Современные подходы к разработке эффективных систем биостекол состава SiO2-CaO, допированных соединениями железа(III) и цинка(II)
Аннотация
Представлены результаты сравнительной оценки условий синтеза, физико-химических характеристик и биоактивности стеклообразных систем вида 60SiO2–(40–x)CaO–xFe2O3 (x = 0, 1, 3, 5% мол.) и 70SiO2–(30–x)CaO–xZnO (x = 1, 3, 5% мол.). Установлено, что температура спекания для получения цинксодержащих порошков составляет 700°C; для железосодержащих порошков ‒ 750°C. Найдено, что на аморфную природу стеклообразных железо- и цинксодержащих систем влияет содержание Fe2O3 и ZnO. Железосодержащие системы являются аморфными при допировании Fe2O3 в количестве x = 0 и 1% мол.; цинксодержащие ‒ при допировании ZnO в количестве x = 1, 3, 5% мол. Показано, что железо- и цинксодержащие системы являются биостеклами (БС) и их биоактивность подтверждается наличием пиков минеральных слоев гидроксиапатита при 2θ = 26° (002), 32° (211) в спектрах рентгеновской дифракции после выдерживания образцов в растворе SBF. С увеличением содержания Fe2O3 или ZnO от 0÷1% мол. до 5% мол. биоактивность снижается, что подтверждается уменьшением или исчезновением одного из пиков гидроксиапатита в системах 60Si37Ca3Fe, 70Si35Ca5Zn. Наиболее активное формирование слоев гидроксиапатита наблюдается для 60Si39Ca1Fe, 70Si39Ca1Zn. Результаты исследований магнитных, термических и текстурных свойств показывают, что ионы Fe(III) и Zn(II) являются модификаторами стекловидной сетки, замещая ионы кальция и кремния в ней. При этом установлено, что добавки ионов Fe(III) индуцируют магнитные свойства систем с сохранением их биоактивности. Магнитные свойства усиливаются с увеличением содержания Fe2O3. Увеличение содержания ZnO от 1 до 5% мол. в системах вызывает снижение температуры фазового перехода и вызывает уменьшение пористости. Добавление ионов вышеуказанных элементов придает БС полезные свойства, при этом БС растворяются в организме без следа, не образуя токсичных химических соединений.
Литература
Román, J., Padilla, S., & Vallet-Regí, M. (2003). Sol-Gel Glasses as Precursors of Bioactive Glass Ceramics. Chemistry Materials, 15 (3). 798–806. https://doi.org/10.1021/cm021325c.
Martínez, A., Izquierdo-Barba, I., & Vallet-Regí M. (2000). Bioactivity of a CaO−SiO2 Binary Glasses System. Chem. Mater., 12 (10), 3080–3088. https://doi.org/10.1021/cm001107o.
Juhasz, J.A., & Best, S. M. (2012). Bioactive ceramics: processing, structures and properties. Journal of Materials Science, 47 (2), 610–624.
Goh, Y.F., Alshemary, A. Z., Akram, M., & Kadir, M.R.A. (2012). In vitro Study of Nano-Sized Zinc Doped Bioactive Glass. Materials Chemistry and Physics, 137(3), 1031–1038. http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.11.022.
Courthéoux, L., Lao, J., Nedelec, J.-M., & Jallot, E. (2008). Controlled Bioactivity in Zn-doped sol-gel derived SiO2-CaO bioactive glasses. Journal of Physical Chemistry, 112(35), 13663–13667.
Balasubramanian, P., Strobel, L.A., Kneser, U., & Boccaccini, A.R. (2015). Zinc-containing bioactive glasses for bone regeneration, dental and orthopedic applications. Biomedical glasses, 1(1), 51–69. https://doi.org/10.1515/bglass-2015-0006.
Baino, F., Fiume, E., Miola, M., Leone, F., Onida, B., Laviano, F., Gerbaldo, R., Verné, E. (2018). Fe-Doped Sol-Gel Glasses and Glass-Ceramics for Magnetic Hyperthermia. Materials (Basel), 11(1), 173–188. https://doi.org/10.3390/ma11010173.
Baino, F., Fiume, E., Miola, M., Leone, F., Onida, B., & Verné, E. (2019). F. Fe-doped bioactive glass-derived scaffolds produced by sol-gel foaming. Materials Letters, 235, 207‒211. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.10.042.
Sepulveda, P., Jones, J.R., & Hench, L.L. (2001). Characterization of melt-derived 45S5 and sol-gel-derived 58S bioactive glasses. J. Biomed. Mater. Res, 58(6), 734–740. https://doi.org/10.1002/jbm.10026.
Julian, R.J. (2013). Review of bioactive glass: From Hench to hybrids. Acta Biomaterialia, 9, 4457–4486. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.08.023.
Gutowska, I., Machoy, Z., & Machalinski, B. (2005). The role of bivalent metals in hydroxyapatite structures as revealed by molecular modeling with the Hyper Chem software. Journal of Biomedical Materials Research. Part A, 75(4), 788–793. https://doi.org/10.1002/jbm.a.30511.
Camargo, N.H.A., Delima, S.A., Souza, J.C.P., Aguiar, J.F., Meier, M.M., & Cardoso, V.E.S. (2009). Synthesis and Characterization of Nanostructured Ceramic Powders of Calcium Phosphate and Hydroxyapatite for Dental Applications. Key Engineering Materials, 398, 619–622. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.396-398.619.
Hench, L.L. (1975). Characterization of glass corrosion and durability. Journal of Non-Crystalline Solids, 19, 27–39. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(02)01864-1.
Hench, L.L., Splinter, R. J., Allen, W. C., & Greenlee, T. K. (1971). Bonding mechanisms at the interface of ceramic prosthetic materials. Journal of Biomedical Materials Research, 5 (6), 117–141.
Bui, X.V., & Dang, T.H. (2019). Bioactive glass 58S prepared using an innovation sol-gel process. Processing and Application of Ceramics, 13 (1), 98–103. https://doi.org/10.2298/PAC1901098B.
Bui X.V. (2019). Evaluating Formation and Bioactivity of New Sol-gel Bioactive Glass. VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, 35 (1), 68–75. https://doi.org/10.25073/2588-1140/vnunst.4832.
Saravanapavan, P., & Hench, L.L. (2003). Mesoporous calcium silicate glasses. I. Synthesis. Journal of Non-Crystalline Solids, 318 (1–2), 1–13. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(02)01864-1.
Dang, T.H., Bui, T.H., Guseva, E. V., Ta, A. T., Nguyen, A.T., Hoang, T.T.H., Bui, X.V. (2020). Characterization of Bioactive Glass Synthesized by Sol-Gel Process in Hot Water. Crystals, 10(6), 529–539. https://doi.org/10.3390/cryst10060529.
Bui, T.H., Hoang, H.T.T., Nguyen, A.T., Nguyen, H.D.Kh., Guseva, E.V., Ta, A.T., & Bui,X.V. (2020). Green synthesis of bioactive glass 70SiO2-30CaO by hydrothermal method. Materials Letters, 274(11), 128032–128041. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128032.
Ta, A.T., Buy S.V., & Guseva E.V. (2020). Synthesis of magnetic bioactive glasses 60SiO2-(40-x)CaO-Fe2O3 by acid – free hydrothermal method. Vestnik Technologicheskogo universiteta, 23(11), 73–77. EDN: XWKSZF.
Ta, A.T., Guseva, E.V., Le, H.P., Nguyen, Q.H., Nguyen, V.L., & Bui, X.V. (2020). Acid-free hydrothermal process for synthesis of bioactive glasses 70SiO2-(30-x)CaO-xZnO (x=1, 3, 5 mol.%). Materials of the 2 International Online Conference Crystals session MDPI «Crystalline Minerals and Biominerals»: MDPI, 62(6), 1–12. https://www.mdpi.com/2504-3900/62/1/6.
Kokubo, T., & Takadama, H. (2006). How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity. Biomaterials, 24, 2907–2915. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2006.01.017.
Min, Y., Elisa, F., Enrica, V., Theo, S., Mike, J.R., Francesco B. (2018) Bioactive sol-gel glass-coated wood-derived biocarbon scaffolds. Materials Letters, 232, 14–17. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.08.067.
Lansdown, A.B.G., Mirastschijski, U., Stubbs, N., Scanlon, E., & Agren, M.S. (2007) .Zinc in wound healing: theoretical, experimental, and clinical aspects. Wound Repair and Regeneration, 15(1), 2–16. https://doi.org/10.1111/j.1524-475X.2006.00179.x.
El-Kady, A.M., & Ali, A.F. (2012). Fabrication and characterization of ZnO modified bioactive glass nanoparticles. Ceramics International, 38(2), 1195–1204. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.07.069.
Zhu, M., Zhang, J., Zhou, Y., Liu, Y., He, X., Tao, C., & Zhu, Y. (2013). Preparation and Characterization of Magnetic Mesoporous Bioactive Glass/Carbon Composite Scaffolds. Journal of Chemistry, 893479–893489. https://doi.org/10.1155/2013/893479.
Wu, C., & Chang, J. (2012). Mesoporous bioactive glasses: structure characteristics, drug/growth factor delivery and bone regeneration application. Interface Focus, 2, 292–306. https://doi.org/10.1098/rsfs.2011.0121
Xynos, I.D., Hukkanen, M.V.J., Batten, J.J., Buttery, L.D., Hench, L.L., & Polak, J.M. (2000). Bioglass 45S5 Stimulates Osteoblast Turnover and Enhances Bone Formation In Vitro: Implications and Applications for Bone Tisue Engineering. Calcified Tissue International, 67, 321–329. https://doi.org/10.1007/s002230001134.
Hench, L.L. (2006).The story of Bioglass. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 17(11), 967–978. https://doi.org/10.1007/s10856-006-0432-z.
Yadav, V.S., Narula, S.C., Sharma, R.K., & Tewari, S. (2011). Clinical evaluation of guided tissue regeneration combined with autogenous bone or autogenous bone mixed with bioactive glass in intrabony defects. Journal of Oral Science, 53(4), 481–488. https://doi.org/10.2334/josnusd.53.481.
Owens, G.J., Singh, R.K., Foroutan, F., Alqaysi, M., Cheol-Min, H., Mahapatra, C., Hae-Won, K., & Knowles, J.C. (2016). Sol-gel based materials for biomedical applications. Progress in Materials Science, 77, 1–79. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2015.12.001.
Xia, W., & Chang, J.J. (2007). Preparation and characterization of nano-bioactiveglasses (NBG) by a quick alkali-mediated (sol-gel) method. Materials Letters, 61, 3251–3253. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.11.048.
Oudadesse, H., Dietrich, E., Gal, Y.L., Pellen, P., Bureau, B., Mostafa, A.A., & Cathelineau, G. (2011). Apatite forming ability and cytocompatibility of pure and Zn-doped bioactive glasses. Biomedical Materials, 6(3), 035006–035014. https://doi.org/10.1088/1748-6041/6/3/035006.
Copyright (c) 2023 Е.В. Гусева, А.Т. Та, С.В. Буй, Е.В. Фесик
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
