Enhancement of Hydroxyapatite Dissolution through Krypton Ion Irradiation

Hui Zhu , Dagang Guo , Hang Zang (1) , Dorian A.H. Hanaor (2) , Sen Yu , Franziska Schmidt , Kewei Xu (3)

1 Institute of Modern Physics
2 TU - Technical University of Berlin / Technische Universität Berlin
3 Xjtu - Xi'an Jiaotong University

Hydroxyapatite (HA) synthesized by a wet chemical route was subjected to heavy ion irradiation, using 4 MeV Krypton ions (Kr 17+) with ion fluence ranging from 1×10 13 to 1×10 15 ions/cm 2. Glancing incidence X-ray diffraction (GIXRD) results confirmed the phase purity of irradiated HA with a moderate contraction in lattice parameters, and further indicated irradiation-induced structural disorder, evident by a broadening of diffraction peaks. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) observations indicated that the applied Kr irradiation induced significant damage in the hydroxyapatite lattice. Specifically, cavities were observed with their diameter and density varying with irradiation fluences while a radiation-induced crystalline-to-amorphous transition with increasing ion dose was identified. Raman and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis further indicated the presence of irradiation-induced defects. Compositional analysis of pristine and irradiated materials following immersion in Tris (pH 7.4, 37℃) buffer showed that dissolution in vitro was enhanced by irradiation, reaching a peak for 0.1dpa. We examined the effects of irradiation on the early stages of the mouse osteoblast-like cells (MC3T3-E) response. A cell counting kit-8 assay (CCK-8 test) was carried out to investigate the cytotoxicity of samples, and viable cells can be observed on the irradiated materials.

L'hydroxyapatite (HA) synthétisée par voie chimique a été soumise à une irradiation ionique lourde, en utilisant des ions Krypton 4 MeV (Kr 17+) avec une fluence ionique allant de 1 × 10 13 à 1 × 10 15 ions / cm 2. Incidence du regard X- Les résultats de la diffraction des rayons (GIXRD) ont confirmé la pureté de phase de l'AH irradié avec une contraction modérée des paramètres du réseau et ont en outre indiqué un trouble structurel induit par l'irradiation, évident par un élargissement des pics de diffraction. Des observations en microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) ont indiqué que l'irradiation au Kr appliquée a induit des dommages importants dans le réseau d'hydroxyapatite. Plus précisément, des cavités ont été observées avec leur diamètre et leur densité variant avec les fluences d'irradiation tandis qu'une transition cristalline-amorphe induite par le rayonnement avec une dose ionique croissante a été identifiée. L'analyse par spectroscopie photoélectronique Raman et X (XPS) a en outre indiqué la présence de défauts induits par l'irradiation. L'analyse de la composition des matériaux vierges et irradiés après immersion dans du tampon Tris (pH 7,4, 37 ℃) a montré que la dissolution in vitro était améliorée par irradiation, atteignant un pic de 0,1 dpa. Nous avons examiné les effets de l'irradiation sur les premiers stades de la réponse des cellules de type ostéoblaste de souris (MC3T3-E). Un test de comptage de cellules kit 8 (test CCK-8) a été réalisé pour étudier la cytotoxicité des échantillons, et des cellules viables peuvent être observées sur les matériaux irradiés.

Mots clés: Hydroxyapatite; Heavy ion irradiation; HRTEM; Crystal defects; in vitro dissolution

Domaines: Chimie; Matériaux; Physique [physics]; Sciences de l'ingénieur [physics]; Matériaux; Sciences du Vivant [q-bio]; Biotechnologies; Ingénierie biomédicale

Hui Zhu, Dagang Guo, Hang Zang, Dorian A.H. Hanaor, Sen Yu, et al.. Enhancement of Hydroxyapatite Dissolution through Krypton Ion Irradiation. Journal of Materials Science and Technology, 2020, 38, pp.148-158. ⟨10.1016/j.jmst.2019.03.048⟩. ⟨hal-02462779⟩