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

محورهای موضوعی : بیومواد

امیرحسین مغنیان ¹ , محمد امین ظهورفاضلی ²

1 - مهندسی و علم مواد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین
2 - مواد و متالورژی، فنی و مهندسی، بین الملل امام خمینی، قزوین، ایران

تاریخ دریافت : 1397/10/13 تاریخ پذیرش : 1398/05/15 تاریخ انتشار : 1398/10/01

کلید واژه: شیشه زیست فعال, فرآیند سل-ژل, هیدروکسی آپاتایت, فعالیت باکتریایی,

چکیده مقاله :

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.

چکیده انگلیسی:

The major aim of this study was to evaluate the effect of CaO content on in vitro hydroxyapatite formation, MC3T3cells cytotoxicity and proliferation as well as antibacterial efficiency of sol-gel derived SiO2–CaO–P2O5 ternary system. For this purpose, first two grades of bioactive glass (BG); BG-58s (mol%: 60%SiO2–36%CaO–4%P2O5) and BG-68s (mol%: 70%SiO2–26%CaO–4%P2O5)) with the fixed P2O5 content were synthesized by sol-gel method. Second, the effect of CaO content in their composition on in vitro bioactivity was investigated by soaking the BG-58s and BG-68s powders in simulated body fluid (SBF) for time periods up to 14 days. The evolution of the SBF composition was monitored by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) analyses. Additionally, Fourier transform infrared (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were performed to characterize formed hydroxyapatite on BG's surface. On the other hand, Live/dead staining, 3-(4,5dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) and alkaline phosphatase (ALP) activity assays were conducted respectively, as qualitatively and quantitatively assess for cell viability, proliferation and differentiations of MC3T3cells in presence of 58s and 68s BGs. Eventually, BG-58s with enhanced MC3T3 cells proliferation and ALP activity, acceptable bioactivity and significant high antibacterial effect against MRSA bacteria is suggested as a suitable candidate in comparison to BG-68S in order to further functionalizing for delivery of therapeutic ions and growth factors in bone tissue engineering.

منابع و مأخذ:

 

[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.