Биоактивное стекло, вид в электронный микроскоп [1]
Биоактивные стекла представляют собой группу поверхностно -реактивных стеклокерамических биоматериалов и включают оригинальное биоактивное стекло Bioglass . Биосовместимость биологическая и активность этих стекол позволили использовать их в качестве в имплантатов организме человека для восстановления и замены больных или поврежденных костей . [2] Большинство биоактивных стекол представляют собой стекла на основе силиката, которые разлагаются в жидкостях организма и могут выступать в качестве средства доставки ионов, полезных для заживления. Биоактивное стекло отличается от других синтетических биоматериалов для костной пластики (например, гидроксиапатита , двухфазного фосфата кальция, сульфата кальция) тем, что оно единственное, обладающее противоинфекционными и ангиогенными свойствами. [3]
Ларри Хенч и его коллеги из Университета Флориды впервые разработали эти материалы в 1969 году. [4] и они получили дальнейшее развитие его исследовательской группой в Имперском колледже Лондона и другими исследователями по всему миру. Хенч начал разработку, представив в 1968 году командованию медицинских исследований и разработок армии США гипотезу, основанную на его теории о том, что организм отвергает металлический или полимерный материал, если он не способен образовать покрытие из гидроксиапатита , которое находится в кости. [5] Хенч и его команда получили финансирование сроком на один год и начали разработку того, что впоследствии стало композицией 45S5. [5] Название «Биостекло» было зарегистрировано как торговая марка Университета Флориды как название оригинального состава 45S5. Поэтому его следует использовать только в отношении состава 45S5, а не как общий термин для биоактивных стекол. [6]
С помощью фазовая диаграмма, Хенч выбрал состав 45% , 24.5% , 24.5% , и 6% позволить себе большое количество и некоторые в матрица. [5] Стекло было упаковано, расплавлено и отлито в небольшие прямоугольные имплантаты, которые затем были вставлены в бедренную кость крыс на шесть недель, как это разработал доктор Тед Гринли из Университета Флориды. [5] Через шесть недель доктор Гринли сообщил: «Эти керамические имплантаты не выходят из кости. Они приклеены на месте. Я могу на них давить, я могу их толкать, я могу ударять их, и они не двигаются. Управление легкое. выскользнуть». [5] Эти результаты легли в основу первой статьи о биоактивном стекле 45S5 в 1971 году, в которой резюмировалось, что эксперименты in vitro в растворе с дефицитом ионов кальция и фосфата показали развитый слой гидроксиапатита, аналогичный гидроксиапатиту, обнаруженному позже in vivo доктором Гринли.
Ученые из Амстердама (Нидерланды) взяли кубики биоактивного стекла и имплантировали их в голени морских свинок в 1986 году. [7] Через 8, 12 и 16 недель после имплантации морских свинок подвергали эвтаназии и извлекали их голени. [7] Затем имплантаты и большеберцовые кости были подвергнуты испытанию на прочность на сдвиг для определения механических свойств имплантата по границе кости, где было обнаружено, что прочность на сдвиг составила 5 Н/мм. 2 . [7] Электронная микроскопия показала, что к керамическим имплантатам прочно прилипли остатки кости. [7] Дальнейшая оптическая микроскопия выявила рост костных клеток и кровеносных сосудов в области имплантата, что было доказательством биосовместимости между костью и имплантатом. [7]
Биоактивное стекло было первым материалом, способным создавать прочную связь с живой костной тканью. [8]
ЯМР-спектроскопия твердого тела оказалась очень полезной при определении структуры аморфных твердых тел . Биоактивные стекла были изучены 29 Си и 31 твердого тела P. MAS ЯМР-спектроскопия Химический сдвиг по данным MAS-ЯМР указывает на тип химических веществ, присутствующих в стекле. 29 Si MAS ЯМР-спектроскопия показала, что Биостекло 45S5 представляет собой структуру типа Q2 с небольшим количеством Q3; т. е. силикатные цепи с небольшим количеством поперечных связей. 31 P MAS ЯМР выявил преимущественно виды Q0; т.е. ПО 4 3− ; последующие измерения MAS-ЯМР-спектроскопии показали, что связи Si-OP находятся ниже обнаруживаемых уровней. [9]
Первоначально состав был выбран из-за того, что он является примерно эвтектическим . [11]
Название 45S5 означает стекло с содержанием SiO 2 45 мас.% и молярным соотношением кальция и фосфора 5:1. Более низкое соотношение Ca/P не связывается с костью. [12]
Ключевыми особенностями состава биостекла является то, что оно содержит менее 60 мол.% SiO 2 , высокое содержание Na 2 O и CaO, высокое соотношение CaO/P 2 O 5 , что делает биостекло высокореактивным по отношению к водной среде и биоактивным.
Высокая биоактивность является основным преимуществом биостекла, а его недостатками являются механическая слабость, низкая устойчивость к разрушению из-за аморфной двумерной сетки стекла. Прочность на изгиб большинства биостекла находится в пределах 40–60 МПа , что недостаточно для несущего применения. Его модуль Юнга составляет 30–35 ГПа, что очень близко к модулю кортикальной кости , что может быть преимуществом. Имплантаты из биостекла можно использовать в приложениях, не несущих нагрузку, для заглубленных имплантатов, нагруженных незначительно или сжимающе. Биостекло также можно использовать в качестве биоактивного компонента в композиционных материалах или в виде порошка, а также для создания искусственной перегородки для лечения перфораций, вызванных злоупотреблением кокаином. Он не имеет известных побочных эффектов. [11]
Первое успешное хирургическое применение Bioglass 45S5 было при замене косточек среднего уха для лечения кондуктивной тугоухости . Преимущество 45S5 заключается в отсутствии склонности к образованию фиброзной ткани. Другое применение - конусы для имплантации в челюсть после удаления зуба . Для реконструкции кости можно использовать композитные материалы из биостекла 45S5 и собственной кости пациента. [11]
Биостекло сравнительно мягкое по сравнению с другими стеклами. Его можно обрабатывать , предпочтительно алмазным инструментом, или измельчать в порошок. Биостекло необходимо хранить в сухом помещении, так как оно легко впитывает влагу и вступает с ней в реакцию. [12]
Биостекло 45S5 производится по традиционной технологии производства стекла с использованием тиглей из платины или платиновых сплавов во избежание загрязнения. Загрязнения могут влиять на химическую активность организма. Отжиг является решающим этапом при формировании объемных деталей из-за высокого теплового расширения материала.
Термическая обработка биостекла снижает содержание летучих оксидов щелочных металлов и осаждает кристаллы апатита в матрице стекла. Полученный стеклокерамический материал, названный Церавитал, обладает более высокой механической прочностью и меньшей биологической активностью. [13]
Формула S53P4 была впервые разработана в начале 1990-х годов в Турку, Финляндия, в Академическом университете Або и Университете Турку . В 2011 году оно получило заявку на использование продукта для заполнения костных полостей при лечении хронического остеомиелита. S53P4 является одним из наиболее изученных биоактивных стекол на рынке и имеет более 150 публикаций.
Когда биоактивное стекло S53P4 помещается в полость кости, оно вступает в реакцию с жидкостями организма, активируя стекло. В течение этого периода активации биоактивное стекло проходит серию химических реакций, создавая идеальные условия для восстановления кости посредством остеокондукции.
Высвобождаются ионы Na, Si, Ca и P.
На поверхности биоактивного стекла образуется слой силикагеля.
CaP кристаллизуется, образуя слой гидроксиапатита на поверхности биоактивного стекла.
После формирования слоя гидроксиапатита биоактивное стекло взаимодействует с биологическими объектами, то есть белками крови, факторами роста и коллагеном. В результате этого взаимодействия остеокондуктивные и остеостимулирующие процессы помогают новой кости расти на биоактивных стеклянных структурах и между ними. [14]
Биоактивное стекло связывается с костью, способствуя образованию новой кости.
Остеостимуляция начинается со стимуляции остеогенных клеток для увеличения скорости ремоделирования кости.
Радиоплотное качество биоактивного стекла позволяет проводить послеоперационную оценку.
На заключительной фазе трансформации продолжается процесс регенерации и ремоделирования кости. Со временем кость полностью регенерирует, восстанавливая естественную анатомию пациента.
Происходит консолидация костей.
Биоактивное стекло S53P4 продолжает реконструироваться в кость в течение многих лет.
Биоактивное стекло S53P4 в настоящее время является единственным биоактивным стеклом на рынке, которое, как доказано, эффективно подавляет рост бактерий. Свойства ингибирования роста бактерий S53P4 обусловлены двумя одновременными химическими и физическими процессами, которые происходят, когда биоактивное стекло реагирует с жидкостями организма. Натрий (Na) высвобождается с поверхности биоактивного стекла и вызывает повышение pH (щелочной среды), что неблагоприятно для бактерий, тем самым подавляя их рост. Высвободившиеся ионы Na, Ca, Si и P вызывают повышение осмотического давления из-за повышения концентрации солей, т. е. создания среды, в которой бактерии не могут расти. [15] [16]
Биостекло 8625 не прикрепляется к тканям или кости, оно удерживается на месте за счет инкапсуляции фиброзной ткани . После имплантации на границе между стеклом и тканью образуется слой, богатый кальцием. Без дополнительного антимиграционного покрытия он подвержен миграции в тканях. Антимиграционное покрытие представляет собой материал, который приклеивается как к стеклу, так и к ткани. В качестве такого материала часто используется парилен , обычно парилен типа C. [18]
Биостекло 8625 имеет значительное содержание железа , которое обеспечивает поглощение инфракрасного света и позволяет герметизировать его с помощью источника света, например, Nd:YAG-лазера или ртутной лампы . [17] Содержание Fe 2 O 3 обеспечивает высокое поглощение с максимумом при 1100 нм и придает стеклу зеленый оттенок. Использование инфракрасного излучения вместо пламени или контактного нагрева помогает предотвратить загрязнение устройства. [19]
После имплантации стекло реагирует с окружающей средой в две фазы в течение примерно двух недель. На первом этапе ионы щелочных металлов выщелачиваются из стекла и заменяются ионами водорода ; небольшое количество ионов кальция также диффундирует из материала. На втором этапе связи Si-O-Si в кремнеземной матрице подвергаются гидролизу , образуя гелеобразный поверхностный слой, богатый группами Si-OH. , богатый фосфатом кальция пассивирующий слой На поверхности стекла постепенно образуется , предотвращающий дальнейшее выщелачивание.
По сравнению с Биостеклом 45С5, силикатное биоактивное стекло 13-93 состоит из более высокого состава SiO 2 и включает K 2 O и MgO. Он коммерчески доступен от Mo-Sci Corp. или может быть получен непосредственно плавлением смеси Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , MgCO 3 , CaCO 3 , SiO 2 и NaH 2 PO 4 · 2H 2 O в платиновой печи. тигель при температуре 1300 °C и закалка между пластинами из нержавеющей стали. [20]
Стекло 13-93 получило одобрение для использования in vivo в США и Европе. Он имеет более легкое вязкое течение и меньшую склонность к кристаллизации при втягивании в волокна. Порошок биоактивного стекла 13-93 можно диспергировать в связующем для создания чернил для роботизированного литья или технологии 3D-печати с прямыми чернилами. Механические свойства полученных пористых каркасов изучались в различной литературе. [21]
Напечатанный каркас из биоактивного стекла 13-93 в исследовании Liu et al. сушили на окружающем воздухе, обжигали до 600°C в атмосфере O 2 для удаления технологических добавок и спекали на воздухе в течение 1 часа при 700°C. В первозданном образце прочность на изгиб (11 ± 3 МПа) и модуль упругости при изгибе (13 ± 2 МПа) сравнимы с минимальным значением показателей трабекулярных костей , а прочность на сжатие (86 ± 9 МПа) и модуль сжатия (13 ± 2 МПа ) сравнимы с минимальными значениями показателей трабекулярных костей. 2 ГПа) близки к значениям кортикальной кости . Однако вязкость разрушения готового каркаса составила 0,48 ± 0,04 МПа·м. 1/2 , что указывает на то, что она более хрупкая, чем кортикальная кость человека, вязкость разрушения которой составляет 2–12 МПа·м. 1/2 . После погружения образца в искусственную жидкость организма (SBF) или подкожной имплантации в спину крыс прочность на сжатие и модуль сжатия резко снижаются в течение первых двух недель, но более постепенно через две недели. Снижение механических свойств было объяснено частичным превращением стеклянных нитей в каркасах в слой, состоящий преимущественно из пористого гидроксиапатитоподобного материала. [22]
В другой работе Колана и его коллег использовалось селективное лазерное спекание вместо традиционной термообработки . После оптимизации мощности лазера, скорости сканирования и скорости нагрева прочность спеченных каркасов на сжатие варьировалась от 41 МПа для каркаса с пористостью ~50% до 157 МПа для плотных каркасов. Исследование in vitro с использованием SBF привело к снижению прочности на сжатие, но окончательное значение было аналогично значению трабекулярной кости человека. [23] [24]
Каркасы из пористого стекла 13-93 были синтезированы с использованием метода репликации пенополиуретана в отчете Fu et al. Соотношение напряжение-деформация было исследовано в результате испытаний на сжатие с использованием восьми образцов с пористостью 85 ± 2%. Полученная кривая продемонстрировала постепенное разрушение структуры каркаса и среднюю прочность на сжатие 11 ± 1 МПа, что было в диапазоне трабекулярной кости человека и выше, чем у конкурирующих биоактивных материалов для восстановления костей, таких как каркасы из гидроксиапатита с такой же степенью прочности. поры и полимер-керамические композиты, полученные методом термоиндуцированного фазового разделения (TIPS). [20]
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.
Биоактивное металлическое стекло представляет собой разновидность биоактивного стекла, в котором объемный материал состоит из подложки из металлического стекла и покрыт биоактивным стеклом, чтобы сделать материал биоактивным. Причиной введения металлической основы является создание менее хрупкого и более прочного материала, который будет постоянно имплантироваться в тело. Металлические стекла имеют более низкие модули Юнга и более высокие пределы упругости, чем биоактивное стекло. [25] и, как таковое, позволит добиться большей деформации материала до того, как произойдет разрушение. Это очень желательно, поскольку постоянный имплантат должен избегать разрушения внутри тела пациента. Обычные материалы, составляющие основную массу металла, включают Zr и Ti, тогда как примерами немногих ключевых металлов, которые не следует использовать в качестве объемных материалов, являются Al, Be и Ni. [26]
Хотя металлы не обязательно являются биоактивными по своей природе, биоактивные стеклянные покрытия, которые наносятся на металлические подложки посредством лазерной наплавки, придают биологическую активность, которую проявляло бы стекло, но имеют дополнительные преимущества, заключающиеся в наличии металлической основы.
Лазерная наплавка — это метод, при котором микрочастицы биоактивного стекла потоком направляются к сыпучему материалу и нагреваются до достаточно высокой температуры, чтобы они плавились в покрытии материала. [25]
Металлы также могут быть прикреплены к биоактивному стеклу с использованием золь-гель-процесса , при котором биоактивное стекло спекается на металлах при контролируемой температуре, достаточно высокой для выполнения спекания, но достаточно низкой, чтобы избежать фазовых сдвигов и других нежелательных побочных эффектов. . Были проведены эксперименты по спеканию двухслойного биоактивного стекла на основе диоксида кремния на подложках из нержавеющей стали при температуре 600 ° C в течение 5 часов. [27] Доказано, что этот метод сохраняет в значительной степени аморфную структуру, сохраняя при этом ключевые кристаллические элементы, а также обеспечивает удивительно схожий уровень биологической активности с биоактивным стеклом.
Основные механизмы, которые позволяют биоактивным стеклам действовать в качестве материалов для восстановления костей, изучались со времени первой работы Hench et al. в Университете Флориды . Ранее внимание было обращено на изменения поверхности биоактивного стекла. Обычно считается, что при погружении биоактивного стекла в физиологическую среду происходят пять стадий неорганической реакции: [28]
Пошаговое изображение интеграции биоактивного стекла с костью [29] Ионный обмен, при котором катионы-модификаторы (в основном Na + ) при стеклообмене с ионами гидроксония во внешнем растворе.
Гидролиз, при котором мостики Si-O-Si разрушаются, образуя силанольные группы Si-OH, и сетка стекла разрушается.
Конденсация силанолов, при которой разрушенная стеклянная сетка меняет свою морфологию, образуя гелеобразный поверхностный слой, обедненный ионами натрия и кальция.
Осаждение, при котором на геле осаждается аморфный слой фосфата кальция.
Минерализация, при которой слой фосфата кальция постепенно превращается в кристаллический гидроксиапатит, имитирующий минеральную фазу, естественным образом содержащуюся в костях позвоночных.
Позже было обнаружено, что морфология поверхностного слоя геля является ключевым компонентом в определении биоактивного ответа. Это было подтверждено исследованиями биоактивных стекол, полученных в результате золь-гель обработки. Такие стекла могут содержать значительно более высокие концентрации SiO 2 , чем традиционные биоактивные стекла, полученные из расплава, и при этом сохранять биологическую активность (т.е. способность образовывать минерализованный слой гидроксиапатита на поверхности). Природная пористость золь-гель-материала была названа возможным объяснением того, почему биологическая активность сохраняется и часто повышается по отношению к стеклу, полученному из расплава.
Последующие достижения в технологии ДНК-микрочипов позволили совершенно по-новому взглянуть на механизмы биологической активности биоактивных стекол. Ранее было известно, что существует сложное взаимодействие между биоактивными стеклами и молекулярной биологией имплантата-хозяина, но доступные инструменты не давали достаточного количества информации для построения целостной картины. Используя микрочипы ДНК, исследователи теперь могут идентифицировать целые классы генов, которые регулируются продуктами растворения биоактивных стекол, что привело к появлению так называемой «генетической теории» биоактивных стекол. Первые исследования биоактивных стекол на микрочипах показали, что гены, связанные с ростом и дифференцировкой остеобластов , поддержанием внеклеточного матрикса и стимулированием адгезии между клетками и клеточным матриксом, активируются кондиционированной средой для культивирования клеток, содержащей продукты растворения биоактивного стекла.
Биоактивное стекло S53P4 впервые было использовано в клинических условиях в качестве альтернативы костным или хрящевым трансплантатам в операциях по реконструкции лица. [30] Преимущество использования искусственных материалов в качестве костных протезов заключалось в том, что они были гораздо более универсальными, чем традиционные аутотрансплантаты , а также имели меньше послеоперационных побочных эффектов. [30]
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 8a7798df278120840a1705f4be2931b3__1721314260 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8a/b3/8a7798df278120840a1705f4be2931b3.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Bioactive glass - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)