Синтез биостекла
Биоактивные стекла были синтезированы с помощью таких методов, как обычное плавление , закалка , золь-гель-процесс , пламенный синтез и микроволновое облучение . Синтез биостекла рассматривался различными группами, причем золь-гель синтез является одним из наиболее часто используемых методов производства композитов из биостекла, особенно для применения в тканевой инженерии . Были разработаны и другие методы синтеза биостекла, такие как пламенный и микроволновый синтез, хотя они менее распространены в исследованиях.
История и методология
[ редактировать ]Синтез закалки расплава
[ редактировать ]Первое биоактивное стекло , разработанное Ларри Хенчем в 1969 году, было произведено путем плавления смеси родственных предшественников оксидов при относительно высоких температурах. Это оригинальное биоактивное стекло, названное Биостекло, было получено из расплава и имело состав 46,1 мол. % SiO 2 , 24,4 мол. % Na 2 O , 26,9 мол. % CaO и 2,6 мол. % P 2 O 5 . Выбор состава стекла для конкретных применений часто основан на всестороннем понимании того, как каждый основной компонент влияет на свойства стекла, учитывая как его конечное использование, так и процесс производства. Несмотря на обширные исследования за последние 40 лет, лишь ограниченное количество составов стекла было одобрено для клинического использования. Среди них две композиции, полученные из расплава, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) — 45S5 и S53P4 — состоят из четырех оксидов: SiO 2 , Na 2 O , CaO и P 2 O 5 . [ 1 ] [ 2 ] Вообще в стаканах можно растворить большое количество элементов. Влияние Al 2 O 3 , B 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgO , [ 3 ] С.О. , [ 4 ] BaO , ZnO , Li 2 O , K 2 O , CaF 2 [ 5 ] и TiO 2 на in vitro или in vivo . свойства некоторых композиций биоактивных стекол [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ чрезмерное цитирование ] Однако влияние состава на свойства и совместимость биоактивных и биоразлагаемых стекол до конца не изучено. [ нужна ссылка ]
Каркасы, изготовленные методом закалки расплавом, имеют гораздо меньшую пористость , что вызывает проблемы с заживлением и интеграцией тканей во время испытаний in vivo. [ нужна ссылка ]
Золь-гель процесс
[ редактировать ]Золь -гель-процесс имеет долгую историю синтеза силикатных систем и других оксидов и стал широко исследуемой областью, имеющей важное технологическое значение. Этот процесс используется для изготовления тонких пленок, покрытий, наночастиц и волокон. Технология золь-гель обработки при низких температурах, являющаяся альтернативой традиционной обработке стекол расплавом, предполагает синтез раствора (золя), как правило, состоящего из металлоорганических соединений и солей металлов предшественников . За этим следует образование геля посредством химической реакции или агрегации и, наконец, термическая обработка для сушки, удаления органических веществ, а иногда и обработка кристаллизацией и охлаждением. Синтез специфических силикатных биоактивных стекол золь-гель-методом при низких температурах с использованием в качестве прекурсоров алкоксидов металлов был продемонстрирован в 1991 г. Ли с соавт. [ 11 ] Типичные предшественники для синтеза биоактивного стекла включают тетраэтилортосиликат , нитрат кальция и триэтилфосфат . В результате реакций гидролиза и поликонденсации образуется гель, который затем прокаливают при 600–700°C для получения стекла. Золь-гель-продукты, такие как тонкие пленки или частицы, обладают высокой пористостью и высокой удельной поверхностью . Недавнее исследование Hong et al. сосредоточился на производстве биоактивных наночастиц силикатного стекла посредством сочетания золь-гель-метода и метода соосаждения . [ 12 ] В этом процессе смесь прекурсоров гидролизуется в кислой среде, конденсируется в щелочной среде, а затем подвергается лиофилизации . Морфологию и размер наночастиц биоактивного стекла можно регулировать, варьируя условия производства и соотношение подачи реагентов . [ нужна ссылка ]
В биоактивные стекла могут быть включены различные ионы, включая цинк , магний , цирконий , титан , бор и серебро , для повышения функциональности и биологической активности. Однако синтез биоактивных стекол на наноуровне с этими ионами может оказаться сложной задачей. Недавно Делбен и др. разработали золь-гель-производное биоактивное стекло, легированное серебром, и сообщили, что Si-O-Si число связей увеличивается с более высокими концентрациями серебра, что приводит к структурному уплотнению. [ 13 ] Было также замечено, что кристаллизация кварца и металлического серебра увеличивается с увеличением содержания серебра, тогда как кристаллизация гидроксиапатита снижается.
Золь-гель метод широко известен своей универсальностью при синтезе неорганических материалов и доказал свою пригодность для производства различных биоактивных стекол. Однако диапазон композиций, которые можно производить, ограничен. Остаточное содержание воды или растворителя может затруднить его применение в биомедицинских областях, вызывая необходимость высокотемпературного прокаливания для удаления органических остатков. Кроме того, золь-гель обработка занимает много времени и, поскольку процесс является периодическим, может привести к различиям от партии к партии. [ 14 ]
Другие методы
[ редактировать ]Начиная с 2006 года исследователи разработали альтернативные методы синтеза биостекла; эти методы включают пламенный синтез и микроволновый синтез. Пламенный синтез осуществляется путем обжига порошков непосредственно в пламенном реакторе. [ 15 ] Микроволновой синтез — это быстрый и недорогой метод, при котором прекурсоры растворяются в воде, переносятся в ультразвуковую ванну , а затем облучаются. [ 16 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хенч, Л.Л. и Паскал, Х.А. (1973)Прямая химическая связь биоактивных стеклокерамических материалов с костью и мышцами, J Biomed Mater Res, Vol. Т. 7, № 3, стр. 25-42.
- ^ Андерссон, Огайо, Карлссон, К. Х., Кангасниеми, К. и Ксли-Урпо, А. (1988). Модели физических свойств и биоактивности фосфатно-опаловых стекол. Glastechnische Berichte, 61(10):300-305.
- ^ Уоттс С.Дж., Хилл Р.Г., О'Доннелл, доктор медицины, Лоу Р.В. Влияние магнезии на структуру и свойства биоактивных стекол. J Non-Cryst Solids 2010;356:517-24.
- ^ Джентльмен, Э., Фредхольм, Ю.К., Джелл, Г., Лотфибахшаиш, Н., О'Доннелл, доктор медицинских наук, Хилл, Р.Г. и Стивенс, М.М. (2010) «Влияние стронций-замещенных биоактивных стекол на остеобласты и остеокласты у vitro', Биоматериалы, 31(14): 3949-3956.
- ^ В. Айна, Г. Лусварди, Г. Малаваси, Л. Менабуэ, К. Мортерра, Фторидсодержащие биоактивные стекла: поверхностная реактивность в моделируемых жидкостях организма, Acta Biomaterialia 5 (2009) 3548–3562.
- ^ Андерссон, О.Х., Лю, Г., Карлссон, К.Х., Ниеми, Л., Миеттинен, Дж. и Юханоя, Дж. (1990) «Поведение стекол in vivo в SiO2-Na2O-CaO-P2O5- Система Al2O3-B2O3», Журнал материаловедения: Материалы в медицине, 1 (4): 219-227.
- ^ WCA Враувенвелдер, К.Г. Грут, К. Дегроот, Улучшенная гистология и биохимия остеобластов, культивируемых на биоактивном стекле, легированном титаном - Bioglass 45S5 по сравнению с железосодержащими, титансодержащими, фторсодержащими и борсодержащими биоактивными стеклами, Biomaterials 15 (1994) 97–106.
- ^ Бринк М., Турунен Т., Хаппонен Р.П., Юли-Урпо А. Композиционная зависимость биоактивности стекол в системе Na2O-K2O-MgO-CaO-B2O3-P2O5-SiO2. J Biomed Mater Res 1997;37:114-121.
- ^ Хайми, С., Горианц, Г., Моймас, Л., Линдроос, Б., Хухтала, Х., Ряти, С., Куокканен, Х., Шандор, Г.К., Шмид, К., Миеттинен, С. и Сууронен, Р. (2009) «Характеристика трехмерных биоактивных стеклянных каркасов, высвобождающих цинк, и их влияние на пролиферацию жировых стволовых клеток человека и остеогенную дифференцировку», Acta Biomaterialia, Том. 5, нет. 8, с. 3122-3131.
- ^ Чжан Дж., Ван М., Ча Дж.М. и Манталарис, А. (2009). Включение биоактивного стекла 70-х годов в остеогенную дифференцировку эмбриональных стволовых клеток мыши в 3D-биореакторах. Дж. Ткани Eng. Реген. Мед. 3(1): 63-71.
- ^ Ли Р., Кларк А.Е., Хенч Л.Л. Исследование биоактивных стеклянных порошков золь-гель-обработкой. J App Biomater 1991;2(4):231-239.
- ^ Хун З, Лю А, Чен Л, Чен X, Цзин X. Получение биоактивных стеклокерамических наночастиц комбинацией золь-гель и метода соосаждения. J Non-Cryst Solids 2009;355(6):368-372
- ^ Дельбен Дж.Р.Дж., Пиментел ОМ, Коэльо М.Б., Канделорио П.Д., Фурини Л.Н., Сантос Ф.А., Висенте Ф.С., Дельбен ААСТ. Синтез и термические свойства наночастиц биоактивных стекол, содержащих серебро. J Therm Anal Calorim 2009; 97: 433–436.
- ^ Бруннер, Тобиас Дж.; Грасс, Роберт Н.; Старк, Венделин Дж. (2006). «Нанопорошки стекла и биостекла методом пламенного синтеза». Химические коммуникации (13): 1384–6. дои : 10.1039/b517501a . ПМИД 16550274 .
- ^ Бруннер, Тобиас Дж.; Грасс, Роберт Н.; Старк, Венделин Дж. (2006). «Нанопорошки стекла и биостекла методом пламенного синтеза». Химические коммуникации (13): 1384–6. дои : 10.1039/b517501a . ПМИД 16550274 .
- ^ ЭССЬЕН, ЭНОБОНГ Р; АТАСИ, ВИОЛЕТТА Н; УДОБАНГ, ЭСТЕР У (27 июля 2016 г.). «Образование биоактивного тройного стекла CaO–MgO–SiO2 с помощью микроволновой энергии из биологических отходов» (PDF) . Вестник материаловедения . 39 (4): 989–995. дои : 10.1007/s12034-016-1251-6 . S2CID 100064762 .