Chitosan-apatite composites: synthesis and properties

The aim of this short review was to discuss applications of a unique biopolymer chitosan in practical medicine, especially for bone tissue engineering. The article highlights the preparation and properties of innovative chitosan-based biomaterials such as CaP-chitosan (CS-CP)-composites and chitosan-alginate (CS-AG)-scaffolds. This paper takes a closer look at the physicochemical properties, spectral characteristics and chemical modifications of the chitosan molecule. The obtained chitosan-apatite composites were analysed using X-ray diffraction to verify the crystalline nature of their structures. It was observed that the addition of chitosan to the composite material reduces apatite crystallinity. Besides, an accent was made on antibacterial properties of chitosan, the use of chitosan nanoparticles to produce nanofibers and controlled drug delivery systems. Keywords: chitosan, hydroxyapatite, biocomposites, X-ray diffraction.Мета цього короткого огляду – розгляд застосування унікального біополімеру хітозану в практичній медицині, особливо для інженерії кісткової тканини. Основне місце в статті відведено синтезу та властивостям інноваційних біоматеріалів на основі хітозану, таким як CaP-хітозан (CS-CP)-композити і хітозан-альгінатні (CS-AG)-скаффолди. У статті висвітлено фізико-хімічні властивості, спектральні характеристики і хімічні модифікації молекули хітозану. Отримані хітозан-апатитні композитні матеріали були проаналізовані з використанням методу рентгенівської дифракції для аналізу кристалічної природи їх структур. Було виявлено, що додавання хітозану до композитного матеріалу призводить до зниження кристалічності вихідного апатиту. Крім того, акцентовано увагу на антибактеріальні властивості хітозану, використанні наночастинок хітозану для отримання нановолокон і створенні системи контрольованої доставки ліків.Цель этого краткого обзора – рассмотреть применения уникального биополимера хитозана в практической медицине, особенно для инженерии костной ткани. Основное место в статье отведено синтезу и свойствам инновационных биоматериалов на основе хитозана, таким как CaP-хитозан (CS-CP)-композиты и хитозан-альгинатные (CS-AG)-скаффолды. В статье освещены физико-химические свойства, спектральные характеристики и химические модификации молекулы хитозана. Полученные хитозан-апатитные композитные материалы были проанализированы с использованием метода рентгеновской дифракции для анализа кристаллической природы их структур. Было обнаружено, что добавление хитозана к композитному материалу приводило к снижению кристалличности исходного апатита. Кроме того, акцентировано внимание на антибактериальных свойствах хитозана, использовании наночастиц хитозана для получения нановолокон и создании систем контролируемой доставки лекарств

The Study of the Alginate / Hydroxyapatite Composites Structural Properties

This paper describes the synthesis of sodium alginate (Alg) / hydroxyapatite (HA) composites and the influence of the presence of Alg on HA crystallization. Such composites become rather widespread in recent years, and are used in medicine generally for the controlled drug delivery [1‑3]. In one’s case, Alg is used as the functional and cost-effective replacement of the collagen for the creation of implants similar to the natural bone [4]. It was shown that the presence of Alg and the increase of its concentration leads to the decrease of the HA crystallinity thus providing an ability to control its levels in the resulting product. The FTIR studies confirm the incorporation of Alg in the Alg / HA composite structure

Magnetite-polymer Nanoparticles: Structure and Properties

The paper describes synthesis of magnetite-alginate composites. The main feature of such biomaterials is the simultaneous formation of magnetite nanoparticles inside the alginate matrix. Obtained samples were characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. In several samples the secondary phase of ammonium chloride was observed. The average crystallite sizes of magnetite phase are about 13 nm. The addition of alginate leads to the decrease of microstrains in [h k 0] direction

Alginate-hydroxyapatite Beads for Medical Application

The paper describes the synthesis and characterization of alginate-hydroxyapatite (Alg/HA) beads that potentially can be used for drug release due to the adsorptive properties of HA and transmission ability of the soluble compounds through the alginate membrane. Calcium Alg/HA beads were manufactured by dropping of the Alg/HA suspension into CaCl2 solution. Morphology and phase composition of obtained Alg/HA beads were investigated. It was shown that alginate macromolecules influence the hydroxyapatite size and morphology. Obtained HA with crystal size 15-30 nm inside alginate beads correspond a bioapatite size therefore are interesting for the tissue engineering. The main features of alginate-controlled crystallization are discussed in order to understand some aspects in composite material design. Insertion of HA into the alginate microcapsules allows use such materials for production of drug release microspheres

Magnetite-polymer Nanoparticles: Structure and Properties

The paper describes synthesis of magnetite-alginate composites. The main feature of such biomaterials is the simultaneous formation of magnetite nanoparticles inside the alginate matrix. Obtained samples were characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. In several samples the secondary phase of ammonium chloride was observed. The average crystallite sizes of magnetite phase are about 13 nm. The addition of alginate leads to the decrease of microstrains in [h k 0] direction

Biphasic Calcium Phosphate Composite for Biomedical Applications

The paper describes the preparation of the biphasic (hydroxyapatite (HA) and tricalcium phosphate (TCP)) nanostructured calcium phosphate composite. The product was chemically synthesized from the solution which contained calcium acetate Са(СН3СОО)2 (0,167 mМ), sodium dihydrogen phosphate NaH2PO4 (0,1 mМ), sodium hydrocarbonate NaHCO3 (0,02 mM). The calcium phosphate composite was formed at pH=11 with and without the addition of carbonate ions. The samples were analyzed using X-Ray diffraction after the heat treatment at 900C for 1 h. The derived material contained HA and TCP phases with their contents change depending on the concentration of the carbonate ions in the solution. The mean crystallite size of the HA phase in (121) plane is 12 – 14 nm. Further studies will be directed to the using of the derived composite for the biomedical applications. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3544

Нанокомпозитні апатит-біополімерні матеріали та покриття для біомедичного застосування

В даному огляді описуються синтез та властивості новітніх композитних біоматеріалів та покриттів третього покоління, що відносяться до другого структурного рівня організації кісткової тканини людини (КТЛ). Для отримання подібних композитів за звичай застосовується тваринний колаген, котрий є поте- нційно небезпечним у медичному застосуванні, тому нами були розпочати дослідження з застосуванням інших біополімерів для отримання композитів, близьких до другого рівня структурної ієрархії КТЛ. Запропоновані природні полімери (альгінат натрію, хітозан) є найбільш перспективними, оскільки вони мають бактеріостатичні властивості для великої кількості аеробних та анаеробних бактерій, висо- кою біосумісністю по відношенню до з’єднувальної тканини, низькою токсичністю, можливістю приско- рювати регенеративні процеси під час лікування ран, здібністю деградації зі створенням хемотаксисної активності по відношенню до фібробластів та остеобластів. Формування нанорозмірних (25-75 нм) час- тинок кальційдефіцитного гідроксиапатиту (КДГА) у полімерному скафолді наближує отримані матері- али до КТЛ, що, в свою чергу, сприяє їх більш ефективній імплантації. Також було досліджено вплив статичного магнітного поля на кристалізацію брушиту (CaHPO4 2H2O). Зміна конфігурації магнітного поля оказує суттєвий вплив на кристалічність та тексту- ру отриманих частинок. Для покращення біосумісності існуючих медичних імплантатів (Ti-6Al-4V, Ti-Ni, Mg) в нашій лабо- раторії була вдосконалена [2] запропонована японськими вченими [1] технологія отримання біоактив- них покриттів з відповідними механічними, структурними та морфологічними характеристиками. Пок- риття на базі КДГА в поєднанні з біополімерною матрицею (альгінат Na, хітозан) синтезуються методом термодепозиції в «м’яких» умовах. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/35808В данном обзоре описываются синтез и свойства новейших композитных биоматериалов и покрытий третьего поколения, относящихся ко второму структурному уровню организации костной ткани человека (КТЧ). Для получения подобных композитов обычно используется животный коллаген, который является потенциально опасным для медицинского применения, поэтому нами были начаты исследования с испо- льзованием других биополимеров для получения композитов, близких ко второму уровню структурной иерархии КТЧ. Предложенные природные полимеры (альгинат натрия, хитозан) являются наиболее перспективны- ми, поскольку они обладают бактериостатичными свойствами для огромного количества аэробных и анаэ- робных бактерий, высокой биосовместимостью по отношению к соединительной ткани, низкой токсичнос- тью, возможностью ускорять восстановительные процессы во время лечения ран, свойством деградации с созданием хемотаксисной активности по отношению к фибробластам и остеобластам. Формирование на- норазмерных (25-75 нм) частичек кальцийдефицитного гидроксиапатита (КДГА) в полимерном скаффол- де приближает полученные материалы к КТЧ, что, в свою очередь, способствует их более эффективной имплантации. Также было изучено влияние статического магнитного поля на кристаллизацию брушита (CaHPO4 2H2O). Показано, что изменение конфигурации магнитного поля оказывает значительное влия- ние на кристалличность и текстуру полученных частичек. Для улучшения биосовместимости существующих медицинских имплантатов (Ti–6Al–4V, Ti–Ni, Mg) в нашей лаборатории была усовершенствована [2] предложенная японскими учеными [1] технология полу- чения биоактивных покрытий с соответствующими механическими, структурными и морфологическими характеристиками. Покрытия на основе КДГА в сочетании с биополимерной матрицей (альгинат Na, хи- тозан) синтезируются методом термодепозиции в «мягких» условиях. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/35808The microoverview paper describes synthesis and characterization of novel third generation composite biomaterials and coatings which correspond to the second structural level of human bone tissue (HBT) organization obtained at Sumy state university “Bionanocomposite” laboratory. To obtain such composites an animal collagen is usually used, which is not potentially safe for medical applications. That is why investigations were started using some other biopolymers to obtain composites close to the second level in the structural hierarchy of HBT. Proposed natural polymers (Na alginate, chitosan) are the most perspective because they have bacteriostatic properties for a vast number of aerobic and anaerobic bacteria, high biocompatibility towards the connective tissue, low toxicity, an ability to improve regenerative processes during wounds healing, degradation ability with the creation of chemotaxic activity towards fibroblasts and osteoblasts. The formation of nanosized (25-75 nm) calcium deficient hydroxyapatite (cdHA) particles in the polymer scaffold approaches the derived material to the biogenic bone tissue, which can provide its more effective implantation. The influence of the imposition of static magnetic field on brushite (CaHPO4·2H2O) crystallization was also investigated. It was shown that changing the magnetic field configuration could greatly affect crystallinity and texture of the derived particles. To increase the biocompatibility of existing medical implants (Ti–6Al 4V, Ti Ni, Mg) the technology for obtaining bioactive coatings with corresponding mechanical, structural and morphology characteristics is developed in our laboratory. In this direction coatings based on cdHA in combination with biopolymer matrices (Na alginate, chitosan,) are obtained in “soft” conditions using a thermal substrate technology. This technology was proposed by Japan scientists [1] and was sufficiently improved by us [2] in order to obtain coatings in the controlled mode. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3580

Инъекционные биополимер-гидроксиапатитные гидрогели и их характеристика

Гідрогелі на основі гідроксиапатиту (HA) і хітозану (CS) з додаванням альгінату натрію (Alg) були синтезовані методом «мокрої хімії». Структура, морфологія, хімічний та фазовий склад гідрогелів HA/CS та HA/CS/Alg охарактеризовані TEM, FTIR та XRD методами. Гідрогелі мають у своєму складі низько- кристалічний НА (JCPDS 9-432) з середнім розміром голчатих кристалітів 25 нм. Після введення порошку альгінату до складу НА/CS гідрогелю спостерігається підвищення в'язкості композиту в результаті поліелектролітної реакції між альгінатом і хітозаном. Два природних полімери та іони Ca2+, які частково вивільняються зі складу НА, утворюють полімерну матрицю шляхом зшивання макромолекул полімеру через гідроксильні, карбонільні та аміногрупи. Ці процеси сприяють формуванню більш стабільної структури гідрогелю НА/CS/Alg порівняно з HA/CS. Дослідження структурної цілісності та деградації матеріалів показали, що НА/CS/Alg1,0 зберігає свою початкову форму протягом 7 днів коливального навантаження в розчині SBF в шейкері (50 об/хв), в той час як НА/CS/Alg1,5 розпадається на фрагменти. HA/CS гідрогель повністю втрачає свою форму через 3 дня експозиції. Таким чином, здатність HA/CS гідрогелю підтримувати форму дефекту при імплантації в кісткову тканину підсилюється при додаванні альгінату, але вміст останнього більший, ніж 1 мас. % зменшує пластичність матеріалу, збільшує набухання і прискорює деградацію.Гидрогели на основе гидроксиапатита (HA) и хитозана (CS) с добавлением альгината натрия (Alg) были синтезированы методом «мокрой химии». Структура, морфология, химический и фазовый состав HA/CS и HA/CS/Alg гидрогелей охарактеризованы TEM, FTIR и XRD методами. Гидрогели включают низко-кристаллический НА (JCPDS 9-432) со средним размером игольчатых кристаллитов 25 нм. После введения порошка Alg в состав HA/CS гидрогеля наблюдается повышение вязкости композита в результате полиэлектролитной реакции между альгинатом и хитозаном. Два природных полимера и частично высвобождающиеся из состава НА ионы Ca2+ формируют полимерную матрицу путем сшивки макромолекул полимеров через гидроксильные, карбонильные аминогруппы. Эти процессы способствуют формированию более стабильной структуры HA/CS/Alg гидрогеля по сравнению с HA/CS. Исследования структурной целостности и деградации материалов показали, что HA/CS/Alg1 0 сохраняет свою первоначальную форму после 7 дней колебательной нагрузки в растворе SBF в шейкере (50 rpm), в то время как HA/CS/Alg1,5 распадается на фрагменты. HA/CS гидрогель полностью теряет свою форму через 3 дня колебательного воздействия. Таким образом, способность HA/CS гидрогеля поддерживать форму дефекта при имплантации в костную ткань усиливается с добавлением альгината, но содержание последнего более чем 1 мас. % снижает пластичность материала, увеличивает набухание и ускоряет деградацию.Hydrogels based on hydroxyapatite (HA) and Chitosan (CS) with addition of sodium alginate (Alg) were synthesized by in situ precipitation method. Structure, morphology, chemical and phase composition of the HA/CS and HA/CS/Alg hydrogels were characterized by TEM, FTIR and XRD. Hydrogels consist of low crystallinity calcium deficient hydroxyapatite (JCPDS 9 432), the needle-like crystallites have an average size 25 nm. The introduction of Alginate powder into HA/CS hydrogel solution demonstrate the viscosity enhancing of the HA/CS hydrogel due to polyelectrolyte reaction between Alginate and Chitosan macromolecules. Two natural polymers and partially released from hydroxyapatite Ca2+ ions formed a matrix by crosslinking the polymer macromolecules through hydroxyl, amino and carbonyl groups. These processes promote the formation of a more stable structure of HA/CS/Alg hydrogel as compared to HA/CS. The structural integrity and degradation tests have demonstrated that HA/CS/Alg1.0 saved its initial shape in 7 days of shaking in SBF solution, meanwhile for HA/CS, a structural decay was observed. The HA/CS hydrogel had completely lost its volume support after 1 day shaking in SBF. Thus, the ability of HA/CS hydrogel to maintain its shape with implantation into bone tissue defect may be enhanced with alginate addition, but alginate content more than 1 w/w % reduces the hydrogel plasticity, increases the swelling and accelerates the shape decay