Биостекло 45S5 или кальциево-натриевый фосфоросиликат — это биоактивное стекло, в состав которого входят 45% по весу SiO2 , 24,5% по весу CaO, 24,5% по весу Na2O и 6,0% по весу P2O5 . [ 1] Типичные области применения биостекла 45S5 включают: биоматериалы для костной пластики , восстановление дефектов пародонта, восстановление черепа и челюстно-лицевой области , уход за ранами, контроль кровопотери, стимуляция сосудистой регенерации и восстановление нервов. [2]
Название « Bioglass » было зарегистрировано Флоридским университетом как торговая марка для оригинального состава 45S5. Поэтому его следует использовать только в отношении состава 45S5, а не как общий термин для биоактивных стекол. [3] Биостекло 45S5 доступно для приобретения под зарегистрированным торговым наименованием NovaMin , которое принадлежит фармацевтической компании GlaxoSmithKline . NovaMin — это биоактивное стекло, измельченное до состояния мелких частиц со средним размером менее 20 мкм. Оно может снижать гиперчувствительность дентина , блокируя открытые дентинные канальцы и поставляя кальций (Ca 2+ ) и фосфат ( PO3−4) ионы для образования гидроксикарбонатапатита (ГКА), основного минерального компонента костной ткани млекопитающих. NovaMin является активным ингредиентом зубной пасты Sensodyne "Repair & Protect", за исключением случаев, когда она продается в Соединенных Штатах, где вместо нее содержится фторид олова . [4]
Биоактивное стекло 45S5 имеет белый цвет и находится в форме порошка, с частицами со средним размером менее 20 мкм. Его химический состав по массе: кремнезем (SiO 2 ) 43–47%, оксид кальция (CaO) 22,5–26,5%, пентоксид фосфора (P 2 O 5 ) 5–7% и оксид натрия (Na 2 O) 22,5–26,5%. [2]
Стекла представляют собой некристаллические неупорядоченные твердые тела, которые обычно состоят из материалов на основе кремния с другими небольшими добавками. По сравнению с натриево-кальциевым стеклом (обычно используемым, например, в окнах или бутылках), Bioglass 45S5 содержит меньше кремния и больше кальция и фосфора. Название 45S5 означает стекло с 45% по весу SiO2 и молярным соотношением кальция и фосфора 5:1. Такое высокое соотношение кальция и фосфора способствует образованию кристаллов апатита ; ионы кальция и кремния могут действовать как ядра кристаллизации. [5] Более низкие соотношения Ca:P не связываются с костью. [6] [7] Конкретный состав Bioglass 45S5 оптимален для биомедицинских применений из-за его схожего состава с составом гидроксиапатита , минерального компонента кости. [7] Это сходство обеспечивает способность Bioglass 45S5 интегрироваться с живой костью.
Этот состав биоактивного стекла механически мягок по сравнению с другими стеклами . Его можно обрабатывать , желательно алмазными инструментами, или измельчать в порошок. Биостекло 45S5 необходимо хранить в сухой среде, так как оно легко впитывает влагу и реагирует с ней. [6] Биостекло 45S5 является первой формулой искусственного материала, который, как было обнаружено, химически связывается с костью, и его открытие привело к появлению ряда других биоактивных стекол . Одним из его главных медицинских преимуществ является его биосовместимость, проявляющаяся в его способности избегать иммунной реакции и фиброзной инкапсуляции. Его основное применение — восстановление повреждений костей или дефектов, слишком больших для регенерации естественным путем. [6]
Биостекло 45S5 важно для области биомиметических материалов как один из первых полностью синтетических материалов, который бесшовно соединяется с костью. Он был разработан Ларри Л. Хенчем в конце 1960-х годов. Идея создания материала пришла ему в голову во время поездки на автобусе в 1967 году. Работая доцентом в Университете Флориды, Хенч решил посетить конференцию по исследованию материалов армии США, проходившую в Сагаморе, штат Нью-Йорк, где он планировал рассказать о радиационно-устойчивых электронных материалах. Он начал обсуждать свои исследования с попутчиком в автобусе, полковником Клинкером, который недавно вернулся в Соединенные Штаты после службы в качестве офицера по медицинскому снабжению армии во Вьетнаме. [8]
Выслушав описание Хенчем своего исследования, полковник спросил: «Если вы можете создать материал, который выдержит воздействие высокоэнергетического излучения, можете ли вы создать материал, который выдержит воздействие человеческого тела?» [8] Затем Клинкер продолжил описывать ампутации, свидетелем которых он стал во Вьетнаме, которые были результатом отторжения организмом металлических и пластиковых имплантатов. Хенч понял, что необходим новый материал, который мог бы образовывать живую связь с тканями в организме. [8]
Когда Хенч вернулся во Флориду после конференции, он подал предложение в Командование медицинских исследований и разработок армии США. Он получил финансирование в 1968 году, и в ноябре 1969 года Хенч начал синтезировать небольшие прямоугольники того, что он назвал стеклом 45S5. Тед Гринли, доцент кафедры ортопедической хирургии в Университете Флориды, имплантировал их в бедренные кости крыс в госпитале VA в Гейнсвилле. Шесть недель спустя Гринли позвонил Хенчу и спросил: «Ларри, что это за образцы, которые ты мне дал? Они не выходят из кости. Я тянул их, я нажимал на них, я треснул кость, и они все еще прикреплены к месту». [8]
С этим первым успешным экспериментом родилось биостекло и были изучены первые составы. Хенч опубликовал свою первую статью по этой теме в 1971 году в журнале 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 было опубликовано более 500 статей по теме биоактивных стекол из разных лабораторий и учреждений по всему миру. [8] Первое успешное хирургическое применение биостекла 45S5 было при замене слуховых косточек в среднем ухе в качестве лечения кондуктивной тугоухости , и этот материал продолжает использоваться в приложениях по реконструкции костей и сегодня. [1]
Другие применения включают конусы для имплантации в челюсть после удаления зуба . Композитные материалы из Bioglass 45S5 и собственной кости пациента могут использоваться для реконструкции костей. [5] Проводятся дальнейшие исследования для разработки новых методов обработки, которые позволят расширить области применения Bioglass.
Биостекло 45S5 используется в челюстных и ортопедических приложениях, таким образом, оно растворяется и может стимулировать естественную кость к самовосстановлению. Биоактивное стекло обеспечивает хорошую остеопроводимость и биоактивность, оно может доставлять клетки и является биоразлагаемым. Это делает его отличным кандидатом для использования в тканевой инженерии. Хотя этот материал известен своей хрупкостью, он по-прежнему широко используется для усиления роста костей, поскольку новые формы биоактивных стекол основаны на боратных и боросиликатных композициях. Биостекло также может быть легировано различными количествами элементов, таких как медь, цинк или стронций, которые могут обеспечить рост и формирование здоровой кости. Образование неохряща также может быть вызвано биоактивным стеклом с использованием in vitro культуры гидрогелей, засеянных хондроцитами, и может служить субхондральным субстратом для тканеинженерных остеохондральных конструкций. [1]
Биоактивное стекло на основе бората имеет контролируемые скорости деградации, чтобы соответствовать скорости формирования фактической кости. Было показано, что формирование кости улучшается при использовании этого типа материала. При имплантации в бедренные кости кроликов биоактивное стекло 45S5 показало, что оно может вызывать пролиферацию кости гораздо быстрее, чем синтетический гидроксиапатит (ГА). Стекло 45S5 также может быть остеокондуктивным и остеоиндуктивным, поскольку оно обеспечивает рост новой кости вдоль интерфейса кость-имплант, а также внутри интерфейса кость-имплант. Были проведены исследования для определения процесса, с помощью которого оно может вызывать формирование кости. Было показано, что стекло 45S5 деградирует и высвобождает ионы натрия, а также растворимый кремний, комбинация всех этих ионов, как говорят, производит новую кость. Боратное биостекло доказало, что оно может поддерживать пролиферацию и дифференциацию клеток in vitro и in vivo. Оно также показало, что оно подходит для использования в качестве субстрата для высвобождения лекарств при лечении костной инфекции. Однако возникли опасения относительно того, будет ли выделение бора в раствор в виде ионов бората токсичным для организма. Было показано, что в условиях статической клеточной культуры боратные стекла были токсичны для клеток, но не в условиях динамической культуры. [9]
Биоактивное стекло было применено в медицинских устройствах, чтобы помочь восстановить слух глухому пациенту с помощью Bioglass 45S5 в 1984 году. Пациентка оглохла из-за ушной инфекции, которая разрушила две из трех косточек в ее среднем ухе. Был разработан имплантат, чтобы заменить поврежденную кость и переносить звук от барабанной перепонки к улитке, восстанавливая слух пациентки. До того, как этот материал стал доступен, использовались пластик и металлы, поскольку они не вызывали реакции в организме; однако в конечном итоге они вышли из строя, поскольку после имплантации вокруг них разрасталась ткань. Протез из Bioglass 45S5 был изготовлен по размеру пациента, и большинство изготовленных протезов смогли сохранить функциональность спустя 10 лет. [10] Имплантат для поддержания эндоссального гребня из Bioglass 45S5 был еще одним устройством, которое можно было вставлять в места удаления зубов, чтобы восстанавливать корни зубов и обеспечивать стабильный гребень для зубных протезов. [11]
Еще одной областью, в которой исследовалось использование биоактивного стекла, является реконструкция зубной эмали , что оказалось сложной задачей в области стоматологии. Эмаль состоит из очень организованной иерархической микроструктуры нанокристаллов карбонатного гидроксиапатита. Сообщалось, что паста Bioglass 45S5-фосфорной кислоты может использоваться для формирования слоя взаимодействия, который может закупоривать отверстия дентинных канальцев и, следовательно, может быть полезна при лечении поражений гиперчувствительности дентина . [11] Этот материал в водной среде может обладать антибактериальным свойством, что полезно при хирургических процедурах пародонта . В исследовании, проведенном с 45S5 Bioglass, биопленки Streptococcus sanguinis были выращены на неактивных стеклянных частицах, и биопленка, выращенная на Bioglass, была значительно ниже, чем на неактивном стекле. Был сделан вывод, что Bioglass может снижать бактериальную колонизацию, что может способствовать остеоинтеграции. Высокоэффективным антибактериальным биоактивным стеклом является S53P4, которое, как сообщается, проявляет высокую антимикробную активность и, по-видимому, не вызывает резистентности у протестированных штаммов микроорганизмов. [12] Биоактивные стекла, полученные методом золь-гель, такие как CaPSiO и CaPSiO II, также проявляют антибактериальные свойства. Исследования, проведенные с S. epidermidis и E. coli, культивируемыми с биоактивным стеклом, показали, что биоактивное стекло 45S5 обладает очень высокой антибактериальной резистентностью. В ходе эксперимента также наблюдалось наличие игольчатых остатков биостекла, которые могли разорвать клеточные стенки бактерий и сделать их неактивными. [13]
GlaxoSmithKline использует этот материал в качестве активного ингредиента в зубной пасте под коммерческим названием NovaMin , которая может помочь заделать крошечные отверстия и снизить чувствительность зубов . [11] [14] Были разработаны более совершенные фторсодержащие формулы Bioglass, которые обеспечивают более сильную и длительную защиту от чувствительности. Включение фторида в стекло, а не в качестве растворимой добавки, как в зубной пасте BioMin, [15] как утверждается, оптимизирует скорость развития апатита, который защищает зубы от чувствительности до 12 часов. [16]
При имплантации Bioglass 45S5 реагирует с окружающей физиологической жидкостью, вызывая образование слоя гидроксильного карбонатапатита (HCA) на поверхности материала. Слой HCA имеет состав, аналогичный гидроксиапатиту , минеральной фазе кости, качество, которое обеспечивает сильное взаимодействие и интеграцию с костью. Процесс, посредством которого происходит эта реакция, можно разделить на 12 этапов. Первые 5 этапов связаны с реакцией Bioglass на окружающую среду внутри тела и происходят быстро на поверхности материала в течение нескольких часов. [17] Этапы реакции 6–10 подробно описывают реакцию организма на интеграцию биоматериала и процесс интеграции с костью. Эти этапы происходят в масштабе нескольких недель или месяцев. [18] Этапы разделены следующим образом: [17] [18]
Существует два основных метода производства, которые используются для синтеза биостекла. Первый — это синтез с закалкой расплава, который является обычной технологией производства стекла, использованной Ларри Хенчем, когда он впервые изготовил материал в 1969 году. Этот метод включает плавление смеси оксидов, таких как SiO2 , Na2O , CaO и P2O5 , при высоких температурах, как правило, выше 1100–1300 °C. [20] Тигли из платины или платинового сплава используются для предотвращения загрязнения, которое может повлиять на химическую активность продукта в организме. Отжиг является важным этапом в формировании объемных деталей из-за высокого теплового расширения материала. Термическая обработка биостекла снижает содержание летучих оксидов щелочных металлов и осаждает кристаллы апатита в стеклянной матрице. Однако каркасы, которые получаются в результате методов закалки расплава, гораздо менее пористые по сравнению с другими методами производства, что может привести к дефектам интеграции тканей при имплантации in vivo. [21]
Второй метод — золь-гель синтез биостекла. Этот процесс осуществляется при гораздо более низких температурах, чем традиционные методы плавления. Он включает создание раствора (золя), который состоит из металлоорганических и металлических солевых прекурсоров. Затем гель образуется посредством реакций гидролиза и конденсации, и он подвергается термической обработке для сушки, образования оксида и удаления органики. Из-за более низких температур изготовления, используемых в этом методе, существует более высокий уровень контроля над составом и однородностью продукта. Кроме того, золь-гель биостекла имеют гораздо более высокую пористость, что приводит к большей площади поверхности и степени интеграции в организм. [22] [20]
Более новые методы включают пламенный и микроволновый синтез биостекла, который привлекает внимание в последние годы. Пламенный синтез работает путем запекания порошков непосредственно в пламенном реакторе. [23] Микроволновый синтез является быстрым и недорогим методом синтеза порошка, в котором прекурсоры растворяются в воде, переносятся в ультразвуковую ванну и облучаются. [24]
Недостатком использования Bioglass 45S5 является то, что его трудно перерабатывать в пористые 3D-каркасы. Эти пористые каркасы обычно готовятся путем спекания стеклянных частиц, которые уже сформированы в 3D-геометрию, и позволяют им связываться с частицами в прочную стеклянную фазу, состоящую из сети пор. Поскольку этот конкретный тип биостекла не может полностью спекаться вязким потоком выше его Tg , а его Tg близок к началу кристаллизации, трудно спекать этот материал в плотную сеть. [1]
Стекло 45S5 также имеет медленную деградацию и скорость преобразования в материал, подобный HA. Эта неудача затрудняет совпадение скорости деградации каркаса со скоростью формирования ткани. Другим ограничением является то, что биологическая среда может легко подвергаться влиянию его деградации. Увеличение ионов натрия и кальция и изменение pH происходит из-за его деградации. Однако роль этих ионов и их токсичность для организма не были полностью исследованы. [1]
Несколько исследований изучали методы улучшения механической прочности и ударной вязкости Bioglass 45S5. Они включают создание полимерно-стеклянных композитов , которые сочетают биоактивность Bioglass с относительной гибкостью и износостойкостью различных полимеров. Другое решение — покрытие металлического имплантата Bioglass, которое использует преимущества механической прочности основного материала имплантата, сохраняя при этом биоактивные эффекты на поверхности. Некоторые из наиболее заметных модификаций использовали различные формы углерода для улучшения свойств стекла 45S5. [25]
Например, Тури и др. разработали метод включения углеродных нанотрубок (УНТ) в структуру без вмешательства в биоактивные свойства материала. УНТ были выбраны из-за их большого соотношения сторон и высокой прочности. Синтезировав Bioglass 45S5 на каркасе УНТ, исследователи смогли создать композит, который более чем вдвое увеличил прочность на сжатие и модуль упругости по сравнению с чистым стеклом. [26]
Другое исследование, проведенное Ли и др., изучало различные свойства, такие как вязкость разрушения и износостойкость Bioglass 45S5. Авторы загрузили графеновые нанопластинки (GNP) в стеклянную структуру с помощью метода искрового плазменного спекания . Графен был выбран из-за его высокой удельной площади поверхности и прочности, а также его цитосовместимости и отсутствия помех для биоактивности Bioglass 45S5. Композиты, созданные в этом эксперименте, достигли вязкости разрушения более чем в два раза выше контрольного образца. Кроме того, трибологические свойства материала были значительно улучшены. [25]