مقایسه خواص برون تنی، فیزیکی-شیمیایی و ضدباکتریایی شیشه‌های زیست فعال 68S و 58S سنتز شده به روش سل-ژل

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 2، دوره 13، شماره 4 - شماره پیاپی 51، دی 1398، صفحه 17-30   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

امیرحسین مغنیان^{* 1}؛ محمد امین ظهورفاضلی²

¹مهندسی و علم مواد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین

²مواد و متالورژی، فنی و مهندسی، بین الملل امام خمینی، قزوین، ایران

چکیده

هدف اصلی این پژوهش، مقایسه ترکیب شیمیایی شیشه های زیست فعال S58 و S68 و بررسی تاثیر میزان CaO بر تشکیل برون تنی هیدروکسی آپاتایت، سمیت و تکثیرسلولی سلول‌های استخوانی MC3T3 همچنین خواص ضدباکتریایی سیستم سه جزئی SiO_2-CaO-P_2 O_5 سنتز شده به روش سل-ژل است. به این منظور ابتدا، دو شیشه زیست فعال S58 ( mol%: 60%SiO2 – 36%CaO – 4%P2O5 ) و
S68 (mol%:70%SiO_2-26% CaO-4% P_2 O_5) با مقدار ثابت P_2 O_5 به روش سل-ژل تهیه شدند. سپس، تاثیر میزان CaOدر ترکیباتشان بر زیست فعالی به صورت برون تنی با غوطه‌ور کردن پودرهای S58 و S68 در محلول شبیه‌سازی شده بدن (SBF) برای دوره‌های زمانی تا 14 روز مورد بررسی قرارگرفت. بررسی ترکیب محلول SBF با آنالیز طیف ‌سنجی پلاسمای جفت ‌شده القایی (ICP-AES) اندازه گیری شد. همچنین، طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR)، پراش الکترونX (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای بررسی تشکیل هیدروکسی‌آپاتایت روی سطوح شیشه‌های زیست‌فعال انجام شد. از سوی دیگر، آزمون های رنگ آمیزی سلولی زنده/مرده، زولیم برماید(MTT) و آزمون الکالین فسفاتاژ(ALP) به ترتیب به منظور بررسی کیفیت و کمیت زیست پذیری سلول‌ها، تکثیر سلول های MC3T3 در حضور شیشه های زیست فعال S58 ،S68 انجام شد.
در نهایت، شیشه‌ زیست‌فعال S58، با تکثیر سلولی و فعالیت (ALP) سلول‌های MC3T3 افزایش یافته، زیست فعالی قابل قبول و ضد باکتریایی چشمگیر بالا در برابر باکتری (MRSA)، به عنوان یک ماده زیستی مناسب‌تر نسبت به شیشه زیست فعال S68 به منظور بهبود عملکرد ارائه یون-های درمانی و فاکتورهای رشد برای مهندسی بافت استخوانی معرفی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

فرآیند سل-ژل؛ هیدروکسی آپاتایت؛ شیشه زیست فعال؛ فعالیت باکتریایی

مراجع

 

[1]     Hench, “The story of Bioglass®ˮ, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 17, No. 11, pp. 967-978, 2006.

 

[2]     Hench, “Bioceramics: from concept to clinicˮ, Journal of the american ceramic society, Vol. 74, No. 7, pp. 1487-1510, 1991.

 

[3]     P. Saravanapavan, “Bioactivity of gel–glass powders in the CaO‐SiO2 system: A comparison with ternary (CaO‐P2P5‐SiO2) and quaternary glasses (SiO2‐CaO‐P2O5‐Na2O)ˮ, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 66, No. 1, pp. 110-119, 2003.

 

[4]       م. خورسند قاینی، "بررسی خصوصیات حرارتی کامپوزیت پلی لاکتیک اسید با ذرات شیشه زیست فعال 45S5 و هیدروکسی آپاتیت(HA) به منظور استفاده در پیچ های تداخلی قابل جذب"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال یازدهم، شماره4، صفحه 56-55، 1396.

 

[5]     F. Sharifianjazi, N. Parvin & Tahriri, “Formation of apatite nano-needles on novel gel derived SiO2-P2O5-CaO-SrO-Ag2O bioactive glassesˮ, Ceramics International, Vol. 43, No. 17, pp. 15214-15220, 2017.

 

[6]     X. Lu et al., “Mixed network former effect on structure, physical properties, and bioactivity of 45S5 bioactive glasses: an integrated experimental and molecular dynamics simulation studyˮ, he Journal of Physical Chemistry B, Vol. 122, No. 9, pp. 2564-2577, 2018.

 

[7]     M. Mozafari, F. Moztarzadeh & Tahriri, “Investigation of the physico-chemical reactivity of a mesoporous bioactive SiO2–CaO–P2O5 glass in simulated body fluidˮ, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 356, No. 28-30, pp. 1470-1478, 2010.

 

[8]     R. Gupta & Kumar, “Bioactive materials for biomedical applications using sol–gel technologyˮ, Biomedical Materials, Vol. 3, No. 3, p. 034005, 2008.

 

[9]     N. Li, Q. Jie, S. Zhu & Wang, “Preparation and characterization of macroporous sol–gel bioglassˮ, Ceramics International, Vol. 31, No. 5, pp. 61-646, 2005.

 

[10] P. Sepulveda, “In vitro dissolution of melt‐derived 45S5 and sol‐gel derived 58S bioactive glassesˮ, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 61, No. 2, pp. 301-311, 2002.

 

[11] A. Perardi, “Carbonate formation on sol-gel bioactive glass 58S and on Bioglass® 45S5ˮ, In Studies in Surface Science and Catalysis, Vol. 155: Elsevier, pp. 461-469, 2005.

 

[12] K. Ohura et al., “Bone‐bonding ability of P2O5‐free CaO SiO2 glassesˮ, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 25, No. 3, pp. 357-365, 1991.

 

[13] J. Ye, “Copper-containing mesoporous bioactive glass coatings on orbital implants for improving drug delivery capacity and antibacterial activityˮ, Biotechnology Letters, Vol. 36, No. 5, pp. 961-968, 2014.

 

[14]    م. نصراصفهانی، "تاثیر تابش نور فرابنفش بر زیست فعالی پوشش‌های هیبریدی نانوساختار پلی سیلوکسان-تیتانیوم دی اکسید- شیشه زیستی به روش سل- ژل"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نهم، شماره 4، صفحه 137-129، 1394.

 

[15] J. Liu, “Strontium-substituted bioactive glasses in vitro osteogenic and antibacterial effectsˮ, Dental Materials, Vol. 32, No. 3, pp. 412-422, 2016.

 

[16] J. Moran, “Methicillin-resistant Staphylococcus aureus in community-acquired skin infectionsˮ, Emerging Enfectious Diseases, Vol. 11, No. 6, pp. 928, 2005.

 

[17] F. Sharifianjazi, N. Parvin & Tahriri, “Synthesis and characteristics of sol-gel bioactive SiO2-P2O5-CaO-Ag2O glassesˮ, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 476, pp. 108-113, 2017.

 

[18] M. Taghian Dehaghani, M. Ahmadian & Fathi, “Synthesis, characterization, and bioactivity evaluation of amorphous and crystallized 58S bioglass nanopowdersˮ, International Journal of Applied Ceramic Technology, Vol. 12, No. 4, pp. 867-874, 2015.

 

[19]    م. نصراصفهانی، "مقایسه خواص فیزیکی- شیمیایی سه نوع پوشش نانوساختار شیشه زیست فعال و زیست فعالی آنها"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال سوم، شماره 3،صفحه 35-29، 1388.

 

[20] T. Kokubo & Takadama, “How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?ˮ, Biomaterials, Vol. 27, No. 15, pp. 2907-2915, 2006.

 

[21] L. Francis, “Multi-functional P (3HB) microsphere/45S5 Bioglass®-based composite scaffolds for bone tissue engineeringˮ, Acta biomaterialia, Vol. 6, No. 7, pp. 2773-2786, 2010.

 

[22] Brauer & R. Brückner, “Sodium-free mixed alkali bioactive glassesˮ, Biomedical Glasses, Vol. 2, No.1, 2016.

 

[23] H. M. Elgendy, “Osteoblast-like cell (MC3T3-E1) proliferation on bioerodible polymers: an approach towards the development of a bone-bioerodible polymer composite materialˮ, Biomaterials, Vol. 14, No. 4, pp. 263-269, 1993.

 

[24] Yellowley, “Functional gap junctions between osteocytic and osteoblastic cellsˮ, Journal of Bone and Mineral Research, Vol. 15, No. 2, pp. 209-217, 2000.

 

[25] S. Hu, “Study on antibacterial effect of 45S5 Bioglass®ˮ, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 20, No. 1, pp. 281-286, 2009.

 

[26] S. Hu, “Antibacterial activity of silicate bioceramicsˮ, Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed, Vol. 26, No. 2, pp. 226-230, 2011.

 

[27] M. Tylkowski & Brauer, “Mixed alkali effects in Bioglass® 45S5ˮ, Ournal of Non-Crystalline Solids, Vol. 376, pp. 175-181, 2013.

 

[28] S. Shahrabi, S. Hesaraki, S. Moemeni & Khorami, “Structural discrepancies and in vitro nanoapatite formation ability of sol–gel derived glasses doped with different bone stimulator ionsˮ, Ceramics International, Vol. 37, No. 7, pp. 2737-2746, 2011.

 

[29] X. Wu et al., “Zn and Sr incorporated 64S bioglasses: material characterization, in-vitro bioactivity and mesenchymal stem cell responsesˮ, Materials Science and Engineering: C, Vol. 52, pp. 242-250, 2015.

 

[30] X. Zhang & Y. Wu, “Structural characterization of sol–gel composites using TEOS/MEMO as precursorsˮ, Surface and Coatings Technology, Vol. 201, No. 12, pp. 6051-6058, 2007.

 

[31] A. Rainer & S. M. Giannitelli, “Fabrication of bioactive glass–ceramic foams mimicking human bone portions for regenerative medicineˮ, Acta biomaterialia, Vol. 4, No. 2, pp. 362-369, 2008.

 

[32] X. Zhao et al., “In vitro assessment of cellular responses to rod-shaped hydroxyapatite nanoparticles of varying lengths and surface areasˮ, Journal Nanotoxicology, Vol. 5, No. 2, pp. 182-194, 2011.

 

[33] M. Ashok, “Crystallization of hydroxyapatite at physiological temperatureˮ, Materials Letters, Vol. 57, No. 13-14, pp. 2066-2070, 2003.

 

[34] A. Tavakolizadeh, “Investigation of osteoinductive effects of different compositions of bioactive glass nanoparticles for bone tissue engineeringˮ, ASAIO Journal, Vol. 63, No. 4, pp. 512-517, 2017.

 

[35] D. Khvostenko, “Bioactive glass fillers reduce bacterial penetration into marginal gaps for composite restorationsˮ, Dental Materials, Vol. 32, No. 1, pp. 73-81, 2016.