A Novel Silicate Ceramic-Magnetite Nanocomposite for Biomedical Application

Abstract

Some of the most common human bone diseases like trauma, bone cracks and tumour, have been able to provide the necessary key information required for designing scaffolds used for replacing a diseased bone. Many of the scaffolds’ properties are mainly associated with the microstructure of material’s microstructure and range of porosity, as well as the dimension of its pores and interconnectivity. Recently, bredigite (Ca7MgSi4O16), a Mg-containing ceramic, has been reported to have an inherent apatite-forming ability and chemical stability for bone tissue engineering application. Moreover, bone reconstruction significantly accelerated by employing thermal and electrical currents in the defect area. Magnetite is a bioresorbable material that has been widely employed within the biomaterials domain; also, it has been used in cancer therapy techniques such as hyperthermia treatment behavior under the temperature change and AC magnetic field. The combination of (0 wt. %, 10 wt. %, 20 wt. % and 30 wt.%) magnetite with bredigite bioceramic resulted in the fabrication of nanocomposite material. Three-dimensional printing (3DP), as a common rapid prototyping technique, can fabricate complex scaffolds structures for bone replacement as well as partake in electrical stimulation. The aim of this study is to evaluate the thermal, electrical, mechanical, biological and magnetic behavior of the bredigite-magnetite scaffold nanocomposite for possible application in bone tissue engineering. The scaffolds was successfully developed with the optimum nanocomposite magnetite content and it was observed that the porosity was increased from 63.1% to 75.9%. The properties of the bredigite-magnetite nanocomposites are: bending strength (148 MPa), fracture toughness (2.69 MPa m1/2) and Young's modulus (29 GPa) i.e. for a sample containing 30 wt.% magnetite. The compressive strength of the sample increased from 1.8 MPa to 3.6 MPa. From the results, it is observed that the higher electrical conductivity (160 μS/m) belongs to the sample with higher percentage of magnetite nanoparticles (MNPs), while the sample without MNPs powder shows the lowest amount of electrical conductivity (35 μS/m). Samples with 30 wt.% magnetite show an increase in temperature of about 25°C within 60 second, while 10 wt.% magnetite sample show an increase of 15°C in an AC magnetic field. Furthermore, the results revealed that the surface morphology and particles interface, have meaningful effects on the bioactivity and biodegradation rate. Therefore, by increasing the magnetite nanoparticles amount and Si ions, the bone-like apatite and degradation rate of the scaffold nanocomposite was enlarged considerably. The findings of this research showed that the nanocomposites with magnetite nanoparticles, have a proper electromagnetic inducements characteristics and are credible candidates for hyperthermia treatment.

ÖZ: Travma, kemik çatlakları ve tümör gibi yaygın kemik hastalıkları ve bozuklukları, doku kaybı olan kemiğin yerini doldurmak için kullanılacak yapay doku malzemesinin tasarımında gerekli temel bilgileri sağlayabilmiştir. Yapay dokunun özellikleri, içerdiği malzemenin gözenek ve mikro yapısına, gözeneklerinin ve bağlantı özelliklerinin boyutuna bağlıdır. Son zamanlarda, Magnezyum (Mg) içeren bir seramik olan Bredigite (Ca7MgSi4O16) in, doku mühendisliği uygulaması için doğal bir yapı oluşturma özelliği ve kimyasal stabilitesi olduğu rapor edilmiştir. Ayrıca, kemiğin kusurlu olan bölgesinde, termal uygulama ve elektriksel akımlar kullanılarak kemik rekonstrüksiyonunun belirgin bir şekilde hızlandığı da bildirilmiştir. Manyetit, biyomalzemeler alanında yaygın şekilde kullanılan biyolojik olarak emilebilir bir malzemedir ve hipertermi gibi kanser terapisi ve tedavisinde kullanılmaktadır. Bu doktora calışmasında, Bredigit ile Manyetit`in kombinasyonu ile nanokompozit malzeme imal edilmiştir. Yapay donukun imalatı için, üç boyutlu baskı (3DP), prototipleme tekniği olarak kullanılmıştır.Bu çalışmanın amacı, Bredigite-Manyetit yapay doku nanokompozitinin, termal, elektriksel, mekanik, biyolojik ve manyetik özelliklerini incelemek ve doku mühendisliği alanında kullanımının uygunluğunu değerlendirmektir. Bu çalışmanın özgünlüğü, geliştirilen Bredigite-Manyetit yapay doku nanokompozitinin, hipertermi tedavisinin uygulanması sırasında gösterdiği etki ve sıcaklık değişimi ile manyetik alandaki davranışının incelenmesidir. Yapılan bu çalışma sonuçlarına göre, nanokompozit yapay doku`nun gözenekli yapısı, % 63.1'den %75.9'a çıkmış ve Manyetit içeriğine bağlı olarak başarıyla geliştirilmiştir. Bu çalışmada kullanılan Bredigite-Manyetit nanokompozit`in özellikleri de sırayla; 148MPa bükülme mukavemeti, 2.69 MPa m1/2 kırılma tokluğu ve 29 GPa Young modülü ile % 30 oranında Manyetit i çeriğidir. Bunalara ek olarak, yapılan test sonuçlarına göre, Manyetit içermeyen malzemenin sıkışma mukavemeti 1.8 MPa olarak bulunurken, Bredigite-Manyetit nanokompozit`in sıkışma mukavemeti iki kat daha fazla ve 3.6 MPa olarak bulunmuştur. Elektrik alanında yapılan testler ve elde edilen sonuçlara göre, yüksek elektriksel iletkenlik (160 μS /m), Manyetit nanoparçacıklarının (MNP) yüksek yüzdesine sahip olan numuneye aitken, MNPs içermeyen numuneler en düşük elektriksel iletkenlik (35 μS/m) göstermiştir. %30 ağırlıklı Manyetit içeren numuneler 60 saniyede yaklaşık 25°C sıcaklık artışı gösterirken, %10 ağırlıklı Manyetit içeren numuneler, manyetik alanda 15°C'lik bir sıcaklık artışı göstermiştir. Elde edilen sonuçlar, yüzey morfolojisinin ve parçacık arayüzünün, biyoaktivite ve biyolojik bozunma oranı üzerinde olumlu etkileri olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, ağırlıkça % 30 oranında Manyetit nanoparçacık içeren numuneler doğal bir apatit oluşum özelliğine de sahip olduklarını göstermiştir. Bu nedenle, Manyetit nanopartikül ile Si iyonlarını arttırarak, yapay doku nanokompozitinin kemik benzeri apatit oluşturduğu ve parçalanma oranının önemli derecede arttığı da tespit edilmiştir. Bu araştırmanın bulguları, Manyetit nanoparçacıkları içeren nanokompozitlerin uygun elektromanyetik indüksiyon özelliklerine sahip olduğunu ve hipertermi tedavisinde kullanılmalarının güvenilir olduğunu göstermiştir.