The effect of particle size and phosphorous content in biomineralization media on in vitro bioactivity of monticellite based ceramic powders obtained from boron derivative waste

• Main Authors: Levent Koroglu, Ceren Peksen
• Format: Article
• Language: English
• Published: Elsevier 2021-03-01
• Series: Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio
• Subjects: Monticellita; Bioactividad; Tamaño de partícula; Cristalización; Residuos derivados de boro
• Online Access: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0366317520300157

The effect of particle size and phosphorous content in biomineralization media on in vitro bioactivity of monticellite based ceramic powders was investigated. Monticellite based ceramic powder was synthesized at 800 °C for 4 h using boron derivative waste. Monticellite based ceramic powder, comprising monticellite, akermanite, diopside, calcium magnesium borate and zeolite LTA crystalline phases, was crushed and then ball-milled for optimized time to obtain lowest average particle size and the narrowest particle size distribution. In vitro bioactivity of both coarse (d10: 0.5 μm, d50: 3.0 μm, d90: 42 μm) and fine (d10: 0.5 μm, d50: 1.4 μm, d90: 4.8 μm) wafers was determined by incubation in Lactated Ringer's Solution and Human Blood Plasma for 1, 3, 5, 7, 14, 21 and 28 days at 36.5 ± 0.5 °C. The obtained results exhibited that calcite (CaCO3) layer after immersion in Lactated Ringer's Solution and bone-like apatite layer after immersion in Human Blood Plasma were formed on the surface of coarse and fine wafers. The presence of phosphorus in biomineralization media is necessary for apatite formation. The increment of surface roughness favors homogeneous nucleation, and fasten nucleation and growth kinetics of precipitation. As a result, the bioactive characteristic of monticellite based ceramic powder could be governed by the particle size. Resumen: Se investigó el efecto del tamaño de partícula y el contenido de fósforo en los medios de biomineralización sobre la bioactividad in vitro de polvos cerámicos a base de monticellita. El polvo cerámico a base de monticellita se sintetizó a 800 °C durante 4 h utilizando residuos de derivados de boro. El polvo cerámico a base de monticellita, que comprende monticellita, akermanita, diópsido, borato de calcio y magnesio y fases cristalinas de zeolita LTA se trituró, y luego se molió con bola durante un tiempo optimizado para obtener el tamaño de partícula promedio más bajo y la distribución de tamaño de partícula más estrecha. La bioactividad in vitro de obleas gruesas (d10: 0.5 μm, d50: 3.0 μm, d90: 42 μm) y finas (d10: 0.5 μm, d50: 1.4 μm, d90: 4.8 μm) se determinó mediante incubación en solución de Ringer lactato y plasma sanguíneo humano durante 1, 3, 5, 7, 14, 21 y 28 días a 36,5 ± 0,5 °C. Los resultados obtenidos mostraron que la capa de calcita (CaCO3) después de la inmersión en la solución de Ringer lactato y la capa de apatita similar a un hueso después de la inmersión en plasma sanguíneo humano se formaron en la superficie de obleas gruesas y finas. La presencia de fósforo en los medios de biomineralización es necesaria para la formación de apatita. El incremento de la rugosidad de la superficie favorece la nucleación homogénea y fija la cinética de nucleación y crecimiento de la precipitación. Como resultado, la característica bioactiva del polvo cerámico a base de monticellita podría estar gobernada por el tamaño de partícula.