Кіріспе
Биоактивті шыны биоматериалы. Bioglass 45S5 немесе кальций натрий фосфосиликаты – 45 мас.% SiO2, 24,5 мас.% CaO, 24,5 мас.% Na2O және 6,0 мас.% P2O5 құрамындағы биоактивті шыны. 1984 жылы Bioglass 45S5 көмегімен есту қабілетін қалпына келтіруге арналған медициналық құрылғылар қолданылды. Пациент құлақ инфекциясы салдарынан есітімін жойды, бұл оның ортаңғы құлағындағы үш сүйектің екеуін зақымдады. Зақымдалған сүйекті алмастырып, дыбысты тіл сығанағынан қосқабаққа жеткізуге арналған имплант жасалды, бұл пациенттің есту қабілетін қалпына келтірді. Бұл материал пайда болғанға дейін пластик пен металл қолданылатын, себебі олар организмде реакция тудырмады; бірақ, кейіннен олар сәтсіз аяқталды, өйткені имплантациядан кейін тіндер олардың айналасында өсе бастады. Bioglass 45S5-тен жасалған протез пациентке қарай жасалды және жасалған протездердің көпшілігі 10 жылдан кейін де функционалдылығын сақтап қалды. Биогласс 45S5-тен жасалған эндоссеялық тіс тіреуіш импланты – тіс жоғалған жерге енгізілетін және тіс тамырларын қалпына келтіріп, тістік протездер үшін тұрақты тірек құруға мүмкіндік беретін тағы бір құрылғы. CaPSiO және CaPSiO II сияқты сол-гель әдісімен алынған биоактивті шынылар да антибактериялық қасиеттер көрсетті. S. epidermidis және E. coli бактерияларымен биоактивті шыныда жүргізілген зерттеулер 45S5 биоактивті шынының антибактериялық қарсылығы өте жоғары екенін көрсетті. Эксперимент барысында бактериялардың жасуша қабырғаларын бұзып, оларды бейтараптандыратын, ине тәрізді биошынық сынықтарының бар екендігі байқалды. GlaxoSmithKline компаниясы бұл материалды NovaMin саудалық атауымен тіс пастасының белсенді компоненті ретінде пайдаланады, ол тістегі кішкентай тесіктерді жауапқа келтіруге және тістердің сезімталдығын азайтуға көмектеседі.
Bioglass 45S5 or calcium sodium phosphosilicate, is a bioactive glass specifically composed of 45 wt% SiO2, 24.5 wt% CaO, 24.5 wt% Na2O, and 6.0 wt% P2O5. Bioactive glass was applied to medical devices to help restore the hearing to a deaf patient using Bioglass 45S5 in 1984. The patient went deaf due to at ear infection that degraded two of the three bones in her middle ear. An implant was designed to replace the damaged bone and carry sound from the eardrum to the cochlea, restoring the patient's hearing. Before this material was available, plastics and metals would be used because they did not produce a reaction in the body; however, they eventually failed because tissue would grow around them after implantation. A prosthesis made up of Bioglass 45S5 was made to fit the patient and most of the prosthesis that were made were able to maintain functionality after 10 years. The Endosseous Ridge Maintenance Implant made of Bioglass 45S5 was another device that could be inserted into tooth extraction sites that would repair tooth roots and allow for a stable ridge for dentures. Bioactive glasses that are sol gel derived, such as CaPSiO and CaPSiO II, have also exhibited antibacterial properties. Studies done with S. epidermidis and E. coli cultured with bioactive glass have shown that the 45S5 bioactive glass have a very high antibacterial resistance. It was also observed in the experiment that there were needle like bioglass debris which could have ruptured the cell walls of the bacteria and rendered them inactive. GlaxoSmithKline is using this material as an active ingredient in toothpaste under the commercial name NovaMin, which can help repair tiny holes and decrease tooth sensitivity.
Әрекет ету механизмі
Имплантацияланғаннан кейін Bioglass 45S5 айналадағы физиологиялық сұйықтықпен әрекеттесіп, материалдың бетінде гидроксил карбонатты апатит (HCA) қабатының пайда болуына себеп болады. HCA қабаты сүйектің минералды фазасы – гидроксиапатит құрамына ұқсас, бұл сүйекпен күшті өзара әрекеттесуге және бірігуге мүмкіндік береді. Бұл реакция процесін 12 қадамға бөлуге болады. Алғашқы 5 қадам биогластың организмдегі ортаға реакциясына қатысты және бірнеше сағат ішінде материалдың бетінде жылдам жүзеге асады. 6-10 қадамдар биоматериалдың интеграциясына организмнің реакциясын және сүйекпен бірігу процесін көрсетеді. Бұл кезеңдер бірнеше апта немесе айлар бойы созылады. Қадамдар келесідей бөлінеді: М2 макрофагтарының белсендірілуі нәтижесінде мезенхималық дің жасушалары мен остеопрогенитор жасушалары Bioglass бетіне қозғалып, HCA қабатына бекінеді. HCA бетіндегі дің жасушалары мен остеопрогенитор жасушалары сүйек тінінде, әсіресе остеобластарда кездесетін остеогенді жасушаларға айналады. Бекінген және дифференциацияланған остеобластар клеткадан тыс матрицаның (ECM) компоненттерін, негізінен I типті коллагенді – сүйектің негізгі ақуыз компонентін өндіріп, жинақтайды. Коллагендік ЭКМ табиғи сүйектегідей минералданады. Имплант бетінде орналасқан коллагенмен қабатты құрылымды құрайтын наноөлшемді гидроксиапатит кристалдары пайда болады. Осы реакциялардан кейін жаңадан келген жасушалардың жұмыс істеуін жалғастыруы нәтижесінде сүйек өсуі жалғасады және тіндердің өсуі мен жаңаруына көмектеседі. Bioglass имплантаты ыдырауын жалғастырып, жаңа ЭКМ материалға айналады.
Triggered by M2 macrophage activation, mesenchymal stem cells and osteoprogenitor cells migrate to the Bioglass surface and attach to the HCA layer. Stem cells and osteoprogenitor cells at the HCA surface differentiate to become osteogenic cells typically present in bone tissue, particularly osteoblasts. The attached and differentiated osteoblasts generate and deposit extracellular matrix (ECM) components, primarily type I collagen, the main protein component of bone. The collagen ECM becomes mineralized as normally occurs in native bone. Nanoscale hydroxyapatite crystals form a layered structure with the deposited collagen at the surface of the implant. Following these reactions, bone growth continues as the newly recruited cells continue to function and facilitate tissue growth and repair. The Bioglass implant continues to degrade and be converted to new ECM material.
Өңдеу
Биостекло синтезі үшін екі негізгі өндіріс әдісі қолданылады. Біріншісі – балқыту синтезі, бұл 1969 жылы материалды алғаш рет жасаған Ларри Хенч қолданған дәстүрлі шыны жасау технологиясы. Бұл әдіс SiO2, Na2O, CaO және P2O5 сияқты оксидтер қоспасын жоғары температурада, әдетте 1100–1300 °C-тан жоғары температурада балқытуды қамтиды. Платина немесе платина қорытпасынан жасалған тостағандар (тигельдер) өнімнің организмдегі химиялық реактивтілігіне кедергі келтіретін ластануды болдырмау үшін қолданылады. Материалдың жоғары жылулық кеңеюіне байланысты ірі бөліктерді қалыптастыруда балқыту маңызды қадам болып табылады. Биостеклоны жылумен өңдеу ұшқыш сілтілі металл оксидінің мөлшерін азайтады және шыны матрицасында апатит кристалдарын түзеді. Дегенмен, балқыту сөндіру әдісімен алынған қаңқалар (эшафолдтар) басқа өндіріс әдістерімен салыстырғанда әлдеқайда аз кеуекті, бұл in vivo имплантацияланған кезде тіндік интеграцияда ақауларға әкелуі мүмкін. Екінші әдіс – биостеклоның золь-гель синтезі. Бұл процесс дәстүрлі балқыту әдістерінен әлдеқайда төмен температурада жүргізіледі. Ол металл-органикалық және металл тұздарынан тұратын ерітіндіні (зольді) жасауды қамтиды. Гидролиз және конденсация реакциялары арқылы гель түзіледі, содан кейін оны кептіру, оксидтер түзілу және органикалық заттарды жою үшін жылумен өңдеу жүргізіледі. Бұл әдісте қолданылатын төмен температураның арқасында өнімнің құрамы мен біртектілігі жақсырақ бақыланады. Сонымен қатар, золь-гель биостеклоларының кеуектілігі жоғары, бұл денеде жақсырақ интеграцияға және үлкен беттік ауданына әкеледі. Микротолқынды синтез – бұл жылдам және төмен құнды ұнтақ синтез әдісі, онда прекурсорлар суда ерітіліп, ультрадыбыстық ваннаға беріледі және сәулелендіріледі.
Кемшіліктер
Bioglass 45S5 пайдаланудағы қиындық – оны кеуекті 3D эшафолдтарға өңдеудің қиындығы. Бұл кеуекті эшафолдтар әдетте 3D геометриялық пішінге келтірілген шыны бөлшектерін ыстау арқылы дайындалады, бұл бөлшектердің арасындағы байланысты қамтамасыз етеді және кеуектің желісінен тұратын берік шыны фазасын құрайды. Аталған биошыныстың түрі Tg температурасынан жоғары тұтқыр ағын арқылы толық ыстауға қабілетсіз, ал оның Tg кристалданудың басталу температурасына жақын болғандықтан, материалды тығыз желіге айналдыру қиын. Ли және авторлар тобы Bioglass 45S5-тің сындыруға төзімділігі және тозуға қарсы тұру қасиеттері сияқты әртүрлі қасиеттерін зерттеді. Авторлар шыны құрылымына графен наножапырақшаларын (GNP) ұшқыш плазмалық ыстау әдісі арқылы енгізді. Графен жоғары нақты беттік ауданы мен беріктігі, сондай-ақ жасушалармен үйлесімділігі және Bioglass 45S5-тің биоактивтілігіне кедерес келтірмеуі себепті таңдалды. Осы тәжірибеде жасалған композиттердің сындыруға төзімділігі бақылау тобына қарағанда екі еседен астам болды. Бұған қоса, материалдың трибологиялық қасиеттері де едәуір жақсарды.