In vitro bioactivity of a glass-ceramic biomaterial with near-eutectic composition of the pseudo-binary system diopside–tricalcium phosphate

Abstract

The in vitro bioactivity of slightly hypereutectic glass-ceramics of the pseudo-binary system diopside (CMS2, CaMgSi2O6)–tricalcium phosphate [Ca3P, Ca3(PO4)2], was tested in a Simulated Body Fluid (SBF) from 7 to 21 days at pH = 7.3 and 36.5 °C. The materials were synthesized by the petrurgic method, using cooling rates of 0.5, 1 and 2 °C/h through the mushy zone. Their microstructure consisted of β-C3Pss (solid solution of CMS2 in Ca3P) primary dendrites in a matrix of CMS2–β-C3Pss lamellar eutectic phase. The dissolution of the interdendritic matrix into the SBF lead to the formation of an interconnected porous structure at the surface of the samples. Subsequently, the β-C3Pss primary dendrites were pseudomorphically converted into (Ca10−yMgy)(PO4)6−z(SiO4)z(OH)2−z (Mg and Si co-substituted hydroxyapatite, HAp). The cavities left by the dissolved matrix were then filled with HAp, and a layer of this phase was formed on the surface of the material. The rate of dissolution of the material's matrix into the SBF, the rate of precipitation of HAp from the solution, the composition of the precipitated HAp, and pH and ionic composition of the SBF during the tests, were all affected by the cooling rate used to synthesize the materials. Resumen: La bioactividad in vitro de vitrocerámicas ligeramente hipereutécticas del sistema seudobinario diópsido (CMS2, CaMgSi2O6)–fosfato tricálcico [Ca3P, Ca3(PO4)2], se probó en un fluido fisiológico simulado (FFS) por 7 a 21 días a pH = 7.3 y 36.5 °C. Los materiales sintetizados por el método petrúrgico, usando velocidades de enfriamiento de 0.5, 1 y 2 °C/h a través de la zona de transición sólido/líquido, presentaron una microestructura de dendritas primarias de β-C3Pss (solución sólida de CMS2 en Ca3P) en una matriz de fase eutéctica laminar de CMS2–β-C3Pss. La disolución de la matriz en el FFS creó una estructura porosa interconectada en la superficie de las muestras. Posteriormente, las dendritas primarias de β-C3Pss se convirtieron seudomórficamente en (Ca10−yMgy)(PO4)6−z(SiO4)z(OH)2−z (hidroxiapatita, HAp, co-sustituida con Mg y Si). Las cavidades creadas al disolverse la matriz se llenaron con HAp, y se formó una capa de esta misma fase sobre la superficie del material. Las velocidades de disolución de la matriz en el FFS y de precipitación de la HAp de la solución, la composición de la HAp precipitada, y el pH y la composición iónica del FFS durante las pruebas, fueron afectados por la velocidad de enfriamiento utilizada para sintetizar los materiales.

Keywords

• Síntesis
• Biomateriales
• Vitrocerámicas