نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف

2 دانش آموخته دکترا، گروه بیومواد، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 استاد، گروه بیومواد، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22041/ijbme.2009.13394

چکیده

در این مقاله سینتیک انحلال سیمان ها و همچنین کلسیم فسفات های بی شکل در محیط اسیدی استئوکلاستی بر اساس مدل هسته و یا ذره کوچک شونده با درنظر گرفتن واکنش های مذاب- جامد به بحث گذاشته شده است. بر اساس این مدل سه مرحله نفوذ ترکیب شونده A از میان فیلم احاطه کننده، واکنش شیمیایی A با جامد در سطح واکنش و یا نفوذ از میان لایه محصول تشکیل شده روی سطح جامد می توانند کنترل کننده سرعت واکنش باشند. در سیستم مورد نظر، دو حالت به بحث گذاشته شده است: 1- مدل هسته کوچک شونده (لایه محصول تشکیل شود) 2- مدل ذره کوچک شونده (لایه محصول تشکیل نشود) از داده های عملی به دست آمده برای تحلیل مدل ها و سازوکارهای مطرح استفاده شد. بررسی ها نشان داد که در اثر انحلال کلسیم فسفات های آپاتیتی، مقادیر زیادی کلسیم در همان لحظات اولیه وارد محلول می شود. حضور کلسیم در محلول سبب می شود تا در مراحل اولیه انحلال، فیلم تشکیل شده روی ذرات حاوی کلسیم در مقادیر زیاد باشد. در صورت حضور کربنات در ترکیب ماده، به دلیل ورود کربنات به محلول امکان تشکیل کمپلکس کلسیم- کربنات وجود خواهد داشت. در نتیجه میزان غلظت اشباع کلسیم به صورت چشمگیری کاهش می یابد. در مواد کریستالین در دوره های زمانی اولیه، کلسیم وارد شده به محلول در اثر انحلال نمونه در مقایسه با مواد بی شکل کمتر است در نتیجه طول دوره زمانی اولیه در این گونه مواد تا اندازه ای کوتاه تر از مواد بی شکل فاقد کربنات (مثل H1T) است. بر این اساس پیش بینی شده است که رفتار سیمان ها که یک نوع ماده نسبتا بلورین اما حاوی کربنات هستند؛ مابین ترکیبات بلورین فاقد کربنات و انواع بی شکل کربناتی باشد. نتایج حاصل نشان داد که سینتیک انحلال سیمان های توسعه یافته و همچنین کلسیم فسفات های بی شکل در محیط اسیدی استئوکلاستی از دو مدل ذره کوچک شونده (در زمان های ابتدایی) و مدل هسته کوچک شونده پیروی می کند هر چند که مرحله تعیین کننده سرعت، نفوذ از لایه محصول است. لایه محصول می تواند یک نوع کلسیم فسفات بی شکل مقاوم در برابر اسید و/ یا DCPD باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Dissolution Kinetics Of Amorphous Calcium Phosphate In The Simulated Osteoclastic Medium

نویسندگان [English]

  • Ali Nemati 1
  • Abdorreza Sheikh Mehdi Mesgar 2
  • Fathollah Moztarzadeh 3

1 Associate Professor, Materials Science and Engineering School, Sharif University of Technology

2 Graduated PhD, Biomaterial Group, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology

3 Professor, Biomaterial Group, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology

چکیده [English]

In this paper, dissolution kinetics of Amorphous Calcium Phosphate as well as cements in the Simulated Osteoclastic Medium (SOM) was evaluated based on the Shrinking Core models considering the liquid-solid reactions. Based on this model, three steps may be considered as controlling steps in the system: diffusion of component A through the surrounding films, reaction of component A with solid on the surface and diffusion through the interface. Two cases were considered here: 1. Shrinking Core model with formation of the intermediate phase 2. Shrinking Core model without formation of the intermediate phase Then, experimental data were used for the evaluation of the controlling steps and its mechanism (s). The results showed that enough amounts of calcium were entered into the solution in the initial stage of the process. This in turn causes to form a film on the particles, and the potential of calcium carbonate complex, resulted in the reduction of calcium saturation in the system. The amounts of entered calcium into the solution were higher in the amorphous system. In other words, a longer time is required in the crystalline system for more entrance of calcium into the solution (as in the sample H1T). Based on these observations, it was concluded that the approximately crystalline cements with carbonate falls between the crystalline cements without carbonate and amorphous system (The amounts of entered calcium into the solution). Dissolution rate of ACCPs in the Simulated Osteoclastic Medium (SOM) was dependent on the contents of carbonate and remaining water. Dissolution behavior in the SOM showed that the behavior of ACCP (high carbonate)–DCPD–PHA–Gelatin system was comparable to the ACCP (low carbonate)-DCPD. The presence of PHA and gelatin in cement system decreased the dissolution rate. The dissolution kinetics of the cements and ACCPs in the SOM was likely controlled by the formation of an acid-resisting ACP and/or DCPD as product layer.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Kinetics
  • Amorphous Calcium Phosphate
  • Shrinking Core Model
  • diffusion

[1]     Yaszemski M.J., Payne R.G., Hayes W.C., Langer R., Mikos A.G., Evolution of bone transplantation: molecular, cellular and tissue strategies to engineer human bone; Biomaterials, 1996; 17: 175-185.

[2]     Chow L.C., Takagi S., A natural bone cement- A laboratory novelty led to the development of revolutionary new biomaterials; J of Res of Nat Ins of Standards and Tech, 2001; 106: 1029-1033.

[3]     Fernandez E., Ghl F.J., Best S.M., Ginebra M.P., Driessens F.C.M., Planell J.A., Improvement of the mechanical preparation of new calcium phosphate cements in the CaHPO4-α-Ca3(PO4)2 system: compressive strength and microstructural development; J Biomed Mater Res, 1998; 41: 560-567.

[4]     Khairoun I., Driessens F.C.M., Boltong M.G., Planell J.A., Effect of calcium carbonate on the compliance of an apatitic calcium phosphate bone cement; Biomaterials, 1997; 18: 1535-39.

[5]     Ooms E.M., Egglezos E.A., Wolke J.G.C., Jansen J.A., Soft-tissue response to injectable calcium phosphate cements; Biomaterials, 2003; 24: 749-757.

[6]     Apelt D., Theiss F., El-Warrak A.O., Zlinszky K., Bohner M., Matter S., In vivo behavior of three different injectable hydraulic calcium phosphate cements; Biomaterials, 2004; 25: 1439-1451.

[7]     Pittet C., Lamitre J., Mechanical characterization of brushite cements: a Mohr circles approach; J Biomed Mater Res (Appl Biomater), 2000; 53: 769-80.

[8]     Missen R. W. and Mims C. A., Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics, John Wiley & Sons, Inc, New York, PP. 224-236, 1999.

[9]     Szekely J., Evans J. W.and Sohn H. Y., Gas-Solid Reactions, Academic Press, Inc. New York, 1976.

[10] Mazet N.and Spinner B., Modeling of Gas-Solid Reactions 2. Porous Solids, International Chemical Engineering, 1992; 32 (3): 395.

[11] Levenspiel O., Chemical Reaction Engineering, 2nd Ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1972.

[12] Li X., Ph. D. Thesis, Decarbonization of Resin-Bonded Magnesia – Graphite Composite Refractories Universite De Montreal, Ecole, Polytechnique, 1993.

[13] Levenspiel O., Chemical Reaction Engineering; John Wiley & Sons, 1999; 566-586.

[14] Nemati Z. A, Sadrnezhaad S.K., Hashem B. i, and Moghimi Z.A., Kinetic Parameters Estimation of MgO-C Refractory by Shrinking Core Model, J. Mater. Sci. Technol., 2006; 22(6): 826-832.

[15] Mehdi Mesgar A. Sh., Ph. D. Thesis, Synthesis and Properties Evaluation of Cements in the System of Amorphous Calcium Phosphate - Dicalcium Phosphate Dihydrate for Hard Tissue Engineering Applications, AmirKabir University of Technology, 2005.

[16] Thomann J.M., Voegel J.C., Gramain P., Kinetics of dissolution of calcium hydroxyapatite powder: pHand sample conditioning effects; Calcif Tisse Int, 1990; 46(2): 121-129.

[17] Fulmer M.T., Ison I.C., Hankermayer C.R., Constantz R., Ross J., Measurement of the solubilities and dissolution rates of several hydroxyapatites; Biomaterials, 2002; 23: 751-755.