Biphasic α/β-Tricalcium Phosphate Biomaterials: Synthesis, Phase Stability and Hydrolysis Behavior for Bone Regeneration Applications

Abstract

Le ceramiche a base di fosfato di calcio, in particolare il fosfato tricalcico (TCP), sono ampiamente utilizzate nell’ingegneria del tessuto osseo grazie alla loro elevata biocompatibilità e alla somiglianza con la fase minerale dell’osso. Tuttavia, le differenze tra α-tricalcio fosfato (α-TCP) e β-tricalcio fosfato (β-TCP) in termini di struttura cristallina, velocità di riassorbimento e comportamento all’idrolisi influenzano significativamente le loro prestazioni biologiche.

Questo lavoro studia l’effetto dell’introduzione di cationi bivalenti durante la sintesi di polveri di α-TCP, β-TCP e α/β-TCP bifasico, combinata con un trattamento termico controllato, sulla composizione di fase e sulla stabilità del materiale. I campioni sono stati caratterizzati mediante diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia FTIR e microscopia elettronica a scansione (SEM). Inoltre, sono stati eseguiti test di idrolisi in ambiente acquoso fino a tre settimane per valutare l’evoluzione delle fasi e la formazione di idrossiapatite.

I risultati dimostrano che l’introduzione di cationi bivalenti stabilizza efficacemente la fase β-TCP, permette di controllare il rapporto α/β e migliora la stabilità del materiale bifasico durante l’idrolisi rispetto all’α-TCP puro. Lo studio evidenzia il potenziale dei biomateriali bifasici a base di TCP per future applicazioni nella rigenerazione del tessuto osseo.

Calcium phosphate ceramics, and particularly tricalcium phosphate (TCP), are widely used in bone tissue engineering due to their close resemblance to the mineral phase of mature bone and their excellent biocompatibility. However, significant differences in resorption rate, crystal structure, and hydrolytic behavior distinguish α-tricalcium phosphate (α-TCP) from β-tricalcium phosphate (β-TCP), directly affecting their biological performance and clinical applicability.

This work investigates the effect of divalent cation incorporation during the synthesis of α-TCP, β-TCP, and biphasic α/β-TCP powders, combined with controlled thermal treatment, on phase composition and stability. X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the synthesized materials. Hydrolysis experiments in aqueous conditions were performed for up to three weeks to evaluate phase evolution and hydroxyapatite formation.

The results demonstrate that divalent cation incorporation effectively stabilizes the β-TCP phase, enables control of the α/β phase ratio, and improves the phase stability of biphasic α/β-TCP materials during hydrolysis compared with pure α-TCP. These findings establish important structure–composition–processing–reactivity relationships and highlight the potential of biphasic TCP biomaterials for future bone regeneration applications.