Влияние оксида германия на структурные аспекты и биологическую активность биоактивного силикатного стекла

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9582 (2023) Цитировать эту статью

274 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Тройное силикатное стекло (69SiO2–27CaO–4P2O5) синтезировали золь-гель-методом с добавлением оксида германия GeO2 в различных процентных количествах (6,25, 12,5 и 25%) и полиакриловой кислоты (ПАК). Расчеты DFT проводились на уровне теории молекулярного моделирования B3LYP/LanL2DZ. Для изучения влияния GeO2/PAA на структурные свойства использовали порошковую рентгеновскую дифракцию (XRPD). Образцы были дополнительно охарактеризованы с помощью ДСК, ART-FTIR и механических испытаний. Биоактивность и антибактериальные тесты были оценены, чтобы проследить влияние GeO2 на биосовместимость с биологическими системами. Результаты моделирования показывают, что молекулярный электростатический потенциал (МЭСП) указывает на усиление электроотрицательности изученных моделей. При этом как полный дипольный момент, так и энергия ВЗМО/НСМО отражают повышенную реакционную способность молекулы P4O10. Результаты XRPD подтвердили образование образцов и выявили корреляцию между кристалличностью и свойствами, показав, что кристаллический гидроксиапатит (HA) четко формируется в самых высоких процентных количествах GeO2, что позволяет предположить, что 25% является сильным кандидатом для медицинского применения, что согласуется с результатами механические свойства и остальные результаты характеризации. Эксперименты с имитацией телесной жидкости (SBF) in vitro показали многообещающую биосовместимость. Образцы продемонстрировали замечательную противомикробную и биологическую активность, при этом самый сильный эффект составил 25%. Экспериментальные результаты этого исследования показали, что включение GeO2 в стекло с точки зрения структурных характеристик, биологической активности, антимикробных свойств и механических свойств выгодно для биомедицинских областей и особенно для стоматологии.

Биоактивное стекло состоит из трехмерных сеток силиката/фосфата, большинство из которых основаны на Na2O, CaO, P2O5 и SiO2, которые могут быть внедрены в биологическую систему, образуя прочные химические связи с костями1,2. Среди других биоматериалов он предназначен для различных биомедицинских применений2,3. В последнее время биостеклоцемент (БЦЦ) используют для заполнения пустот и трещин в установке благодаря его адгезивной природе, рентгеноконтрастности и долговечности. Благодаря кислотно-щелочной реакции между стеклоиономером и водной полиакриловой кислотой (ПАА) он может химически связываться с костью4. Кроме того, помимо их способности химически связываться с костями, они хрупки при растяжении, что снижает их использование для стабилизации перелома беременных5. BGC использовался как в ушах, носу и горле (ЛОР), так и в стоматологии6,7,8,9,10,11. Преимущества использования BGC в стоматологии многочисленны, включая биосовместимость, биологическую активность, высокую стабильность размеров, хорошую устойчивость к когезионному разрушению, незначительную усадку при установке. Были предприняты усилия по улучшению этих материалов и их использованию в биомедицинских целях12,13,14. Оксид германия представляет собой неорганическое соединение, которое может играть важную роль при использовании в BGC для улучшения их свойств. Он обладает теоретической способностью заменять Si в сетке стекла15,16. Из предыдущих исследований сообщалось, что GeO2 был включен в стеклоиономер на основе бората (BGG)17,18. было обнаружено, что время схватывания и рабочее время (манипуляционные свойства) этих стекол увеличиваются в результате включения Ge, поскольку это уменьшает количество немостиковых кислородных соединений (NBO) в решетке стекла, что приводит к уменьшению времени установки. и время работы19. Dickey и соавт.20 упомянули ионные очки на основе Ge, но им не удалось оценить, можно ли использовать этот цемент для инъекций или нет для стабилизации позвоночника. С другой стороны, молекулярное моделирование на разных уровнях теории может быть использовано для проведения экспериментальных исследований по выяснению молекулярных структур многих систем и соединений. В этом смысле модели стекла были созданы с использованием МД-моделирования для исследования различных факторов, имитирующих активность катионов, для выяснения физических и химических свойств21. Другой подход был использован методом ab initio для исследования различных физических параметров стекла22. Метод DFT был использован для исследования взаимосвязи структуры и характеристик полипропиленовых композитов, модифицированных восстановленным оксидом графена rGO23. Утверждается, что ДПФ было успешно использовано для расчета энергии активации. Также утверждается, что вычислительные методы могут быть применены для исследования физических, химических и биологических взаимодействий как для стекла, так и для гидроксиапатита. Он использовался вместе с другими инструментами для определения характеристик для выяснения влияния физических параметров, таких как температура, на биоактивность in vitro, молекулярные и механические свойства гидроксиапатита24,25,26. На основании биологической активности и уникальных молекулярных свойств впоследствии были выделены такие классы соединений для различных биомедицинских применений27,28.