Investigation of the effect of laser irradiation on surface structure of ceramic materials
Creators: name: Beketova, Anastasia
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Βιοκεραμικά υλικά
Βιοενεργότητα
Laser
Yδροξυαπατίτης
Bioceramic materials
Biactivity
Hydroxyapatite

description: Σκόπος: Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν η διερεύνηση των βέλτιστων συνθηκών ακτινοβόλησης με λέιζερ δύο σύνθετων βιοκεραμικών υλικών, των BP80 και BP67 συστημάτων οδοντιατρικής πορσελάνης (P) και βιοενεργού υάλου (B), για την επιτάχυνση σχηματισμού υδροξυαπατίτη (HA) στην επιφάνια αυτών, καθώς και την αξιολόγηση των κυτταρικών αποκρίσεών τους στην περιοχή του ΗΑ.Υλικά και Μέθοδοι: Τα σύνθετα υλικά BP80 (Β: 20%, P: 80%) και BP67 (Β: 33,3%, Ρ: 66,7%) κατασκευάστηκαν με την μέθοδο sol-gel, και αξιολογήθηκαν η σύνθεσή τους και η ικανότητά αυτών για το σχηματισμό απατίτη. Η μέθοδος LAB (Laser Assisted Biomimetic) εφαρμόστηκε και στα δύο υλικά. Η επίδραση των διαφόρων ενεργειακών πυκνότητων ακτινοβολίας και χρόνου έκθεσης αξιολογήθηκαν για την ανάπτυξη του ΗΑ. Το ληφθέν φιλμ του ΗΑ χαρακτηρίστηκε με τις τεχνικές FTIR, XRD, SEM και micro Raman. Επιπλέον, η φασματοσκοπία ICP-AES χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση αλλαγών στη χημική σύνθεση του βιομιμητικού διαλύματος κατά τη διάρκεια της ακτινοβόλησης. Η βιωσιμότητα καθώς και τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των περιοδοντικών ινοβλαστών PDLFs, των ουλικών ινοβλαστών HGFs και των οστεοβλαστών SAOS-2 στην επιφάνεια ΗΑ αξιολογήθηκαν με την δοκιμασία ΜΤΤ και με ηλεκτρονική μικροσκοπία SEM. Αποτελέσματα και Συζήτηση: Η ακτινοβόληση με λέιζερ του σύνθετου υλικού BP80 υπό τις εφαρμοζόμενες συνθήκες δεν προκάλεσε την επιταχυνόμενη ανάπτυξη του ΗΑ, γεγονός το οποίο οφείλεται στη μη βιοενεργή συμπεριφορά αυτού του υλικού. Η αγωγή με λέιζερ του σύνθετου υλικού BP67 στη βέλτιστη ενεργειακή ροή των 1,52 J/cm2 και για χρόνο ακτινοβόλησης τριών ωρών, ακολουθούμενη από διατήρηση των δοκιμίων σε διάλυμα 1.5x SBF στους 60°C, είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός πυκνού στρώματος ΗΑ μέσα σε 7 ημέρες αντί για 25 ημέρες που απαιτούνται για την καθίζηση του ΗΑ σύμφωνα με τη συμβατική βιομιμητική μέθοδο (conventional biomimetic method). Ο επιταχυνόμενος σχηματισμός του υμενίου από απατίτη κατά τη διάρκεια της LAB θα μπορούσε να αποδοθεί σε αύξηση της διαλυτότητας του υλικού στη περιοχή ακτινοβόλησης με λέιζερ, και στην αύξηση της θερμικής ενέργειας των ιόντων καθώς και λόγω υπερκορεσμού του διαλύματος. Το σχηματισθέν στρώμα του ΗΑ ήταν καλά συνδεδεμένο με το υπόστρωμα και είχε χημική σύνθεση παρόμοια με αυτήν της οστεΐνης. Η δοκιμασία ΜΤΤ υπέδειξε μια σταθερή μείωση του πολλαπλασιασμού των κυττάρων επί του στρώματος του ΗΑ σε σύγκριση με τα συμβατικά κεραμικά ελέγχου και του σύνθετου υλικού BP67 και για τις τρεις κυτταρικές σειρές που μελετήθηκαν. Συμπέρασμα: Η μέθοδος LAB μπορεί να εφαρμοστεί για αύξηση της βιοενεργότητας των υλικών, τα οποία κανονικά παρουσιάζουν χαμηλή βιοενεργότητα υπό συμβατικές συνθήκες. Αυτό επιτυγχάνεται με ακριβή έλεγχο των παραμέτρων και των συνθηκών της ακτινοβόλησης με λέιζερ, ενώ οι κυτταρικές αποκρίσεις χρειάζονται περαιτέρω διερεύνηση.
description: Objectives: Aims of this study were to investigate the optimal conditions of laser irradiation of Bioactive Glass (B) /Dental Porcelain (P) BP80 a novel BP67 composites for acceleration of hydroxyapatite-HA formation and to assess cellular responses on the precipitated HA region. Materials and Methods: BP80 (B:20%, P:80%) and BP67 (B:33.3%, P:66.7%) composites were fabricated by the sol-gel method, and their composition and apatite forming ability was evaluated. Laser assisted biomimetic (LAB) process was applied to both materials. The effect of various energy densities of and irradiation exposure times were evaluated for HA precipitation. The obtained HA film was characterized by FTIR, XRD, SEM and micro Raman techniques. ICP-AES was used for revealing changes in chemical composition of the precursor liquid during irradiation. Cell viability and morphological characteristics of periodontal ligament fibroblasts-PDLFs, human gingival fibroblasts-HGFs and SAOS-2 osteoblasts on the HA surface were evaluated by MTT assays and SEM. Results and Discussion: Laser irradiation of BP80 material under the applied conditions did not cause accelerated precipitation of HA due to low bioactivity of the material. Laser treatment of BP67 at optimal energy fluence of 1.52 J/cm2 and irradiation time for 3 h followed by immersion in 1.5xSBF at 60oC, resulted in formation of a dense HA layer within 7 days instead of 25 d required for HA precipitation during conventional biomimetic process. The accelerated formation of HA film during LAB could be attributed to increase of material’s solubility in the laser irradiated spot, together with increase of thermodynamic energy of the ion species and supersaturation in the solution. The resulting HA film was tightly bonded to the underlying substrate and had mineral composition similar to dental cementum. MTT assay showed a consistent reduction of cell proliferation on the HA layer in comparison to conventional control ceramic and BP67 for all 3 cell lines studied. Conclusion: LAB process is potentially applicable for functionalization of materials with low bioactivity under precise control of laser irradiation parameters, while cellular responses need further investigation.