Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Bioglass )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Молекулярная структура биостекла

Bioglass 45S5 или фосфосиликат кальция-натрия , обычно называемый торговым названием Bioglass и NovaMin , представляет собой стекло, состоящее из 45 мас.% SiO 2 , 24,5 мас.% CaO, 24,5 мас.% Na 2 O и 6,0 мас.% P 2 O 5. . [1] Стекла представляют собой некристаллические аморфные твердые вещества, которые обычно состоят из материалов на основе диоксида кремния с другими незначительными добавками. По сравнению с известково-натриевым стеклом (обычно используемым для изготовления окон или бутылок), Bioglass 45S5 содержит меньше кремнезема и большее количество кальция и фосфора. Название 45S5 означает стекло с 45% по весу SiO 2.и молярное соотношение кальция к фосфору 5: 1. Это высокое соотношение кальция и фосфора способствует образованию кристаллов апатита; ионы кальция и кремния могут действовать как ядра кристаллизации. [2] Низкое соотношение Ca: P не связывается с костью. [3] Специфический состав Bioglass 45S5 является оптимальным для биомедицинских применений, так как он аналогичен составу гидроксиапатита, минерального компонента кости. Это сходство обеспечивает способность Bioglass интегрироваться с живой костью.

Морфология биостекла с использованием SEM, спеченного при 900 ° C

Этот состав биоактивного стекла сравнительно мягкий по сравнению с другими стеклами . Его можно обработать , предпочтительно алмазным инструментом, или измельчить до порошка. Биостекло следует хранить в сухом месте, так как оно легко впитывает влагу и вступает с ней в реакцию. [3] Bioglass 45S5 - это первый состав искусственного материала, который, как было обнаружено, химически связывается с костью, и его открытие привело к созданию ряда других биоактивных стекол . Одним из основных медицинских преимуществ этого препарата является его биосовместимость, проявляющаяся в его способности избегать иммунной реакции и фиброзной инкапсуляции. Его основное применение - восстановление костных травм или дефектов, слишком больших для восстановления естественным путем. [3]

Первым успешным хирургическим применением Bioglass 45S5 было замещение косточек в среднем ухе в качестве лечения кондуктивной тугоухости . Другие применения включают конусы для имплантации в челюсть после удаления зуба . Для реконструкции кости можно использовать композитные материалы из Bioglass 45S5 и собственной кости пациента. [2] Дальнейшие исследования проводятся для разработки новых технологий обработки, которые позволят расширить возможности применения биостекла.

История [ править ]

Биостекло играет важную роль в области биоматериалов, поскольку является одним из первых полностью синтетических материалов, которые легко связываются с костью. Он был разработан Ларри Л. Хенчем в конце 1960-х годов. Идея материала пришла ему в голову во время поездки на автобусе в 1967 году. Работая доцентом в Университете Флориды, доктор Хенч решил посетить Конференцию по исследованию материалов армии США, проходившую в Сагаморе, штат Нью-Йорк, где он планировал провести поговорить о радиационно стойких электронных материалах. Он начал обсуждать свои исследования с попутчиком в автобусе, полковником Клинкером, который недавно вернулся в Соединенные Штаты после службы в армии во Вьетнаме. [4]

Выслушав описание своего исследования д-ром Хенчем, полковник спросил: «Если вы сможете сделать материал, который выдержит воздействие излучения высокой энергии, сможете ли вы сделать материал, который выдержит воздействие человеческого тела?» [4] Затем Клинкер описал ампутации, свидетелем которых он стал во Вьетнаме, в результате отказа организма от металлических и пластиковых имплантатов. Хенч понял, что существует потребность в новом материале, который мог бы образовать живую связь с тканями тела. [4]

Когда Хенч вернулся во Флориду после конференции, он представил предложение в Командование медицинских исследований и проектирования армии США. Он получил финансирование в 1968 году, а в ноябре 1969 года Хенч начал синтезировать маленькие прямоугольники из того, что он назвал стеклом 45S5. Тед Гринли, доцент кафедры ортопедической хирургии в Университете Флориды, имплантировал их в бедренные кости крысам в больнице VA в Гейнсвилле. Шесть недель спустя Гринли позвонила Хенчу и спросила: «Ларри, что это за образцы, которые ты мне дал? Они не вылезут из кости. Я натянул их, я надавил на них, я сломал кость, и они все еще остаются скреплены на месте ". [4]

В результате этого первого успешного эксперимента родилось стекло Bioglass и изучены первые композиции. Хенч опубликовал свою первую статью по этому вопросу в 1971 году в Journal of Biomedical Materials Research, и его лаборатория продолжала работать над проектом в течение следующих 10 лет при постоянном финансировании со стороны армии США. К 2006 году на тему биоактивных стекол было опубликовано более 500 статей из различных лабораторий и учреждений по всему миру. [4] Первым успешным хирургическим применением Bioglass 45S5 была замена косточек в среднем ухе в качестве лечения кондуктивной тугоухости , и этот материал по-прежнему используется при реконструкции костей и сегодня. [1]

Приложения [ править ]

Биоактивное стекло обеспечивает хорошую остеокондуктивность и биоактивность, оно может доставлять клетки и биоразлагаемо. Это делает его отличным кандидатом для использования в тканевой инженерии. Хотя этот материал известен своей хрупкостью, он все еще широко используется для ускорения роста костей, поскольку новые формы биоактивных стекол основаны на боратных и боросиликатных композициях. Биостекло также может быть легировано различным количеством элементов, таких как медь, цинк или стронций, которые могут способствовать росту и формированию здоровой кости. Формирование неокрящевой ткани также может быть индуцировано биоактивным стеклом с использованием in vitro культуры гидрогелей, засеянных хондроцитами, и может служить субхондральным субстратом для тканеинженерных остеохондральных конструкций. [1]

Биоактивное стекло на основе боратов имеет контролируемую скорость разложения, чтобы соответствовать скорости, с которой фактически формируется кость. Было показано, что костеобразование улучшается при использовании этого типа материала. При имплантации в бедренную кость кролика биоактивное стекло 45S5 показало, что оно может вызывать разрастание костей гораздо быстрее, чем синтетический гидроксиапатит.(HA). Стекло 45S5 также может быть остеокондуктивным и остеоиндуктивным, поскольку оно обеспечивает рост новой кости вдоль границы раздела кость-имплантат, а также внутри границы раздела кость-имплант. Были проведены исследования, чтобы определить процесс, посредством которого он может вызвать образование костей. Было показано, что стекло 45S5 разлагается и высвобождает ионы натрия, а также растворимый диоксид кремния, комбинация всех этих ионов, как говорят, дает новую кость. Доказано, что боратное биостекло может поддерживать пролиферацию и дифференцировку клеток in vitro и in vivo. Также было показано, что он подходит для использования в качестве субстрата для высвобождения лекарственного средства при лечении костной инфекции. Однако существуют опасения относительно того, будет ли выделение бора в раствор в виде борат-ионов токсичным для организма. Было показано, что в статических условиях культивирования клетокБоратные стекла были токсичными для клеток, но не в условиях динамического культивирования.[5]

Еще одна область, в которой исследовалось использование биоактивного стекла, - это реконструкция эмали , которая оказалась сложной задачей в области стоматологии. Эмаль состоит из очень организованной иерархической микроструктуры нанокристаллов карбонизированного гидроксиапатита. Сообщалось, что паста Bioglass 45S5 с фосфорной кислотой может использоваться для образования взаимодействующего слоя, который может закупоривать отверстия дентинных канальцев и, следовательно, может быть полезен при лечении поражений гиперчувствительности дентина. [6] Этот материал в водной среде может обладать антибактериальными свойствами, которые полезны при хирургических вмешательствах на пародонте . В исследовании , проведенном с 45S5 Биостекло, контроль биопленки из S. Sanguisбыли выращены на частицах неактивного стекла, и биопленка, выращенная на биостекле, была значительно ниже, чем на неактивном стекле. Был сделан вывод, что Bioglass может уменьшить поверхностное бактериальное образование, что может способствовать заживлению послеоперационных ран пародонта. Наиболее эффективным антибактериальным биоактивным стеклом является S53P4, которое оказывает ингибирующее действие на рост патогенов, испытанных на нем. Биоактивные стекла золь-гелевого происхождения, такие как CaPSiO и CaPSiO II, также проявляют антибактериальные свойства. Исследования, проведенные с S. epidermidis и E. coliкультивирование с биоактивным стеклом показали, что биоактивное стекло 45S5 обладает очень высокой антибактериальной устойчивостью. В эксперименте также было обнаружено, что были игольчатые обломки биостекла, которые могли разорвать клеточные стенки бактерий и сделать их неактивными. [7]

Биоактивное стекло было применено к медицинским устройствам, чтобы помочь глухому пациенту восстановить слух с помощью Bioglass 45S5 в 1984 году. Пациентка потеряла слух из-за ушной инфекции, которая разрушила две из трех костей в среднем ухе. Имплант был разработан для замены поврежденной кости и передачи звука от барабанной перепонки к улитке, восстанавливая слух пациента. До появления этого материала использовались пластмассы и металлы, потому что они не вызывали реакции в организме; однако в конечном итоге они потерпели неудачу, потому что после имплантации вокруг них разрасталась ткань. Протез из Bioglass 45S5 был изготовлен по размеру пациента, и большая часть изготовленных протезов сохраняла свою функциональность через 10 лет. [8]Имплантат Endosseous Ridge Maintenance Implant из Bioglass 45S5 был еще одним устройством, которое можно было вставить в места удаления зубов, чтобы восстановить корни зубов и создать стабильный гребень для протезов. [6]

Этот материал также используется в челюстях и ортопедии, так как он растворяется и может стимулировать естественную кость к самовосстановлению. GlaxoSmithKline использует этот материал в качестве активного ингредиента в зубной пасте под коммерческим названием NovaMin, которая может помочь заживить крошечные отверстия и снизить чувствительность зубов . [6] [9] Разработаны более совершенные составы, содержащие фтор, которые обеспечивают более сильную и длительную защиту от чувствительности. Включение фторида в составы, такие как BioMin, приводит к более быстрому образованию более твердого апатита, который защищает зубы от чувствительности на срок до 12 часов. [10]

Механизм действия [ править ]

Интеграция биостекла с костью. Реакция с окружающей физиологической жидкостью на поверхности Bioglass показана на первых двух этапах, а образование новой кости показано на двух последних этапах.

При имплантации Bioglass 45S5 вступает в реакцию с окружающей физиологической жидкостью, вызывая образование слоя гидроксилкарбонированного апатита (ГКА) на поверхности материала. Слой HCA имеет состав, аналогичный  гидроксиапатиту , минеральной фазе кости, качество, которое обеспечивает сильное взаимодействие и интеграцию с костью. Процесс, в котором происходит эта реакция, можно разделить на 12 этапов. Первые 5 шагов связаны с реакцией биостекла на окружающую среду внутри тела и происходят быстро на поверхности материала в течение нескольких часов. [11] Этапы реакции 6-10 подробно описывают реакцию организма на интеграцию биоматериала и процесс интеграции с костью. Эти стадии происходят в масштабе нескольких недель или месяцев. [12]Шаги разделены следующим образом: [11] [12]

  1. Ионы щелочи (например, Na +  и Ca 2+ ) на поверхности стекла быстро обмениваются с ионами водорода или гидроксонием из окружающих жидкостей организма. Реакция ниже показывает этот процесс, который вызывает гидролиз кремнеземных групп. Когда это происходит, pH раствора увеличивается.
    Si⎯O⎯Na +  + H +  + OH -  → Si⎯OH +  + Na +  (водн.) + OH -
  2. Из-за увеличения концентрации гидроксила (ОН - ) на поверхности (результат шага 1) происходит растворение сетки кварцевого стекла, что проявляется в разрыве связей Si⎯O⎯Si. Растворимый кремнезем преобразуется в форму Si (OH) 4,  и на поверхности материала происходит образование силанолов (Si⎯OH). Реакция, происходящая на этой стадии, показана ниже:
    Si⎯O⎯Si + H 2 O → Si⎯OH + OH⎯Si
  3. Силанольные группы на поверхности материала конденсируются и повторно полимеризуются с образованием слоя силикагеля на поверхности биостекла. В результате первых шагов на поверхности очень мало щелочей. Реакция конденсации показана ниже:
    Si⎯OH + Si⎯OH → Si⎯O⎯Si
  4. Аморфные Ca 2+  и PO 4 3-  собираются в обогащенном диоксидом кремния слое (созданном на этапе 3) как из окружающей жидкости организма, так и из основной массы биостекла. Это создает слой, состоящий в основном из CaO⎯P 2 O 5,  поверх слоя кремнезема.
  5. Пленка CaO⎯P 2 O 5,  созданная на этапе 4, включает ОН -  и СО 3 2-  из раствора организма, вызывая его кристаллизацию. Этот слой называется смешанным карбонизированным гидроксилапатитом (ГКА).
  6. Факторы роста адсорбируются ( адсорбируются ) на поверхности биостекла из-за его структурного и химического сходства с гидроксиапатитом.
  7. Адсорбированные факторы роста вызывают активацию макрофагов М2  . Макрофаги M2 способствуют заживлению ран и инициируют миграцию клеток-предшественников к месту повреждения. Напротив, макрофаги M1 активируются при имплантации небиосовместимого материала, вызывая воспалительную реакцию. [13]
  8. Запущенные активацией макрофагов M2,  мезенхимальные стволовые клетки  и  клетки- остеопрогениторы  мигрируют на поверхность Bioglass и прикрепляются к слою HCA.
  9. Стволовые клетки и клетки-остеопрогениторы на поверхности HCA дифференцируются, чтобы стать остеогенными клетками, обычно присутствующими в  костной ткани , особенно в  остеобластах .
  10. Присоединенные и дифференцированные остеобласты генерируют и откладывают   компоненты внеклеточного матрикса (ВКМ), в первую очередь  коллаген I типа , основной белковый компонент кости.
  11. Коллагеновый ECM становится  минерализованным,  как это обычно происходит в естественной кости. Кристаллы наноразмерного гидроксиапатита образуют слоистую структуру с отложенным коллагеном на поверхности имплантата.
  12. После этих реакций рост костей продолжается, поскольку вновь задействованные клетки продолжают функционировать и облегчают рост и восстановление тканей. Имплант Bioglass продолжает разрушаться и превращаться в новый материал ECM.

Производство [ править ]

Основная статья: Синтез биостекла

Есть два основных производственных метода, которые используются для синтеза биостекла. Первый - это синтез с закалкой из расплава, который представляет собой обычную технологию производства стекла, которую использовал Ларри Хенч, когда он впервые произвел материал в 1969 году. Этот метод включает плавление смеси оксидов, таких как SiO 2 , Na 2 O, CaO и P 2 O. 5 при высоких температурах обычно выше 1100-1300 ° C. [14] Тигли из платины или платинового сплава используются для предотвращения загрязнения, которое может повлиять на химическую активность продукта в организме. Отжиг - важный этап в 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. Однако каркасы, получаемые в результате применения технологий закалки в расплаве, намного менее пористы по сравнению с другими методами производства, что может привести к дефектам интеграции тканей при имплантации in vivo. [15]

Второй метод - золь-гель синтез Bioglass. Этот процесс осуществляется при гораздо более низких температурах, чем традиционные методы плавления. Он включает создание раствора (золя), который состоит из металлорганических соединений и предшественников солей металлов. Затем в результате реакций гидролиза и конденсации образуется гель, который подвергается термической обработке для сушки, образования оксидов и удаления органических веществ. Из-за более низких температур изготовления, используемых в этом методе, существует больший уровень контроля за составом и однородностью продукта. Кроме того, золь-гель биостекла имеют гораздо более высокую пористость, что приводит к большей площади поверхности и степени интеграции в тело. [16] [14]

Новые методы включают пламенный и микроволновый синтез биостекла, который в последние годы привлекает внимание. Синтез пламени работает путем спекания порошков непосредственно в пламенном реакторе. [17] Микроволновый синтез - это быстрый и недорогой метод синтеза порошков, при котором прекурсоры растворяются в воде, переносятся в ультразвуковую ванну и облучаются. [18]

Недостатки [ править ]

Недостатком использования Bioglass 45S5 является то, что его трудно преобразовать в пористые трехмерные каркасы. Эти пористые каркасы обычно получают путем спекания стеклянных частиц, которые уже сформированы в трехмерную геометрию, и позволяют им связываться с частицами в прочную стеклянную фазу, состоящую из сети пор. Поскольку этот конкретный тип биостекла не может полностью спекаться за счет вязкого потока выше его Tg , а его Tg близка к началу кристаллизации, спекать этот материал в плотную сетку сложно. [1]

Стекло 45S5 также имеет медленную деградацию и скорость превращения в HA-подобный материал. Эта задержка затрудняет совпадение скорости деградации каркаса со скоростью образования ткани. Еще одно ограничение заключается в том, что биологическая среда может легко подвергаться влиянию ее разложения. Увеличение количества ионов натрия и кальция и изменение pH происходит из-за его разложения. Однако роль этих ионов и их токсичность для организма полностью не исследованы. [1]

Методы улучшения [ править ]

В нескольких исследованиях изучались методы улучшения механической прочности и ударной вязкости Bioglass 45S5. К ним относятся создание композитов полимер-стекло , в которых биоактивность биостекла сочетается с относительной гибкостью и износостойкостью различных полимеров. Другое решение - покрытие металлического имплантата биостеклом, которое использует преимущества механической прочности основного материала имплантата при сохранении биологически активных эффектов на поверхности. В некоторых наиболее заметных модификациях для улучшения свойств стекла 45S5 использовались различные формы углерода. [19]

Например, Тури и др. разработали метод включения углеродных нанотрубок (УНТ) в структуру без нарушения биоактивных свойств материала. УНТ были выбраны из-за их большого удлинения и высокой прочности. Синтезируя Bioglass 45S5 на каркасе из УНТ, исследователи смогли создать композит, который более чем вдвое увеличил прочность на сжатие и модуль упругости по сравнению с чистым стеклом. [20]

Другое исследование, проведенное Li et al. изучили различные свойства, такие как вязкость разрушения и износостойкость Bioglass 45S5. Авторы загрузили нанопластинки графена (НЧЗ) в структуру стекла с помощью метода искрового плазменного спекания . Графен был выбран из-за его высокой удельной поверхности и прочности, а также его цитосовместимости и отсутствия влияния на биологическую активность Bioglass 45S5. Композиты, которые были созданы в этом эксперименте, достигли вязкости разрушения более чем в два раза по сравнению с контролем. Кроме того, значительно улучшились трибологические свойства материала. [19]

См. Также [ править ]

  • Механические свойства биоматериалов
  • Синтез биостекла

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г д Рахаман, М. (2011). «Биоактивное стекло в тканевой инженерии» . Acta Biomaterialia . 7 (6): 2355–2373. DOI : 10.1016 / j.actbio.2011.03.016 . PMC  3085647 . PMID  21421084 .
  2. ^ a b Chen, Q .; Томпсон, I .; Боккаччини, А. (2006). «Стеклокерамические каркасы на основе биогласса 45S5 для инженерии костной ткани». Биоматериалы . 27 (11): 2414–2425. DOI : 10.1016 / j.biomaterials.2005.11.025 . PMID 16336997 . 
  3. ^ а б в Джонс, младший (2013). «Обзор биоактивного стекла: от хенча до гибридов». Acta Biomaterialia . 9 (1): 4457–4486. DOI : 10.1016 / j.actbio.2012.08.023 . PMID 22922331 . 
  4. ^ a b c d e Хенч, LL (декабрь 2006 г.). «История Биостекла» . Журнал материаловедения в медицине . 17 (11): 967–78. DOI : 10.1007 / s10856-006-0432-Z . PMID 17122907 . S2CID 45386113 .  
  5. ^ Кришнан, Видья; Лакшми, Т. (2013-04-01). «Биостекло: новая биосовместимая инновация» . Журнал передовых фармацевтических технологий и исследований . 4 (2): 78–83. DOI : 10.4103 / 2231-4040.111523 . PMC 3696226 . PMID 23833747 .  
  6. ^ a b c Бакри, А.С. "Оценка нового метода лечения начальной деминерализации эмали с использованием биостекла 45S5". Стоматологические материалы . 30 : 341–320.
  7. ^ Ху, S (2009). «Изучение антибактериального действия 45S5 Bioglass». Журнал материаловедения: материалы в медицине . 20 (1): 281–286. DOI : 10.1007 / s10856-008-3564-5 . PMID 18763024 . S2CID 19454021 .  
  8. Перейти ↑ Jones, JR (2013). «Обзор биоактивного стекла: от хенча до гибридов». Acta Biomaterialia . 9 (1): 4457–4486. DOI : 10.1016 / j.actbio.2012.08.023 . PMID 22922331 . 
  9. ^ Чжу, М; Ли, Дж; Чен, B; Mei, L; Яо, L; Тиан, Дж; Ли, Х (2015). «Влияние фосфосиликата кальция и натрия на гиперчувствительность дентина: систематический обзор и метаанализ» . PLOS ONE . 10 (11): e0140176. Bibcode : 2015PLoSO..1040176Z . DOI : 10.1371 / journal.pone.0140176 . PMC 4636152 . PMID 26544035 .  
  10. ^ Зубная паста для непослушных мальчиков и девочек. Бр Дент J 227, 430 (2019). https://doi.org/10.1038/s41415-019-0749-x
  11. ^ а б Rabiee, SM; Назпарвар, Н .; Азизян, М .; Вашаи, Д .; Тайеби, Л. (июль 2015 г.). «Влияние ионного замещения на свойства биоактивных стекол: обзор». Керамика Интернэшнл . 41 (6): 7241–7251. DOI : 10.1016 / j.ceramint.2015.02.140 .
  12. ^ а б Хенч, LL (июль 1998 г.). «Биокерамика». Журнал Американского керамического общества . 81 (7): 1705–1728. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1998.tb02540.x .
  13. ^ Roszer, T. "Понимание таинственного макрофага M2 через маркеры активации и эффекторные механизмы". Медиаторы воспаления .
  14. ^ а б Делиоманлы, Айлин М .; Йилдирим, Мехмет (2016). «Золь-гель синтез порошков биоактивного стекла 13-93, содержащих терапевтические агенты» (PDF) . Журнал Австралийского керамического общества . 52 [2]: 9–19.
  15. ^ Хенч, LL; Пашалл, HA (1973). «Прямая химическая связь биоактивных стеклокерамических материалов с костями и мышцами». Журнал исследований биомедицинских материалов . 7 (3): 25–42. DOI : 10.1002 / jbm.820070304 . PMID 4123968 . 
  16. ↑ Бен-Арфа, Басам А.Е.; Сальвадо, Изабель М. Миранда; Феррейра, Хосе М.Ф.; Пуллар, Роберт С. (2017). «В сто раз быстрее: новый, быстрый золь-гель синтез нанопорошков биостекла (система Si-Na-Ca-P, Ca: P = 1,67) без старения». Международный журнал прикладной науки о стекле . 8 (3): 337–343. DOI : 10.1111 / ijag.12255 . ISSN 2041-1294 . 
  17. ^ Бруннер, Тобиас Дж .; Грасс, Роберт Н .; Старк, Венделин Дж. (2006). «Нанопорошки стекла и биостекла пламенным синтезом». Химические коммуникации (13): 1384–6. DOI : 10.1039 / b517501a . PMID 16550274 . S2CID 34589739 .  
  18. ^ Essien, Enobong R .; Atasie, Violette N .; Удобанг, Эстер У. (27 июля 2016 г.). «Энергетическое микроволновое образование биоактивного тройного стекла CaO – MgO – SiO2 из биологических отходов» (PDF) . Вестник материаловедения . 39 (4): 989–995. DOI : 10.1007 / s12034-016-1251-6 . S2CID 100064762 .  
  19. ^ a b Li, Z. (январь 2017 г.). «Механические, трибологические и биологические свойства новых композитов 45S5 Bioglass®, армированных восстановленным in situ оксидом графена». Журнал механического поведения биомедицинских материалов . 65 : 77–89. DOI : 10.1016 / j.jmbbm.2016.08.007 . PMID 27561076 . 
  20. ^ Touri, R (сентябрь 2013). «Использование углеродных нанотрубок для усиления каркасов на основе биостекла 45S5 для тканевой инженерии» . BioMed Research International . 2013 : 465086. дои : 10,1155 / 2013/465086 . PMC 3835357 . PMID 24294609 .