Search

Antimikrobni materijali na bazi hidroksiapatita su potencijalno atraktivni za širok spektar primena u medicini. Monofazni srebro-, bakar- i cink-dopirani hidroksiapati (MxCa10-x(PO4)6(OH)2, M = Ag, Cu ili Zn, 0,002 ≤ x ≤ 0,04) su sintetizovani korišćenjem metode neutralizacije. Ova metoda se sastoji od rastvaranja oksida metala (Ag2O, CuO ili ZnO) u rastvoru H3PO4, i sporog dodavanja rastvora u suspenziju Ca(OH)2 radi homogene raspodele dopantnog jona. Kvantitativna elementala analiza je pokazala da su joni srebra, bakra i cinka u potpunosti ugradili u hidroksiapatit. Rendgenostrukturna analiza je pokazala da su svi dopirani uzorci veoma slične strukture sa čistim hidroksiapatitom i u skladu su sa ASTM podacima (kartica 9-432). Svi difrakcini pikovi su oštri i dobro razdvojeni, što ukazuje da je dobijeni monofazni i dobro iskristalisani hidroksiapatiti. Posmatranja transmisionim elektronskim mikroskopoma su pokazala da su morfologije čestice sintetisanih hidroksiapatita veoma slične, nepravilnog oblika i nano veličine. Prosečna dužina čestica u svim uzorcima je oko 70 nm i oko 15-25 nm u prečniku. Antimikrobna aktivnost uzorka su testirani na mikroorganizme koji mogu da izazovu infekcije vezane za implantate: Staphilococcus aureus, Escherichia coli i Candida albicans. Rezultati antimikrobnih testova su pokazali da svi dopirani uzorci hidroksiapatita imaju antimikrobnu aktivnost. Antimikrobna efikasnost materijala je u funkcija vrste i količine dopantnog jona. Aktivnost je najviše izraženo sa uzorcima hidroksiapatita dopiranih jonima srebra. Antimikrobno dejstvo uzoraka dopiranog sa najvećom količinom srebra na ćelije mikroorganizama je posmatrana pomoću mikroskopa atomskih sila. Studije su pokazale da dopirani uzorak hidroksiapatita stvara značajne morfološke promene na ćelijama mikroorganizama koje mogu biti uzrok njihove smrti. Test hemolize je izveden na srebro- i cink-dopirane uzorke kako bi se ispitala njihova hemokompatibilnost. Stepen hemolize uzoraka je bio manji od 3% i zbog toga, se može zaključiti da su nehemolitički. Tako, pripremljeni metal dopirani hidroksiapati su perspektivni za inženjering koštanog tkiva i mogu se primeniti kao materijali za mikrobiološki tretman zagađene vode, kao aditivi polimera i za opštu upotrebu. Antimicrobial materials based on hydroxyapatite are potentially attractive in a wide variety of medical applications. Monophase silver-, copper- or zinc-doped hydroxyapatite (MxCa10−x(PO4)6(OH)2; M = Ag, Cu or Zn; 0.002 ≤ x ≤ 0.04) were synthesized using a neutralization method. This method consists of dissolving metal oxide (Ag2O, CuO or ZnO) in a solution of H3PO4, and the slow addition of a solution to the suspension of Ca(OH)2 was applied for the purpose of homogenous distribution of dopant ions. The quantitative elemental analysis showed that the silver, copper and zinc ions fully incorporated into the hydroxyapatite. X-ray diffraction analysis showed that all doped samples are very similar in structure to pure hydroxyapatite and in accordance with ASTM data (Card 9-432). All of the diffraction peaks were sharp and well resolved, indicating the obtained monophase and well crystallized hydroxyapatite. Observation of transmission electron microscopy showed that the morphology of the synthesized hydroxyapatite particles are very similar, irregular shaped and nano sized. The average length of particles in all samples is about 70 nm and about 15–25 nm in diameter. Antimicrobial activities of the samples were tested for microorganisms that can cause implant-related infections including: Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Candida albicans. The results of antimicrobial tests demonstrate that all doped hydroxyapatite samples showed antimicrobial activity. Antimicrobial efficacy of these materials is a function of types and quantities of dopant ions. The activity is most pronounced with the silver-doped hydroxyapatite samples. Antimicrobial effects of silver-doped samples with the most silver on microorganism’s cells are observed by the atomic force microscope. The studies show that a silver-doped hydroxyapatite sample causes considerable morphological changes of microorganism cells which might be the cause of cells’ death. A hemolysis test was performed on silver and zinc-doped samples to determine their hemocompatibility. The hemolysis ratios of the samples are lower than 3% and therefore, it can be concluded that they are nonhemolytic. Thus, prepared metal-doped hydroxyapatite nanopowders promising for bone tissue engineering and can be applied as materials for the treatment of microbiologically polluted water, as a polymer additive and for general use.

U ovom radu izučavani su mehanizmi sorpcije teških metala korišćenjem dve forme minerala apatita: sintetičkog hidroksiapatita (HAP) i prirodnog apatita iz ležišta Lisina kod Bosilegrada (LA). Karakterizacija materijala je izvršena korišćenjem metode difrakcije x-zraka. Utvrđeno je da je sintetički apatit (HAP) čist hidroksiapatit molekulske formule Ca10(PO4)6(OH)2, dok je prirodni apatit (LA) smeša minerala kvarca, muskovita i fluorapatita. Mehanizmi sorpcije izučavani su korišćenjem teorijskog modela stabilnosti čvrste faze, kao i eksperimentalnim proučavanjem sorpcije olova iz vodenog rastvora. Teorijski matematički model stabilnosti čvrste faze baziran je na izračunavanju jon-jon interakcionih potencijala. Ovaj model upotrebljen je za procenu stabilnosti čvrste faze nastale reakcijom zagađujućih materija sa prirodnim i sintetičkim apatitom. Primenjeni model omogućava preliminarni izbor najpogodnijeg aditiva za imobilizaciju teških metala u zagađenom zemljištu ili podzemnim vodama sa stanovišta stabilnosti novonastale čvrste faze. Detaljno su razmotreni sledeći sistemi: Cd/HAP, Pb/HAP, Pb/prirodni apatiti i As/HAP. Na osnovu prikazanih rezultata predloženi su dominantni mehanizmi u procesima sorpcije zagađujućih materija u ispitivanim sistemima. U radu su izvršena eksperimentalna ispitivanja i modelovanje kinetike sorpcije olova iz vodenih rastvora korišćenjem prirodnog i sintetičkog apatita na tri temperature. Za modelovanje eksperimentalnih podataka korišćeni su kinetički modeli pseudo-prvog i pseudo-drugog reda. Utvrđeno je da model pseudo-drugog reda dobro opisuje kinetiku sorpcije olova u oba ispitivana sistema. Takođe su izvršena eksperimentalna ispitivanja adsorpcionih izotermi olova na hidroksiapatitu i prirodnom apatitu. Za analizu sorpcionih podataka korišćeno je pet modela adsorpcionih izotermi. Na osnovu primene ANOVA statističke analize utvrđeno je da Freundlich-ova adsorpciona izoterma najbolje opisuje eksperimentalne podatke u oba sistema. Analiza svih dobijenih rezultata ukazuje na mogućnost primene prirodnog apatita iz ležišta Lisina, kao jeftine polazne sirovine, za remedijaciju zemljišta i podzemnih voda zagađenih teškim metalima. In this work, the mechanisms of heavy metal sorption by two forms of mineral apatite were studied. The materials used include synthetic hydroxyapatite (HAP) and natural apatite from Lisina ore deposit (LA). The materials were characterized by x-ray diffraction. It was shown that synthetic apatite is pure hydroxyapatite, with molecular formula Ca10(PO4)6(OH)2, while natural apatite is a mixture of three minerals: quartz, muscovite and fluorapatite. The mechanisms were investigated using theoretical model of the solid matrix/impurity system stability as well as by experimental investigations of dissolved Pb sorption by HAP and LA. The theoretical model of the solid matrix/impurity system stability is based on ion-ion interaction potential calculation. This model was used to estimate the stability of the solid phase obtained by the reaction of heavy metals with synthetic and natural apatite. The applied model can be used for pre-selection of the most suitable amendment for heavy metal immobilization in polluted soils and ground water, based on the stability of the newly formed solid phase. The following systems were investigated in detail: Cd/HAP, Pb/HAP, Pb/natural apatites and As/HAP. Based on the results obtained, the dominant mechanisms involved in reactions in the investigated systems were suggested. In this work, experimental investigations and modeling of the kinetics of Pb sorption by natural and synthetic apatites were carried out at three temperatures. Two kinetic models were used: pseudo-first and pseudo-second order model. It was concluded that pseudo-second order model describes the kinetics of the processes in both systems best. Experimental investigations of the sorption isotherms were also carried out. Five sorption isotherms were used to model the experimental results. Using ANOVA statistical analysis it was concluded that Freundlich isotherm model described both systems with the greatest accuracy. Based on the analysis of all the results obtained, it can be concluded that natural apatite from Lisina ore deposit is a promising material for heavy metal remediation in polluted soils and ground water.