Nanostructural insights into the dissolution behavior of Sr-doped hydroxyapatite

Aperçu nanostructural du comportement en dissolution de l'hydroxyapatite dopée au Sr

Hui Zhu (1) , Dagang Guo , Lijuan Sun (2) , Hongyuan Li , Dorian A.H. Hanaor (3) , Franziska Schmidt (4) , Kewei Xu (5)

1 Xidian University
2 SDAU - Shandong Agricultural University
3 TU - Technical University of Berlin / Technische Universität Berlin
4 IFSTTAR/MAST/EMGCU - Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain
5 Xjtu - Xi'an Jiaotong University

In this study, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) was employed to characterize the nanostructure of strontium-substituted hydroxyapatite (Sr-HA) and its evolution following in vitro immersion in physiological solutions. HRTEM images showed that the substitution of Sr induced local distortions in the hydroxyapatite (HA) lattice: minor levels of edge dislocations were detected at low doping contents of Sr ions (1 at %); when the Sr content exceeded 10 at%, the density of grain boundaries increased notably and triple junctions were clearly observed. The dissolution of undoped HA was initiated at crystallite surfaces, whereas the dissolution of Sr-HA started around grain boundaries. Acicular nanocrystal reprecipitation was observed on grain surfaces immersed in simulated body fluid (SBF), while not in dilute hydrochloric acid (HCl). These findings suggest appropriate levels of Sr incorporation can introduce imperfections in the crystal structure of apatite and thus enhance its dissolution rate towards enhanced physicochemical performance in biomedical applications https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.056

Dans cette étude, la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a été utilisée pour caractériser la nanostructure de l'hydroxyapatite substituée au strontium (Sr-HA) et son évolution après immersion in vitro dans des solutions physiologiques. Les images HRTEM ont montré que la substitution des distorsions locales induites par le Sr dans le réseau d'hydroxyapatite (HA): des niveaux mineurs de dislocations de bords ont été détectés à de faibles teneurs en dopage d'ions Sr (1 at%); lorsque la teneur en Sr dépassait 10% at%, la densité des joints de grains augmentait de manière notable et des triple jonctions étaient clairement observées. La dissolution de l'HA non dopée a été initiée au niveau des surfaces de cristallites, alors que la dissolution de Sr-HA a commencé autour des joints de grains. Une reprécipitation aciculaire de nanocristaux a été observée sur des surfaces de grains immergées dans un fluide corporel simulé (SBF), mais non dans de l'acide chlorhydrique dilué (HCl). Ces découvertes suggèrent que des niveaux appropriés d’incorporation de Sr peuvent introduire des imperfections dans la structure cristalline de l’apatite et ainsi augmenter sa vitesse de dissolution afin d’améliorer les performances physicochimiques dans les applications biomédicales. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.056

Mots clés: Hydroxyapatite; Dissolution; Bioactivity; Biomaterials; Bioceramics

Domaines: Biotechnologie; Sciences de l'ingénieur [physics]; Matériaux; Biomatériaux; Biotechnologies; Ingénierie biomédicale

Hui Zhu, Dagang Guo, Lijuan Sun, Hongyuan Li, Dorian A.H. Hanaor, et al.. Nanostructural insights into the dissolution behavior of Sr-doped hydroxyapatite. Journal of the European Ceramic Society, 2018, 38 (16), pp.5554-5562. ⟨10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.056⟩. ⟨hal-02330989⟩