Processing and in vitro bioactivity of a β-Ca3(PO4)2-CaMg(SiO3)2 ceramic with the eutectic composition

Abstract

In this study, a dense bioactive ceramic, with nominal composition (wt.%) 40 Ca3(PO4)2–60 CaMg(SiO3)2, was prepared by solid state sintering of homogeneous compacted mixtures of fine synthetic Ca3(PO4)2 and CaMg(SiO3)2 powders. The results obtained by X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy with microanalysis indicate that the ceramic composite showed a fine grained and homogeneous microstructure consisting of diopside (CaMg(SiO3)2) and whitlockite (-Ca3(PO4)2ss) grains with very small amounts of apatite. The flexural strength and elastic modulus values of the composite are similar to those of cortical human bone. Bioactivity was experimentally evaluated by examining in vitro apatite formation in simulated body fluid (SBF). In addition, a simulation of the dissolution properties of the different phases present in the material in SBF was carried out by thermodynamic calculations, with the purpose of understanding the in vitro results obtained. The experimental results demonstrated that, during soaking in SBF, the grains of whitlockite dissolved preferentially than those of diopside, leaving a porous surface layer rich in diopside. Subsequently, partial dissolution of the remaining diopside occurred and the porous surface of the ceramic became coated by a bone-like apatite layer after 7 days in SBF. This bioceramic containing -Ca3(PO4)2 and CaMg(SiO3)2 is expected to be useful to fabricate scaffolds for bone repair

En este estudio se han preparado un material cerámico denso, con una composición nominal (% en peso) de 40 Ca3(PO4) – 60 (SiO3)2, mediante sinterización en estado sólido de polvos finos de Ca3(PO4)2 y CaMg(SiO3)2 sintéticos. Los resultados obtenidos por DRX y microscopia electrónica de barrido de emisión de campo con microanálisis indican que los materiales obtenidos presentan una microestructura homogénea, con un tamano˜ de grano fino, compuesta por granos de diópsido (CaMg(SiO3)2) y whitlockita (-Ca3(PO4)2ss) junto con muy pequenas ˜ cantidades de apatita. Los valores de tensión de fractura y el módulo de elasticidad del material optimizado son similares a los del hueso humano. La bioactividad del material se ha evaluado experimentalmente estudiando la formación in vitro de apatita en suero fisiológico simulado. Con el objetivo de comprender los resultados obtenidos en los estudios in vitro se ha simulado la disolución de las diferentes fases presentes en el material en SFA mediante cálculos termodinámicos. Durante el experimento in vitro en SFA los granos de whitlockita se disuelven más rápidamente que los de diópsido lo que origina una superficie porosa rica en diópsido. Posteriormente, tiene lugar la disolución del diópsido remanente en la superficie del material de -Ca3(PO4)2-CaMg(SiO3)2 que, después de siete días en SFA, queda recubierta por una capa de apatita. Se espera que este material biocerámico de -Ca3(PO4) y CaMg(SiO3)2 sea útil para la fabricación de andamiajes para reparación ósea.