مشخصه‌یابی و بررسی زیست‌سازگاری شیشه زیست‌فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی روی

الموضوعات :

نوشین نانکلی ¹ (دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.)
امیرحسین مغنیان ² (مهندسی و علم مواد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین)
مرتضی ثقفی یزدی ³ (مهندسی و علم مواد، دانشکده بین امللی امام خمینی (ره)، قزوین)

تاريخ الإرسال : 28 السبت , جمادى الثانية, 1444 تاريخ التأكيد : 13 الأربعاء , ذو الحجة, 1445 تاريخ الإصدار : 23 الإثنين , شعبان, 1445

الکلمات المفتاحية: شیشه زیست‌فعال اصلاح‌شده, هیدروکسی‌آپاتایت, استرانسیم-روی.,

ملخص المقالة :

در این پژوهش، شیشه‌ی زیست‌فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی 0، 5 و 8 درصد مولی روی به روش سُل-ژل سنتز شده و اثر مقدار افزودن عنصر روی بر ریزساختار، زیست‌فعالی برون‌تنی (In vitro) و زیست‌سازگاری مورد بررسی قرارگرفت. برای بررسی زیست‌فعالی، پودر شیشه‌ها تا 14 روز در محلول شبیه‌سازی‌شده‌ بدن (SBF) قرار داده شدند و قبل و بعد از بازه‌های زمانی مذکور، تغییرات و روند تشکیل فاز هیدروکسی‌آپاتایت روی سطح آن‌ها، با استفاده از مطالعات طیف‌سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR)، بررسی نرخ رهایش یون‌های مختلف از شیشه‌های سنتزشده توسط روش طیف‌سنجی پلاسمای جفت‌‌شده القایی (ICP_AES)، تغییرات pH و مطالعات ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، بررسی شد. در آنالیز طیف‌سنجی تبدیل فوریه فروسرخ سطح شیشه‌های زیست‌فعال سنتزشده پس از غوطه‌وری در محلول SBF و باندهای فسفات و کربنات شناسایی شد که بیانگر زیست‌فعالی شیشه‌های سنتزشده می باشد. همچنین تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، نشان داد که ریزساختار هیدروکسی‌آپاتایت ایجادشده، به شکل کروی بوده است. در نهایت از بین تمامی شیشه‌های زیست‌فعال سنتزشده در این پژوهش، شیشه زیست‌فعال S5Z5 با داشتن خواص استخوان‌زایی، زیست‌سازگاری و زیست‌فعالی به عنوان یک ماده زیستی نوین چند منظوره در مهندسی‌بافت استخوان معرفی می‌گردد.

نص كامل:



 

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم –  شماره اول –  بهار 1403 (شماره پیاپی 68)، ص­ص. 15-24
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

مشخصه­یابی و بررسی زیست­سازگاری شیشه زیست­فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی روی

 

مقاله پژوهشی

 نوشين نانكلي1* امیرحسین مغنیان2، مرتضی ثقفی یزدی3

 

1- کارشناسی ارشد مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوين، ايران.

2- استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوين، ايران.

3- دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوين، ايران.

* [e-mail]

 

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 01/11/1401 پذیرش: 15/01/1402		در این پژوهش، شیشه­ی زیست­فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی 0، 5 و 8 درصد مولی روی به روش سُل-ژل سنتز شده و اثر مقدار افزودن عنصر روی بر ریزساختار، زیست­فعالی برون­تنی (In vitro) و زیست­سازگاری مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی زیست‌فعالی، پودر شیشه‌ها تا 14 روز در محلول شبیه‌سازی­شده­ بدن (SBF) قرار داده شدند و قبل و بعد از بازه‌های زمانی مذکور، تغییرات و روند تشکیل فاز هیدروکسی­آپاتایت روی سطح آن‌ها، با استفاده از مطالعات طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR)، بررسی نرخ رهایش یون­های مختلف از شیشه­های سنتز شده توسط روش طيف­سنجي پلاسماي جفت شده القايي (ICP_AES)، تغییرات pH و مطالعات ریـزساختار بـا استفاده از میکروسکوپ الکتـرونی روبشی (SEM)، بررسی شد. در آنالیز طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ سطح شیشه­های زیست­فعال سنتز شده پس از غوطه­وری در محلول SBF و باندهای فسفات و کربنات شناسایی شد که بیانگر زیست­فعالی شیشه­های سنتز شده می‌باشد. همچنین تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، نشان داد که ريزساختار هیدروکسی­آپاتایت ایجادشده، به شکل کروی بوده است. در نهایت از بین تمامی شیشه‌های زیست­فعال سنتز شده در این پژوهش، شیشه زیست­فعال S5Z5 با داشتن خواص استخوان‌زایی، زیست­سازگاری و زیست‌فعالی به‌عنوان یک ماده زیستی نوین چند منظوره در مهندسی بافت استخوان معرفی می‌گردد.
کلید واژگان: شیشه زیست­فعال اصلاح شده هیدروکسی­آپاتایت استرانسیم-روی

 

Characterization and Investigation of Biocompatibility of Bioactive Glass 60 mol%SiO2-36 mol%CaO-4 mol%P2O5-5 mol%SrO Containing Zinc

 

Noushin Nankali1, Amir Hossein Moghanian2*, Morteza Saghafi Yazdi3

1- Msc, Materials Engineering, Department of Materials Engineering and Metallurgy, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.

2- Assistant Professor, Department of Materials and Metallurgy Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.

3- Associate Professor, Department of Materials and Metallurgy Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.

* [e-mail]

 

Abstract		Article Information
In this research, bioactive glasses 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO containing 0, 5, and 8 mol% zinc was synthesized by sol-gel method, and the effect of adding ZnO microstructure, in vitro bioactivity and biocompatibility was investigated. To investigate the in vitro bioactivity, glass powders were placed in the simulated body solution (SBF) for 14 days, and before and after the mentioned periods, the changes and process of hydroxyapatite (HA) phase formation on BGs surfaces, using characterization methods. Fourier transform infrared (FTIR), checking the release rate of different ions by inductively coupled plasma spectroscopy (ICP_AES), pH changes, and microstructure studies using a scanning electron microscope (SEM) were investigated. In the infrared Fourier transform spectroscopic analysis of the surface of the synthesized bioactive glasses after immersion in SBF solution, phosphate and carbonate bands were detected, indicating the synthesized glasses' bioactivity. Also, the scanning electron microscope images showed that the microstructure of HA created was spherical. Finally, among all the bioactive glasses synthesized in this research, S5Z5 bioactive glass was introduced as a new multi-functional biological bio-material in bone tissue engineering due to its osteogenic, biocompatibility, and bioactivity in vitro properties.		Original Research Paper Doi:
		Keywords: Modified Bioactive Glass Hydroxyapatite Strontium-Zinc

 

 

1- مقدمه

شيشه­های زیست­فعال به‌عنوان مواد جدیدی برای کاربردهای زیست­پزشکی1، توجه بسياري را در علم شیشه و جامعه پزشکی به خود جلب کرده­اند [1-2]. شيشه­های زيست­فعال2 در ترمیم بافت­های آسیب­دیده [3-4]، ترمیم استخوان، مهنـدسی بـافت استخوان3، مواد افزودنی خمیردندان، پوشش­های زیست­فعالي برای كاشتني­های فلزی / آلیاژی تحمل­كننده بار و سایر کاربردهای پزشکی نقش مهمی دارند [5]. مطالعات اولیه در مورد خواص مواد زيستی4 مبتنی بر سیلیکات که می­توانند به بافت میزبان5 بچسبند، توسط هنچ و همکاران6 در سال 1969 به منظور توانایی اتصال به بافت میزبان پس از عمل کاشتن7 معرفي شد [6-7]. زیست­سازگاری8 و زیست­فعالی9 شيشه­هاي زيست­فعال آن­ها را از سایر مواد زیستی متمایز می­کند [8]. شيشه­ مورد نظر در این تحقیق در یک ترکیب انتخاب­ شده به ‌صورت 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حــاوی درصدهـای مختلف روی فرمـوله می­شود كـه زیست­فعالي خوبي را از خود نشان می­دهد [1-2].

تأثیر استرانسیم در بدن مشابه با کلسیم است که علت آن تشابه شیمیایی این دو عنصر در گروه دوم اصلي (قليايي خاكي) است. از آنجا كه ميزان اتصال استرانسيم به پروتئين در پلاسماي خون و ساير مايعات زیستی شبيه به كلسيم است، به همین دلیل استرانسیم می‌تواند جایگزین کلسیم در بافت‌های سخت شود [9]. عنصر استرانسیم با خاصیت استخوان‌زایی10، ‌در درمان بیماری پوکی استخوان11 نیز مفید ‌است [10]. همچنین استرانسیم می­تواند با تحریک تمایز استئوبلاست و تشکیل استخوان و جلوگیری از تحلیل استخوان12، به بازسازي تعادل13 استخوان کمک کند [11]. با توجه به اثر درمانی استرانسيم بر سلامت استخوان، استرانسیم رانلات (PROTELOS®) در اروپا برای درمان پوکی استخوان شدید در زمان یائسگی با افزایش خطر شکستگی استخوان مورد تأیید قرار گرفته است [10].

در بدن انسان 1 تا ۴ گرم روی وجود دارد که معادل نیمی از آهن بدن است. 85 درصد روی کل بدن در استخوان‌ها و ماهیچه‌ها، 11‌درصد در پوست و کبد و بقیه در بافت‌های دیگر است [12]. عنصر روی دومین عنصر کمیاب در بدن انسان شناخته شده که دارای اثرات تحریکی در تشکیل استخوان در شرایط برون­تني و درون­تني است [13-14]. گزارش شده است که عنصر روي تحریک ترمیم شکستگی استخـوان، از دست دادن استخـوان در هنگام یائسگی، معدنی­سازی14 استخوان و قدرت اسکلتی استخوان را بهبود می­بخشد [15]. همچنین این عنصر، در فرآیند جذب استخوان15 و حفظ توده استخوانی16 نقش دارد و می‌تواند به‌عنوان گزینه‌ی خوبی برای درمان پوکی استخوان17 مطرح ‌شود [16]. علاوه بر این، روی آلایش‌یافته18 باعث کاهش سرعت انحلال شیشه و افزایش رشد لایه فسفات کلسیم19 در سطح شیشه ZnO-SiO2-CaO می‌شود که شرط لازم اتصال شیشه‌های زیست‌فعال به استخوان زنده است [17].

کاربرد استرانسیم به‌عنوان دارو برای اولین بار در سال 1950 مطرح گردید [18]. این نکته قابل‌توجه است که یون‌های استرانسیم برای بیمارانی که از پوکی استخوان رنج می‌برند با ممانعت از فعالیت استئوکلاست‌ها20 مفید است [19]. شیشه‌های زیست‌فعال حاوی استرانسیم اخیراً به‌طور چشمگیری در انواع کاربردهای اورتوپدی مورد توجه قرار گرفته است که نتیجه آن افزایش تحقیقات علمی در زمینه شیشه‌های زیست‌فعال حاوی استرانسیم شده‌ است [20]. همچنین نتایج بسیاری از پژوهش‌های پیشین حاکی بر آن بود که حضور استرانسیم در ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال به دلیل اعوجاج شبکه شیشه ناشی از شعاع یونی بزرگ‌تر استرانسیم در مقایسه با کلسیم منجر به افزایش حلالیت شیشه زیست‌فعال جایگزین شده با استرانسیم می‌شود [21].

شیشه‌های زیست­فعال حاوی عنصر روی که با فرآیند سُل-ژل سنتز شده‌اند که با توجه به نتایج آزمون‌های طيف­سنجي تبديل فوريه مادون‌قرمز و ميكروسكوپ الكتروني روبشي، شیشه ‌زیست‌فعال حاوی روی دارای ساختار فاز مشابه با نمونه بود و روی به‌طور یکنواخت در شیشه‌ زیست‌فعال آلايش­يافته بود [21]. افزایش تعداد انتشارات در این زمینه نشان‌­دهنده علاقه زیاد در پزشکی به منظور استفاده از شیشه‌های زیست‌فعال حاوی روی است. راه‌های احتمالی تحقیقات آینده در این زمینه بر اساس شکـاف‌های شناسایی­‌شده در دانش و در نظر گرفتن چالش‌های نامشخص برجسته شده ‌است [22].

بیشترین میزان زیست­فعالی در مجاورت شیشه زیست‌فعال حاوی 5 درصد مولی استرانسیم و 5 درصد مولی روی حاصل گردید [23]. با توجه به مطالب مذکور و با در نظر گرفتن عدم سابقه پژوهشی پیشین در بررسی هم‌زمان عناصر روی و استرانسیم در شیشه‌های زیست‌فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO با درصدهای مختلف 5 و 8 درصد مولی روی در روزهای 0، 7 و 14، از اهداف انجام این تحقیق می‌توان به بررسي نقش روی در محدوده ترکیب شیمیایی 8 -0 درصد مولي در تشکیل برون­تني لایه هیدروکسی‌آپاتایت بر روي سطح شیشه‌ زیست‌فعال چهار‌ جزئی 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO سنتز شده به روش سُل-ژل و بررسی تأثیر هم‌افزایی ناشی از حضور هم‌زمان یون‌‌های روي و استرانسيم به کمک مشخصه‌یابی شیشه‌های زیست‌فعال سنتز شده و همچنین معرفی یک شیشه زیست‌فعال نوین چند منظوره از بین تمامی شیشه‌های سنتز شده، به منظور تشکیل سریع لایه هیدروکسی‌آپاتایت بر روی سطح شیشه زیست­فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی 5 درصد مولی روی در مهندسی بافت استخوان اشاره‌ کرد.

 

2- مواد و روش­های انجام تحقيق

2-1- معرفي مواد مورد نياز

تترا­اتيل ارتو سيليكات (TEOS: Si(OC2H5)3)، تري اتيل فسفات (TEP:PO(C2H5)3)، نيترات كلسيم چهار آب (Ca(NO3)2.4H2O)، نيترات استرانسيم (Si(NO3)2)، نيترات روي شش آب (Zn(NO3)2.6H2O) در شيشه زيست­فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوي درصدهای مختلف 0، 5 و 8 درصد مولی روي با روش سُل-ژل مورد استفاده قرار گرفت. تمامي اين مواد شيميايي از شركت مرك آلمان خريداري و بدون هیچ‌گونه خالص­سازي مصرف شده­اند.

 

2-2- سنتز شيشه­هاي زيستي حاوی استرانسيم/روي

به منظور سنتز شيشه­هاي زیست­فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی درصدهای مختلف 0، 5 و 8 درصد مولی روی مي­باشد که در جدول (1) به شرح تركيبات شيميايي شيشه­هاي زيست فعال مذکور پرداخته شده است.

 

جدول (1): تركيبات شيميايي شيشه­هاي زیست­فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی مختلف 0، 5 و 8 درصد مولی روی.

شیشه زیست­فعال	نام اختصاری	SiO2	CaO	P2O5	SrO	ZnO
58S - 5% SrO - 0% ZnO	S5Z0	60	31	4	5	0
58S - 5% SrO - 5% ZnO	S5Z5	60	26	4	5	5
58S - 5% SrO - 8% ZnO	S5Z8	60	23	4	5	8

 

2-3- آماده­سازي محلول شبيه­سازي­شده بدن21

ماده­های اوليه کلرید کلسیم (CaCl2)، فسفات مونوپتاسیم (KH2PO4)، کلرید پتاسیم (KCl)، كلريد سديم (NaCl)، سدیم بی­کربنات (NaHCo3)، کلرید منیزیم شش آب (MgCl2.6H2O) و سولفات سديم (Na2SO4) به آب مقطر اضافه شدند و به وسيله­ي هيدروكلريك اسيد (HCl) و تريس (trishydroxymethyl aminomethane) مقدار pH در دماي 37 درجه سانتي­گراد، 4/7 تنظيم شد [24-25].

مقایسه غلظت یون­های عنصری در محلول شبيه­سازي­شده بدن و پلاسمای خون انسان در جدول (2) آورده شده است.

 

 

 

 جدول (2): مقایسه غلظت یون­های عنصری در محلول شبيه­سازي­ شده بدن و پلاسمای خون انسان (برحسب mmol.L-1).

یون	پلاسما (mmol.L-1)	محلول شبيه­سازي­ شده بدن (mmol.L-1)
K+	0/5	0/5
Na+	0/142	0/142
Ca+2	5/2	5/2
Mg+	5/1	5/1
Cl-	0/103	8/147
HCO3-	27	2/4
SO4-2	5/0	0/5
HPO4-2	0/1	0/1

 

2-4- مشخصه­یابی شیشه­هاي زیست­فعال

2-4-1- طيف­سنجي تبديل فوريه مادون‌قرمز22

ساختار شيميايي هيدروكسي­آپاتايت23 تشكيل ­شده بر روي سطح شيشه­هاي زيست­فعال توسط دستگاه طيف­سنجي تبديل فوريه مادون‌قرمز مدل (Nicolet Avatar, 600) ساخت كشور آمريكا قبل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن در محدوده طول­موج Cm-1400–4000 و با قدرت تفكيك­پذيري Cm-1 8 مشخصه­يابي شد.

 

2-4-2- ميكروسكوپ الكتروني روبشي24

بررسي ريزساختار سطح هيدروكسي­آپاتايت تشكيل ­شده بر روي سطح شيشه­هاي زيست­فعال قبل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن توسط دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روبشي مدل (Philips XL30) ساخت كشور هلند كه با شتاب 20 كيلو­وات كار مي­كند، مورد ارزيابي قرار گرفت.

 

2-4-3- طيف­سنجي پلاسماي جفت شده القايي25

بررسي غلظت يون­هاي سيلسيم، كلسيم، فسفر، استرانسيم و روي در محلول شبيه­سازي ­شده ­بدن تا روز چهاردهم غوطه­وري، به منظور بررسي زمان تشكيل هيدروكسي آپاتايت توسط دستگاه طيف­سنجي پلاسماي جفت شده القايي مدل (Varian Vista Pro, Palo Alto) ساخت آمريكا انجام شد. ضمن اينكه pH محلول بعد از هر بار در زمان­های مشخص غوطه­وري توسط دستگاه 340Corning مورد سنجش قرار گرفت.

 

2-5- تحليل آماري

تجزیه و تحلیل آماری برای مقایسه و ارزیابی نتایج با استفاده از نرم­افزار GraphPad Prism (V.3.0، GraphPad Software، ایالات‌متحده) انجام شد.

 

3- نتايج و بحث

3-1- تحليل طيف­سنجي تبديل فوريه مادون‌قرمز

الگوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه مادون‌قرمز در تمام نمونه­ها به‌طورکلی ارتعاشات کششی و خمشی Si-O-Si را در شكل (1) تا (3) به نمایش گذاشته است. سه باند پهن در محدوده Cm-1 1100-450 مربوط به گروه­های سیلانول Si–O–Si که در این محدوده باند Cm-1460 و 1056 مربوط به ارتعاش خمشی Si–O–Si و باند Cm-1 793 مربوط به ارتعاش کششی Si–O–Si می­باشد. همچنین باند واقع در Cm-1 3423 ارتعاش کششی مربـوط به گروه OH را نشان می­دهد. الگوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه فروسرخ نمونه شيشه زيست­فعال حاوي استرانسيم و نمونه شيشه زيست­فعال حاوي استرانسيم -روي به‌طور هم‌زمان، تفاوت واضحی را نشان مي­دهد.

الگوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه فروسرخ نمونه­ها بعد از 7 و 14 روز غوطه­وری در محلول شبيه­سازي ­شده ­بدن نشان می­دهد كه باند Cm-1 537، به ارتعاشات خمشی P-O نسبت داده می­شود که نشانگر ارتعاشات خمشی پیوندهای بلوری هيدروكسي­آپاتايت می­باشد [26]. وقتی نمونه­ها به مدت 7 و 14 روز در محلول شبيه­سازي­شده ­­بدن غوطه­ور می­شوند، حالت­های ارتعاشی پیوندهای C-O گروه­های کربنات در لایه ­کربنات هیدروکسی­آپاتایت در نمونه­های شيشه زيست­فعال، مشاهده می­شود ­[27]. در پژوهش حاضر باند Cm-1 1465 نشان‌دهنده وجود CO3-2 است که به‌نوبه خود تشکیل ­کربنات هیدروکسی­آپاتایت را تأیید می­کند، این باند در روز هفتم غوطه­وری در نمونـه­ی S5Z5 و همچنین با افزایش زمان غوطه­وری به 14 روز باند مذکور در نمونه­های حاوی 5 درصد مولی استرانسیم و 0، 5 و 8 درصد مولی روی مشاهده شده است. شدت پيك­ها با افزایش زمان غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده بدن افزایش یافت؛ بنابراین، تبلور لایه کربنات هیدروکسی­آپاتایت، روی سطوح نمونه­های شيشه زيست­فعال رخ داده است که در تطابق کامل با پژوهش پیشین می­باشد [28].

الگوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه فروسرخ پس از 14 روز غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده­ بدن، نمونه شيشه زيست­فعال S5Z0 و نمونه شيشه زيست­فعال حاوي استرانسیم و درصدهای مختلف روی را مورد بررسي قرار می­دهد. بدیهی است که هر دو نمونه شيشه زيست­فعال S5Z0 و نمونه شيشه زيست­فعال S5Z5 تشکیل بهتری از هيدروكسي­آپاتايت را نشان می­دهند. تحقیقات پیشین نشان داده است که مقادیر مشخصی از روی ممکن است بـه هسته­هـای هیدروکسی آپاتایت در حال تشکیل، وارد شود و بر تشکیل هیدروکسی آپاتایت تأثیرگذار باشد و نهایتاً خواص فیزیکی -شیمیایی آن را تغییر دهد [29].

 

 

شکل (1): الگوهای طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ نمونه S5Z0.

 

 

شکل (2): الگوهای طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ نمونه S5Z5.

 

 

شکل (3): الگوهای طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ نمونه S5Z8.

3-2- شيمي يوني محلول شبيه­سازي­شده بدن

غلظت یون­های Ca+2، Si+2، P+5، Zn+2 و Sr+2 و pH قبل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده­ بـدن در شكل (4) تـا (9) نشـان داده شده کـه تـوسط طیف­سنجی پلاسماي جفت شده القايي تعیین شده است. در مـرحله اولیــه غوطه­وري، غلظت استرانسيم نمونه­های شيشه­هاي زيست­فعال حاوي استرانسيم و شيشه زيست­فعال حاوي استرانسيم و روي به‌طور هم‌زمان به سرعت و سپس این مقادیر از روز 7 تا 14 بسیار آهسته افزایش مي­يابد. نتایج نشان داد که بیشتر يون­های استرانسيم بـه سرعت در محلول شبيه­سازي ­شده ­بـدن حل می­شوند، اما غلظت روی پس از 14 روز غوطه­وري، در مقادیر بسیار پایین نگه‌داشته شده که نشان­دهنده حلالیت پایین روی مي­باشد. غلظت فسفر از همه نمونه­ها در طول 7 روز اول به سرعت کاهش می­یابد و پس از آن ثابت می­ماند. 7 روز اول کاهش جزئی pH برای نمونه­ شيشه ­زيست­فعال حاوي روي و افزایش آرام نمونه­ شيشه زيست­فعال حاوي استرانسيم و شيشه زيست­فعال حاوي روي و استرانسيم به‌طور هم‌زمان وجود دارد [30].

طی 24 ساعت اول pH برای هر دو نمونه شيشه زيست­فعال حاوي 5 و 8 درصد مولی روي هنگام غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن افزايش مي­يابد كه نشان­دهنده آزاد شدن یون­های استرانسيم و روي در محلول شبيه­سازي­ شده­ بدن مي­باشد [31]. علاوه بر این، pH با گذشت زمان برای دو شيشه تا 4 روز افزایش می­یابد، اما یک کاهش جزئی در pH از 4 به 14 روز برای شيشه زيست­فعال حاوي 8 درصد مولی روي وجود دارد، در حالی که به هیچ عنوان کاهش pH برای شيشه زيست­فعال حاوي 5 درصد مولی روي مشاهده نشد. مصرف کامل یون­های فسفات در هنگام تشکیل آپاتایت، تشکیل کربنات­ها را ممکن می­سازد که منجر به کاهش pH می­شود [31].

غلظت Si+2 و Ca+2 تا روز 7 غوطه­وری افزایش یافت که يكدفعه با کاهش ناگهانی برای هر دو نمونه S5Z0 و S5Z5 همراه بود. ضمن اینکه غلظت P+5 تا روز 7، کاهش یافت. با توجه به نتایج اندازه­گیری­ها، روند pH از افزایش به نسبتاً پایدار پس از 7 روز غوطه­وری تغییر یافت. با وجود مقادير زياد استرانسيم در ترکیب، مقدار زيادی از کاتیون­های قلیایی Ca+2 و Sr+2 آزاد شدند [32].

تغییر غلظت یون­های Ca+2 می­تواند شرایط رقابت بین سرعت انحلال و فرآیندهای ته­نشيني را بيان کند. قبل از غوطه­وري، غلظت کلسیم در محلول شبيه­سازي­شده بدن تقریباً 100 میلی­گرم در لیتر است. افزایش غلظت کلسیم برای همه نمونه­ها در پایان روز اول به انحلال فاز شیشه‌های زیستی نسبت داده می­شود. غلظت کلسیم بالاتر از 100 میلی­گرم در لیتر بـه این معنی است کـه سرعت انحلال سریع­تر از میزان ته­نشيني است، برای غلظت­های کلسیم کمتر از 100 میلی­گرم در لیتر برعکس است و کاهش غلظت کلسیم از 4 تا 15 روز به دلیل مصرف یون­های کلسیم از طریق تشکیـل آپـاتـایت بـر روی سطح آن­هـا مي­باشد. غلظت یون­های P+5 را در محلول شبيه­سازي­شده­ بدن قبل از غوطه­وری فقط ppm30 است. اين غلظت با افزودن مقدار روی افزایش می­یابد. انحلال فسفر از روز اول تا روز چهارم افزایش می­یابد و سپس به تدریج از 4 تا 14 روز کاهش می­یابد. این کاهش غلظت فسفر به دلیل مصرف یون­های فسفات از طریق تشکیل آپاتایت بر روی سطوح نمونه­هـای شیشه­هـاي 0، 5 و 8 درصد مـولی روي مي­باشد. انحلال یون­های +Ca2 از نمونه­ها منجر به افزایش موضعی مقدار pH مایع اطراف می­شود که تأثیر زیادی بر حلالیت نسبی فاز مختلف فسفات دارد که مي­تواند منجر به رسوب کریستال­های جدید آپاتایت روی سطح شیشه شود. عنصر روی شناسایی­شده در ترکیبات رسوب یافته نشان می­دهد که روی می­تواند در مراحل اولیه حل از تشکیل فاز آپاتایت در محلول جلوگیری کند [32].

 

 

شکل (4): غلظت یـون­ کلسیم قبـل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري نمونه­های S­5Zn0، S­5Zn5 و S­5Zn8 در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن.

 

شکل (5): غلظت یون­ سیلیسیم قبل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري نمونه­های S­5Zn0، S­5Zn5 و S­5Zn8 در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن.

 

 

شکـل (6): غلظت یـون­ فسفر قبـل و پس از 7 و 14 روز غـوطه­وري نمونه­های S­5Zn0، S­5Zn5 و S­5Zn8 در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن.

 

 

شکل (7): غلظت یون­ استرانسیم قبل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري نمونه­های S­5Zn0، S­5Zn5 و S­5Zn8 در محلول شبيه­سازي­شده ­بدن.

 

 

شکـل (8): غلظت یـون­ روی قبـل و پس از 7 و 14 روز غـوطه­وري نمونه­های S­5Zn0، S­5Zn5 و S­5Zn8 در محلول شبيه­سازي­شده­ بدن.

 

شکل (9): مقـدار pH قبـل و پس از 7 و 14 روز غـوطه­وري نمونـه­های S­5Zn، S­5Zn5 و S­5Zn8 در محلول شبيه­سازي­شده­ بدن.

 

3-3- بررسي ريزساختار سطح

اشکال (10) تا (12) تصاویر ريزساختار هيدروكسي­آپاتايت تشكيل­شده بر روی سطح نمونه­ها، قبل و پس از 7 و 14 روز غوطه­وري در محلول شبيه­سازي­شده بدن را نشان مي­دهند. با توجه به اين تصاویر تأیید شد که حضور روی بیش از 5 درصد مولی در ترکیب شیمیایی شیشه زیست­فعال، تشکیل هيدروكسي­آپاتايت را به تأخیر می­اندازد. با توجه به افزایش زمان غوطه­وری، ذرات هيدروكسي­آپاتايت بیشتری تشکیل شده كه منجر به پوشاندن سطح شیشه زیست­فعال موردنظر مي­شود، اما با افزایش مقدار روی از 5 به 8 درصد مولی پس از 7 و 14 روز غوطه­وری مقدار کمتری از رسوبات هيدروكسي­آپاتايت مشاهده شده است که به‌طور کامل در نتایج الگوهای طیف­سنجی تبدیل فوریه فروسرخ کاملاً مشهود است. مطابق با تصاویر شکل (11)، سطح شیشه­ زیست­فعال نمونه­ی S5Z5 در روزهای 7 و 14، کاملاً توسط هیدروکسی­آپاتایت پوشانده شده است. بدیهی است که ذرات هیدروکسی­آپاتایت تشکیل­شده بر روی سطح نمونه شيشه ­زيست­فعال S5Z5 بزرگ‌تر از ذرات هیدروکسی آپاتایت تشکیل­شده بر روی سطح نمونه شيشه زيست­فعال S5Z0 هستند. ريزساختار هیدروکسی­آپاتایت تشکیل­شده روی سطح نمونه شيشه زيست­فعال S5Z5 به شکل ذرات کروی می­باشد.

پژوهش­های پیشین که توسط حصارکی و همکاران انجام شد نشان داد که با افزایش زمان غوطه­وری، ذرات کروی هیدروکسی­آپاتایت روی سطح نمونه­ها ریزتر و متراکم­تر شده است و همچنین سطح شیشه زیست­فعال به صورت متراکم­تری پوشانیده شده ­است [27]. در نتیجه با افزایش میزان روی در شیشه­ زیست­فعال تا 5 درصد مولی نیز موجب ریزتر و متراکم­تر شدن ذرات هیدروکسی­آپاتایت روی سطح شیشه­های زیست­فعال و از 5 تا 8 درصد مولی تشکیل هیدروکسی­آپاتایت کاهش پیدا می­کند که در پژوهش­های پیشین گزارش شده ­است [35-33].

با توجه به نتایج پیشین، هنگامی که غلظت یون­های کلسیم شروع به کاهش می­کند، باندهای کربنات و فسفات مربوط به ذرات هیدروکسی­آپاتایت 7 روز پس از غوطه­وری، در الگوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه فروسرخ ظاهر شد و ذرات کروی در تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی در همان دوره ظاهر شدند. تشکیل شدن هیدروکسی­آپاتایت در روز 7 و 14 در ریزساختار مربوط به تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبـشی در تطابق کـامل بـا نتـایج حـاصل از الگـوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه فروسرخ می­باشد.

 

 

شکل (10): ریـزساختار سطح نمونه S5Z0 پس از 7 (الف و ب) و 14 (پ و ت) روز غوطه­وری در محلول شبیه­سازی­شده بدن.

 

 

شکل (11): ریـزساختار سطح نمونه S5Z5 پس از 7 (الف و ب) و 14 (پ و ت) روز غوطه­وری در محلول شبیه­سازی­شده بدن.

 

 

شکل (12): ریـزساختار سطح نمونه S5Z8 پس از 7 (الف و ب) و 14 (پ و ت) روز غوطه­وری در محلول شبیه­سازی ­شده بدن.

 

 

 

4- نتیجه­گیری

با توجه به مباحث ارائه­شده و اهداف پژوهش همچون خواص ساختاری، زیست­سازگاری و زیست­فعالی درصدهای مختلف اکسید روی بر روی سطح شیشه زیست فعال 60mol%SiO2-36mol%CaO-4mol%P2O5-5mol%SrO حاوی درصدهای مختلف 0، 5 و 8 درصد مولی روی سنتز شده به روش سُل-ژل، می­توان نتیجه گرفت که با توجه به تشکیل لایه هیـدروکسی­آپـاتـایت در شرایط عملی و آزمون­های مشخصه­یابی نظیر تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و الگوهاي طيف­سنجي تبديل فوريه فروسرخ که به منظور بررسی زیست­فعالی و تشکیل برون­تنی هیدروکسی آپاتایت مورد استفاده قرارگرفته است، نتایج حاکی از آن نشان می­دهد که حضور درصدهای متفاوت روی منجر به تفاوت رفتاری شیشه­های سنتز شده در زمان­هـای متفاوت می­گردد، بدین‌صورت که برای نمونه­ی S5Z0 و نمونه­ی S5Z5 پس از 7 روز غوطه­وری در محلول شبیه­سازی­ شده ­بدن تشکیل هیدروکسی­آپاتایت بر روی سطح تأیید می­گردد و همچنین با افزایش زمان غوطه­وری تا 14 روز میزان تشکیل آپاتایت افزایش یافته است. این امر در حالی است که برای نمونه­ی S5Z8 حتی پس از 14 روز غوطه­وری نمونه در محلول شبیه­سازی ­شده بدن نیز تشکیل آپاتایت تأیید نگردیده است و بهترین شرایط زیست­فعالی برای دو نمونه­ی S5Z0 و S5Z5 قابل‌مشاهده است. همچنین نتایج مربوط به تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می­دهد که ریزساختار هیدروکسی­آپاتایت به صورت کروی است و با افزایش زمان غوطه­وری درصد بیشتری از سطح توسط هیدروکسی آپاتایت پوشیده می­شود و ذرات آپاتایت شروع به رشد می­کنند.

 

5- مرجع

[1] M. S. Al-Buriahi, Z. A. Alrowaili, C. Eke & et al, "An important role of Ba2+, Sr2+, Mg2+, and Zn2+ in the radiation attenuation performance of CFCBPC bioactive glasses", J Aust Ceram Soc, vol. 58, pp. 461–473 2022.

 

[2] J. R. Jones, "Review of bioactive glass: from Hench to hybrids", Acta Biomater, vol. 9, pp. 4457, 2013.

 

[3] L. Hench, I. Xynos & J. Polak, "Bioactive glasses for in situ tissue regeneration", J. Biomater. Sci. Polym. Ed. vol. 15, pp. 543–562, 2004.

 

[4] M. Elsa & A. Moghanian, "Comparative study of calcium content on in vitro biological and antibacterial properties of silicon-based bioglass", Int. J. Civ. Mech. Eng, vol. 13, pp. 288–295, 2019.

 

[5] A. Hoppe, N. S. Guldal & A. R. "Boccaccini", Biomaterials, vol. 32, pp. 2757, 2011.

 

[6] A. Ebrahim Z. Y. Mahdy, M. Khattari, Waheed S. Salem & Ibrahim. "Study the structural, physical, and optical properties of CaO–MgO–SiO2–CaF2 bioactive glasses with Na2O and P2O5 dopants", J. Materials Chemistry and Physics. vol. 286. P. 126231. 2022.

 

[7] L. Hench, R. Splinter, W. Allen & T. Greenlee, "Bonding mechanisms at the interface of ceramic prosthetic materials", J. Biomed. Mater. Res, vol. 5, pp. 117–141, 1971.

 

[8] P. Kumar, B. Dehiya & A. Sindhu, "Bioceramics for hard tissue engineering applications: a review", Int. J. Appl. Eng. Res, vol. 5, pp. 2744–2752, 2018.

 

[9] M. D. O Donnell, P. L. Candarlioglu, C. A. Miller, E. Gentleman, M. M. Stevens, J. P. Zhong, X. Y. Liu, J. Chang, E. L. Cabarcos, K. D. Luk, W. K. Chan, J. C. Leong & P. J. Meunier, "Materials characterisation and cytotoxic assessment of strontium-substituted bioactive glasses for bone regeneration", J. Mater. Chem, vol. 20, no. 40, pp. 8934, 2010.

 

[10] K. M. Ereiba, A. S. Abd Raboh & A. G. Mostafa, "Characterization of some bioactive glasses based onSiO2 –CaO–P2 O5 –SrO quaternary system prepared by sol–gel method", Nat. Sci., vol. 12, no. 5, 2014.

 

[11] E. Bonnelye, A. Chabadel, F. Saltel & P. Jurdic, "Dual Effect of Strontium Ranelate: Stimulation of Osteoblast Differentiation and Inhibition of Osteoclast Formation and Resorption In Vitro", Bone, pp. 129-138, 2008.

 

[12] C. T. Chasapis, A. C. Loutsidou, C. A. Spiliopoulou & M. E. Stefanidou, "Zinc and human health: an update", Arch. Toxicol, pp. 521–534, 2012.

 

[13] N. Mutlu, F. Kurtuldu, I. Unalan, Z. Neščáková, H. Kaňková, D. Galusková, M. Michálek, L. Liverani, D. Galusek & A. R. Boccaccini, "Effect of Zn and Ga doping on bioactivity, degradation, and antibacterial properties of borate 1393-B3 bioactive glass", J. Ceramics International, vol. 48, pp. 16404-16417, 2022.

 

[14] Q. Chen, X. Zhao, W. Lai, Zh. Li, D. You, Zh. Yu, W. Li & X. Wang, "Surface functionalization of 3D printed Ti scaffold with Zn-containing mesoporous bioactive glass", J Surface and Coatings Technology, vol. 435, pp. 128236, 2022.

 

[15] J. Ovesen, B. Moller-madsen, G. Thomsen, G. Danscher & L. Mosekilde, "The Positive effects of zinc on skeletal strength in growing rats", Bone, vol. 29, no. 6, pp. 565–570, 2001.

 

[16] X. Shen, K. H. Ru Yie, X. Wu, Z. Zhou, A. Sun, A. M. Al-bishari, K. Fang, M. A. Al- Baadani, Zh. Deng, P. Ma & J. Liu, "Improvement of aqueous stability and anti-osteoporosis properties of Zn-MOF coatings on titanium implants by hydrophobic raloxifene", J Chemical Engineering Journal, vol. 430, pp. 133094, 2022.

 

[17] J. R. Jones, "Review of bioactive glass: From Hench to hybrids", Acta Biomater, vol. 9, no. 1, pp. 4457–4486, 2013.

 

[18] J. R. Jones, “Review of bioactive glass: From Hench to hybrids,” Acta Biomater., vol. 9, no. 1, pp. 4457–4486, 2013.

 

[19] E. Bonnelye, A. Chabadel, F. Saltel & P. Juridic, "Dual effect of strontium ranelate: Stimulation of osteoblast differentiation and inhibition of osteoclast formation and resorption in vitro", Bone, vol. 42, no. 1, pp. 129–138, Jan. 2008.

 

[20] A. Houaoui & J. Massera, "Bioactive Glasses in Orthopedics. Biofabrication for Orthopedics: Methods", Techniques and Applications, no. 1, pp: 211-241, 2022.

 

[21] A. Moghanian, S. Firoozi & M. Tahriri, "Characterization, in vitro bioactivity and biological studies of sol-gel synthesized SrO substituted 58S bioactive glass", Ceram. Int., 2017.

 

[22] E. Saino, S. Grandi, E. Quartarone, V. Maliardi, D. Galli, N. Bloise, L. Fassina, M. G. C. D. Angelis, P. Mustarelli, M. Imbriani & L. Visai, "In vitro calcified matrix deposition by human osteoblasts onto a zinc-containing bioactive glass", Eur. Cells Mater., 2011.

 

[23] N. J. Lakhkar, E. A. Abou Neel, V. Salih & J. C. Knowles, “Strontium oxide doped quaternary glasses: effect on structure, degradation and cytocompatibility", J. Mater. Sci. Mater. Med, vol. 20, no. 6, pp. 1339–1346, Jun. 2009.

 

[24] T. Kokubo & Takadama, "How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? ", Biomaterials, vol. 27, no. 15, pp. 2907-2915, 2006.

 

[25] M. C. Enright, D. A. Robinson, G. Randle, E. J. Feil, H. Grundmann & B. G. Spratt, "The evolutionary history of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)", Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 99, no. 11, pp. 7687–7692, May 2002.

 

[26] M. Shams, M. Karimi, M. Ghollasi, N. Nezafati & A. Salimi, "Electrospun poly-l-lactic acid nanofibers decorated with melt-derived S53P4 bioactive glass nanoparticles: the effect of nanoparticles on proliferation and osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells in vitro", Ceramics International, vol. 44, no. 16, pp. 20211–20219, 2018.

 

[27] S. Hesaraki, M. Gholami, S. Vazehrad & S. Shahrabi, "The effect of Sr concentration on bioactivity and biocompatibility of sol–gel derived glasses based on CaO–SrO–SiO2–P2O5 quaternary system", Materials Science and Engineering: C, vol. 30, no. 3, pp. 383–390, 2010.

 

[28] N. Nezafati F. Moztarzadeh & S. Hesaraki, "Surface reactivity and in vitro biological evaluation of sol gel derived silver/calcium silicophosphate bioactive glass" Biotechnology and Bioprocess Engineering, vol.17, no. 4, 746–754, 2012.

 

[29] A. Oki, B. Parveen, S. Hossain, S. Adeniji & H. Donahue, "Preparation and in vitro bioactivity of zinc containing sol‐gel–derived bioglass materials", Journal of Biomedical Materials Research Part A: An Official Journal of The Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials, vol. 69, no. 2, pp. 216–221, 2004.

 

[30] X. Wu, G. Meng, Sh. Wang, F. Wu, W. Huang & Zh. Gu, "Zn and Sr incorporated 64S bioglasses: Material characterization", In-vitro bioactivity and mesenchymal stem cell responses, vol. 52,  pp. 246, 2015.

 

[31] M. Elgendy, M. E. Norman, A. R. Keaton & C. T. Laurencin, "Osteoblast-like cell (MC3T3-E1) proliferation on bioerodible polymers: An approach towards the development of a bone-bioerodible polymer composite material", Biomaterials, vol. 14,

pp. 263-269, 1993.

 

[32] Y. C. Fredholm, N. Karpukhina, D. S. Brauer, J. R. Jones, R. V. Law & R. G. Hill, Influence of strontium for calcium substitution in bioactive glasses on degradation, ion release and apatite formation", Journal of the Royal Society Interface, vol. 9, no. 70, pp. 880-889, 2012.

 

[33] J. Bejarano, P. Caviedes & H. Palza, "Sol–gel synthesis and in vitro bioactivity of copper and zinc-doped silicate bioactive glasses and glass-ceramics", Biomedical Materials, vol. 10, no. 2, 25001, 2015.

 

[34] م. خورسند قاینی، "بررسی خصوصیات حرارتی کامپوزیت پلی لاکتیک اسید با ذرات شیشه زیست‌فعال 5S45 و هیدروکسی‌آپاتایت (HA) به‌منظور استفاده در پیچ‌های تداخلی قابل جذب"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 4، صفحه 56-55، 1396.

 

]35[ م. نصر اصفهانی، "مقایسه خواص فیزیکی-شیمیایی سه نوع پوشش نانو ساختار شیشه زیست‌فعال و زیست‌فعالی آن‌ها"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 3، شماره 1، صفحه 35-29، 1388.

 

6- پی‌نوشت

[1] Biomedical

[2] Bioactive Glasses (BGS)

[3] Bone Tissue Engineering

[4] Biomaterials

[5] Host

[6] Hench

[7] Implant

[8] Biocompatibility

[9] Bioactivity

[10] Osteogenesis

[11] Osteoporosis

[12] Bone resorption

[13] Homeostasis

[14] Mineralization

[15] Bone Absorption

[16] Maintain Bone Mass

[17] Osteoporosis

[18] Doped Zinc

[19] Ca-P

[20] Osteoclasts

[21] Simulated Body Fluid (SBF)

[22] Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

[23] Hydroxyapatite

[24] Scanning Electron Microscope (SEM)

[25] Inductivity Coupled Plasma (ICP-AES)

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Noushin Nankali, Amir Hossein Moghanian, Morteza Saghafi Yazdi, Characterization and Investigation of Biocompatibility of Bioactive Glass 60 mol%SiO2-36 mol%CaO-4 mol%P2O5-5 mol%SrO Containing Zinc, New Process in Material Engineering, 2024, 18(1), 15-24.