Биоактивные стеклообразные системы вида SiO2-CaO-P2O5, допированные соединениями цинка(II) и марганца(II): эффективный синтез и свойства
Аннотация
Представлены результаты сравнительной оценки условий синтеза, физико-химических характеристик и биоактивности стеклообразных систем вида 60SiO2 – (36–x)CaO – 4P2O5 – xZnO (x = 1, 3, 5% мол.), 70SiO2 –(26–x)CaO – 4P2O5 – xMnO (x = 0, 3, 5% мол.). Установлено, что температура спекания для получения цинк- и марганецсодержащих порошков составляет 700°C. Найдено, что аморфные свойства наблюдаются для всех синтезированных систем 60SiO235CaO4P2O51ZnO, 60SiO233CaO4P2O53ZnO, 60SiO231CaO4P2O55ZnO, 70SiO226CaO4P2O5, 70SiO223CaO4P2O53MnO, 70SiO221CaO4P2O55MnO. Показано, что цинк- и марганецсодержащие системы являются биостеклами. С увеличением содержания ZnO и MnO (II) биоактивность систем снижается. Наиболее активное формирование слоев гидроксиапатита наблюдается для 70SiO226CaO4P2O5 и 70SiO223CaO4P2O53MnO. Цинксодержащие системы по биоактивности можно расположить в следующем порядке: 60SiO235CaO4P2O51ZnO > 60SiO233CaO4P2O53ZnO > 60SiO231CaO4P2O55ZnO. Результаты исследований текстурных свойств показывают, что ионы Zn (II) являются модификаторами стекловидной сетки при 1÷3% мол., замещая ионы кальция и кремния. Наличие оксида фосфора(V) в системе препятствует полной модификации и разрушению стекловидной сетки с увеличением содержания ионов Zn(II) до 5% мол. Установлено влияние добавок оксида MnO на термические свойства, что выражается в снижении температуры фазового перехода с увеличением содержания MnO от 0 до 5% мол. Подбор исходных материалов и схемы процесса проводились с применением принципов «зеленой химии».
Литература
Kokubo, T. (2021). Mechanical properties of a new type of glass-ceramic for prosthetic applications. Multiphase Biomedical Materials, 105‒114. https://doi.org/10.1201/9780429087592-7.
Varshneya, A. K. (1994). Fundamentals of Inorganic glasses. Boston: Academic Press.
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.
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.
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.
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.
Ma, J., Chen, C.Z., Wang, D.G., Meng, X.G., & Shi, J.Z. (2010). Influence of the sintering temperature on the structural feature and bioactivity of sol-gel derived SiO2-CaO-P2O5 bioglass. Ceramics International, 36(6), 1911–1916.
Juhasz, J.A., Best, S.M. (2012). Bioactive ceramics: processing, structures and properties. Journal of Materials Science, 47(2), 610–624.
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
Ahmadi, S.M., Behnamghader A., & Asfnejaad A. (2017). Sol-gel synthesis, characterization and in vitro evaluation of SiO2-CaO-P2O5 bioactive glass nanoparticles with various CaO/P2O5 ratios. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 12 (3). 847–860.
Letaief, N., Lucas-Girot, A., Hassane, O., & Dorbez-Sridi, R. (2014). New 92S6 mesoporous glass: Influence of surfactant carbon chain length on the structure, pore morphology and bioactivity. Materials Research Buleetin, 60, 882–889. DOI: 10.1016/j.materresbull.2014.08.048
Ta, A.T., Guseva, E.V., Nguyen, A.T., Ho, T.D., & Bui, X.V. (2021). Simple and Acid-Free Hydrothermal Synthesis of Bioactive Glass 58SiO2-33CaO-9P2O5 (wt%). Crystals, 11(3), 283–295. https://doi.org/10.3390/cryst11030283
Rocton, N., Oudadesse, H., Mosbahi, S., Bunetel, L., Pellen-Mussi, P., & Lefeuvre, B. (2019). Study of nano bioactive glass for use as bone biomaterial comparison with micro bioactive glass behaviour. Materials Science and Engineering, 628, 1–11. https://doi.org/10.1088/1757-899X/628/1/012005.
Cañaveral, S., Morales, D., & Vargas, A. F. (2019). Synthesis and characterization of a 58S bioglass modified with manganese by a sol-gel route. Materials Letters, 255 (15), 126575–126579. https://doi.org/10.1016/J.MATLET.2019.126575
Bui, T.H., Le, H.P., Nguyen, Q.H., Guseva, E.V., Ta, A.T., Nguyen, A.T., Nguyen, V.L. Nguyen, Ha, T.A., Ravi, P., Mohan, N. Krishna, Vo, T.V., & Bui X. V. (2022). Structure, Morphology and Bioactivity of Bioactive Glasses SiO2-CaO-P2O5 Doped with ZnO Synthesized by Green Synthesis. Glass physics and chemistry, 48 (4), 273-279. https://doi.org/10.1134/S1087659622040058.
Kokubo, T., Takadama, H. (2006). How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity. Biomaterials, 24, 2907–2915. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.01.017.
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
Thommes, M., Kaneko, K., Neimark, A.V., Olivier, J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., & Sing K.S.W. (2015). Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Journal Pure and Applied Chemistry, 87(9–10), 1052–1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
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.
Nawaz, Q., Rehman, M.A.U., Burkovski, A., Schmidt, J., Beltrán, A.M., Shahid, Ameen, Alber, N.K., Peukert, W., & Boccaccini A.R. (2018). Synthesis and characterization of manganese containing mesoporous bioactive glass nanoparticles for biomedical applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 29(64), 2053–2066. https://doi.org/10.1007/s10856-018-6070-4
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.
Bejarano, J. , Caviedes, P., & Palzal, H. (2015). Sol–gel synthesis and in vitro bioactivity of copper and zinc-doped silicate bioactive glasses and glass-ceramics. Biomed. Mater., 10(2), 025001–025013. https://doi.org/10.1088/1748-6041/10/2/025001
Atkinson, I., Anghel, E.M., Predoana, L., Mocioiu, O.C., Jecu, L., Raut, I., Munteanu, C., Culita, D., & Zaharescu, M. (2016). Influence of ZnO addition on the structural, in vitro behavior and antimicrobial activity of sol– gel derived CaO-P2O5-SiO2 bioactive glasses. Ceramics International, 42(2), P. 3033–3045. http://dx.doi.org/10.1016%2Fj.ceramint.2015.10.090
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.
