton FICAI, Ecaterina ANDRONESCU, Georgeta VOICU, Madalina Georgiana ALBU,

    Andreia ILIE; Biomimetically synthesis of collagen/hydroxyapatite compositematerials; Mat. Plast. 2010; 47(1); xxx

    Metode de caracterizare SEM

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    48/87

    Metode de caracterizare SEM

    SEM 1h, n SBF SEM 4h, n SBF

    SEM 24h, n SBF SEM 48h, n SBF

    SEM 72h, n SBF

    SEM 72h n

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    49/87

    SEM 72h, n

    SBF

    Ci ti ti i d d

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    50/87

    Cinetica reactiei de depunere

    0 100 200 300 400 500

    16

    17

    18

    19

    20

    21

    22

    23

    24

    cinetica exponentiala de ordinul 2

    Ecuatia: y = -4.74199*e(-x/5.5971)

    -2.76423*e(-x/94.6822)+23.19779

    R2= 0.99721

    Continutul

    deHA,

    %

    timp, min

    Materiale compozite hibride COLL-PVA/HA

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    51/87

    Materiale compozite hibride COLL PVA/HA

    cu morfologie stratificataSinteza materialelor hibride Gel de colagen 2,41% (tip I, M=350 kDa)

    Soluie PVA 5% (M=130 kDa, grad de polimerizare=2700, grad de hidroliza 86.788.7 mol%) HA obinut in situu prin coprecipitare pornind de la

    Ca(OH)2 si NaH2PO4

    COLL-PVA 1:2 L si COLL-PVA 1:2 ACOLL-PVA/HA 1:2:3 L si COLL-PVA/HA 1:2:3 AL - liofilizate si A - uscate in atmosfera controlata

    [1] M. FICAI, E. ANDRONESCU, D. FICAI, G. VOICU, A. FICAI;Colloids and Surfaces B: Biointerfaces;2010:81(2): 614-619 (ISI2009 = 2.6)

    Caracterizare XRD

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    52/87

    Caracterizare - XRD

    Difractogramele de

    raze X aferentematerialelor hibridede tip COLLPVA 1:2si respectiv amaterialelor

    compozite de tipCOLLPVA/HA 1:2:3

    Grad de cristalinitate ~29%pentru COLLPVA/HA 1:2:3.

    Caracterizare FTIR

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    53/87

    Caracterizare - FTIR

    Spectrele FTIR ale materialelor hibride COLLPVA 1:2 si respectiv ale materialelorcompozite COLLPVA/HA 1:2:3

    HA

    Caracterizare SEM

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    54/87

    Caracterizare - SEM

    Imaginile SEM caracteristice materialelor hibride COLLPVA 1:2 si

    materialelor compozite COLLPVA/HA 1:2:3

    Caracterizare proprieti ceramice si

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    55/87

    90,0

    19,0

    78,913,0

    92,7

    19,3

    79,213,7

    0,1

    0,75

    0,440,88

    COLL-PVA 1:2 L

    COLL-PVA 1:2 A

    COLL-PVA/HA 1:2:3 LCOLL-PVA/HA 1:2:3 A

    Absorbtia de

    xilen %

    Porozitate

    %

    Densitate

    g/cm3Tip de material

    Proprietatile ceramice ale materialelor hibride COLLPVA 1:2 si materialelorcompozite COLLPVA/HA 1:2:3

    p p

    mecanice

    Rezistenta mecanica la compresiune este cu ~ 20-30% mai mare in cazulmaterialelor compozite COLLPVA/HA decat in cazul materialelor compozite

    COLL/HA, obtinute in conditii similare

    Materiale compozite COLL/HA cu

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    56/87

    Etapele sintezeimaterialelor compozite

    COLL/HA cuporozitate predefinitaindusa de ruta deprocesare (uscare)

    p

    porozitate predefinita

    Caracterizare - XRD

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    57/87

    Caracterizare XRD

    Spectrele FTIR nregistrate pentru materialele compozite COLL/HA 1:1

    obinute prin uscare controlata (0, 30, 48h)

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    58/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    59/87

    Caracterizare - proprietatile ceramice

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    60/87

    Proprietile ceramice ale materialelor compozite COLL/HA obinute prin

    uscare controlata

    p p

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    61/87

    Orientare in cmp magnetic

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    62/87

    Orientare in cmp magnetic

    1. 1 mL gel de colagen (3mg/mL) + 390 l CaCl2 (0.1 M) => pH acid;t=40C

    2. 330 l NaCl soluie, 480 l soluie tris(hidroximetil)aminometan[C4H11NO3] (0.5 M), 46.8 l KH2PO4/K2HPO4 (0.5 M, pH 7.4) si1.753 ml H2O; t=40C

    1+2 => COLL/HA

    Susceptibilitatea magnetica pe cele trei direcii difer: c>a,b =>orientare prefereniala de-a lungul axei c

    Wu CY, Sassa K, Iwai K, Asai S. Unidirectionally oriented hydroxyapatite/collagen composite fabricated by using a high magnetic field. Materials

    Letters 2007;61(7):1567-1571.

    Reprezentarea schematica a procesului

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    63/87

    de orientare in cmp magnetic

    Caracterizare microscopie de

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    64/87

    contrast de faza

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    65/87

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    66/87

    Structuri orientate obinute prin

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    67/87

    p

    aplicarea cmpurilor electrice

    Mod de lucru- pH = 9- t = 37 0C- Cmpuri electrice variabile:

    - forme variabile

    - intensitati variabile

    Ficai A, Andronescu E, Trandafir V, Ghitulica C, Voicu G (2010) Collagen/hydroxyapatite

    composite obtained by electric field orientation. Materials Letters;64: 541-4.

    Analiza XRD

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    68/87

    Analiza XRD

    Difractogramele de raze X inregistrate pentru compozitele COLL/HA obtinute:

    a) in prezenta si respectiv b) in absenta campului electric pulsator de 0,93V/cm

    FTIR

    a)30

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    69/87

    564.6

    604.2

    103

    2.6

    1420.9

    1457.3

    15

    07.0

    1541.6

    1652.7

    344

    5.6

    a)

    b)

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    1.4

    1.6

    1.8

    2.0

    2.2

    2.4

    2.6

    2.8

    3.0

    Absorbance

    1000200030004000

    Wavenumbers (cm-1)

    Spectrele IR inregistrate pentru compozitele COLL/HA obtinute:

    a) in prezenta si respectiv b) in absenta campului electric pulsator de 0,93V/cm

    Microscopie electronica de baleiajb

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    70/87

    a

    b2

    b1

    c

    Imagini SEM reprezentative pentru compozitele obtinute: a) in absenta campului electric;

    b) in prezenta campului electric pulsator; c) in prezenta canpului electric compus

    Obinerea compozitelor COL/HA

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    71/87

    prin autoasamblare Obinere:

    Gel de colagen AICT (3,21 %) Suspensie Ca(OH)2 Soluie NaH2PO4

    Temperatura 3335 0C pH-ul etapei de precipitare 9 9.50

    Ficai A, Andronescu E, Voicu G, Ghitulica C, Vasile BS, Ficai D, et al. (2010) Selfassembled collagen/ hydroxyapatite composite materials. Chemical EngineeringJournal;160: 794-800.

    Procesul de

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    72/87

    autoasamblare

    Reprezentarea schematica procesului de autoasamblare indus

    de pH, sub control termodinamic,n soluie apoas

    Caracterizare:XRD

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    73/87

    Caracterizare: SEM

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    74/87

    Dfibra

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    75/87

    Imagine TEM a materialului compozit COL/HA obinut prin autoasamblareinsertul corespunde difractiei de electroni pe suprafaselectat

    Imagine HRTEM a materialului compozit

    COL/HA obinut prin autoasamblare

    Caracterizare: ATDTG

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    76/87

    0 100 200 300 400 500 600 700 800-50

    0

    50

    100

    150

    200

    70

    72

    74

    76

    78

    80

    82

    84

    86

    88

    9092

    94

    96

    98

    100

    -0.0040

    -0.0035

    -0.0030

    -0.0025

    -0.0020

    -0.0015

    -0.0010

    -0.0005

    0.0000

    0.0005

    DTA(uV)

    t,

    0

    C

    ATG

    DrATG

    Analiza termica a compozitului pe baza decolagen si hidroxiapatita obinut autoasamblare

    Curba DSC nregistrata pentru un oscranian uman tanar (S-Bone) si respectivpentru un os radial uman adult (R-Bone)

    Curba termogravimetrica nregistrate

    pentru cele doua tipuri de oase R si S

    Cuantificarea gradului de orientare

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    77/87

    22 2 2N

    i=1

    + + 100D (%)=

    N 90

    - D este deviaia medie a fibrelor de la unidirecionalitate,

    -GO este gradul de orientare, %-N este numrul de fibre,-100/90 reprezintun factor de corecie pentru a se obine deviaia medie n procente,iar , i sunt unghiurile de deviere ale fiecrei fibre, pe cele trei direcii

    -dac 90 < `, ` sau ` 180 atunci , sau = 180 - `, ` sau `;-dac 180 < `, ` sau ` 270 atunci , sau = `, ` sau ` -270;-dac 270 < `, ` sau ` 360 atunci , sau = `, ` sau ` -360;-dac 0 < `, ` sau ` 90 atunci , sau = `, ` sau `.

    02

    46

    810

    2

    4

    6

    8

    10

    0

    2

    46

    810

    Z

    Axis

    YAxisXAxis

    ,,,,

    ,,,,

    ,,,,

    D = 2,540.2%

    GO = 100-D = 97,46 0.2 %

    _

    _

    Influenta suportului de colagen si a speciilor

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    78/87

    chimice asupra MC de tip COLL/HA

    Ficai A, Andronescu E, Voicu G, Ghitulica C, Ficai D (2010) The influence ofcollagen support and ionic species on the morphology of collagen /

    hydroxyapatite composite materials. Materials Characterization;61: 402-7.

    COLL (HAS)

    COLL (HAS) / HA(X)

    Precursori de HA

    (diverse specii)

    Caracterizare: XRD

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    79/87

    Difracia de raze X adiverselor MC pebaza de COLL/HA:A. COLL/HAreticulat cu GA 1%;

    B. COLL/HA(F-, 5%);C. COLL-HAS/HA siD. HA cristalin(ASTM 74-5966).

    Caracterizare: SEM

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    80/87

    Imagini SEM caracteristiceMCCOLL/HA:

    A. COLL-HAS/HA (5% HAS); B.COLL-HAS/HA (70% HAS); C.COLL/HA (5% F-); D. COLL/HA; E,F. COLL/HA (in prezenta de 2%citrat).

    Caracterizare: EDS

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    81/87

    Spectrele EDS a) intr-o zona lipsita de formaiuni aciculare si b) intr-o zona aciculara

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    82/87

    CONCLUZII - influenta formei suportului

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    83/87

    colagenicasupra porozitii compozitului

    CONCLUZII influena concentraiei

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    84/87

    gelului si a modului de uscare

    CONCLUZII porozimetrie

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    85/87

    39.8663.760.923723.07.07

    96.5297.620.03387SO

    Matrici

    nemineralizate

    96.3897.680.03526SO

    14.7634.931.9370Comp/09.07.07

    ObservationsAbs.(%)Poroz.(%)Dens.(%)Name

    13.0427.281.74562/25.07.08

    8.4018.961.98493/09.09.08

    8.6115.781.60791/17.07.07

    15.3437.992.01251/05.05.08

    Compozite obtinute

    pornind de la geluri

    de colagen

    1.103.773.26773A

    73.5782.060.2831MII/11.09.08

    76.5185.540.2521M8/11.09.08

    79.8486.890.2106M5/11.09.08Matrici mineralizate

    79.7286.760.2119M3/11.09.08

    Cum se pot induce anumite proprieti?!

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    86/87

    Proprietile MC COLL/HA

    Ruta de procesare- Metoda de uscare (liofilizare sauuscare controlata in aer);

    - Concentraia suportului colagenic;

    - Centrifugarea.

    Compoziia chimica-Raportul COLL/HA;

    -Coninutul de Mg, F, Cl, Fe, Zn,

    -Coninutul de hidrolizat de colagen,alcool polivinilic, .

  • 8/11/2019 curs 3 - MC COLL-HA

    87/87

    Va multumesc pentru atentie