INJECTABLE ALGINATE / DICALCIUM PHOSPHATE CEMENT COMPOSITES FOR BONE TISSUE ENGINEERING

Abstract

ABSTRACT

Biocompatible dicalcium phosphate (DCP) cement have been widely used for fixing orthopaedic implants. In this thesis, it was aimed to investigate the impact of sodium alginate (SA) addition of different amounts on microstructural, mechanical, and biological properties of DCP cement. β-Tricalcium phosphate (β-TCP) was prepared using a microwave-assisted wet precipitation method. The lattice parameters of the obtained particles determined from X-ray diffraction (XRD) patterns, were in good match with a standard phase of β-TCP. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) examination revealed that the particles were in globular shape. Furthermore, all functional groups of β-TCP were also detected in Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra. A pure phase of DCP cement was prepared using monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) / β-TCP powder mixture mixed with a calculated amount of water. SA/DCP cement composites were prepared by dissolving different amounts of SA into the liquid phase (water) to obtain different final concentrations (0.5%, 1.0%, 2.0% and 3.0%). The prepared cements were characterized with XRD, SEM, FTIR and Thermogravimetric analysis (TGA) techniques. XRD results showed that pure DCP and SA/DCP cements were in good match with Monetite phase. SEM results confirmed that addition of SA inhibited growth of DCP particles. Setting time and injectability behaviour were increased significantly upon increasing SA amount into DCP cements. In vitro biodegradation analysis was evaluated using Simulated body fluid (SBF) over 21 days at 37 ºC. The highest cumulative weight loss (%) in SBF was observed for 2.0% SA/DCP (about 26.52%) after 21 days of incubation. Amount of Ca2+ ions released in SBF increased with the addition of SA. DCP and SA/DCP cements showed the highest mechanical strength after 3 days of incubation in SBF and declined with prolonged immersion periods. In vitro cell culture studies were conducted using Dental pulp stem cells (DPSCs). Viability and morphology of cells incubated in extracts media of DCP and SA/DCP discs after 24 h incubation was studied with MTT assay and fluorescence microscopy imaging, respectively. All prepared cements were cytocompatible and viability of cells incubated in extracts of cements was higher than observed in the control group. Based on the outcomes, SA/DCP bone cements have a promising future to be used as a bone filler.

ÖZET

Biyouyumlu dikalsiyum fosfat (DCP) çimentolar ortopedik implantları sabitlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tezde farklı miktarlarda sodyum aljinat (SA) ilavesinin DCP çimentolarının mikroyapısal, mekanik ve biyolojik özellikleri üzerindeki etkisini araştırma amaçlanmıştır. Beta-trikalsiyum fosfat (β-TCP) mikrodalga destekli ıslak çökeltme yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Elde edilen parçacıkların X-ışını kırınımından (XRD) belirlenen latis parametreleri, standart bir β-TCP fazı ile iyi eşleşmiştir. Alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) incelemesi, parçacıkların küresel şeklinde olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, Fourier-dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) spektrumlarında β-TCP'nin tüm fonksiyonel grupları da tespit edilmiştir. DCP çimentosunun saf bir fazı, hesaplanan miktarda su ile karıştırılmış monokalsiyum fosfat monohidrat (MCPM) / β-TCP toz karışımı kullanılarak hazırlanmıştır. Sodyum aljinat (SA) / DCP çimento kompozitleri, farklı nihai konsantrasyonları (%0.5, %1.0, %2.0 ve %3.0) elde etmek için farklı miktarlarda SA'yı sıvı fazda (su) eriterek hazırlanmıştır. Hazırlanan çimentolar XRD, SEM, FTIR ve Termogravimetrik analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir. XRD sonuçları saf DCP ve SA/DCP çimentolarının Monetit fazı ile iyi eşleştiğini göstermiştir. SEM sonuçları, SA ilavesinin DCP partiküllerinin büyümesini inhibe ettiğini doğrulamıştır. Priz süresi ve enjekte edilebilirlik davranışı, DCP çimentolarına SA miktarının arttırılmasıyla önemli ölçüde artmıştır. In vitro biyodegradasyon, 37 °C'de 21 gün boyunca Simüle edilmiş vücut sıvısı (SBF) kullanılarak değerlendirilmiştir. SBF'de en yüksek kümülatif ağırlık kaybı (%), 21 günlük inkübasyondan sonra %2.0 SA/DCP (yaklaşık %26.52) için gözlenmiştir. SBF'de salınan Ca2+ iyonlarının miktarı, SA ilavesiyle artmıştır. DCP ve SA/DCP çimentoları SBF'de 3 günlük inkübasyondan sonra en yüksek mekanik dayanıklılığı göstermiştir ve uzun süreli daldırma periyotlarıyla azalmıştır. In vitro hücre kültürü çalışmaları dental pulpa kök hücreleri (DPSC) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. DCP ve SA/DCP disklerinin özlerinde 24 saatlik inkübasyondan sonra hücrelerin canlılığı ve morfolojisi sırasıyla MTT analizi ve floresans mikroskopi görüntüleme ile incelenmiştir. Tüm çimentolar hücre uyumluydu ve çimento özlerinde inkübe edilen hücrelerin yaşayabilirliği kontrol grubunda gözlemlenenden daha yüksekti. Sonuçlara dayanarak, SA/DCP kemik çimentolarının kemik dolgu maddesi olarak kullanılması umut verici bir geleceğe sahiptir.