生体活性ケイ酸塩ガラスの構造的側面と生体活性に対する酸化ゲルマニウムの影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9582 (2023) この記事を引用

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三元ケイ酸ガラス (69SiO2 – 27CaO – 4P2O5) をゾルゲル法で合成し、さまざまな割合の酸化ゲルマニウム GeO2 (6.25、12.5、25%) とポリアクリル酸 (PAA) を添加しました。 DFT 計算は、分子モデリングの理論の B3LYP/LanL2DZ レベルで実行されました。 粉末 X 線回折 (XRPD) を使用して、構造特性に対する GeO2/PAA の影響を研究しました。 サンプルは、DSC、ART-FTIR、および機械的テストを使用してさらに特性評価されました。 生物学的システムとの生体適合性に対する GeO2 の影響を追跡するために、生物活性および抗菌性テストが評価されました。 モデリングの結果は、分子静電ポテンシャル (MESP) が研究モデルの電気陰性度の増強を示していることを示しています。 一方、総双極子モーメントと HOMO/LUMO エネルギーは両方とも、P4O10 分子の反応性の増加を反映しています。 XRPD の結果は、サンプルの形成を確認し、結晶化度と特性の間の相関関係を明らかにしました。これは、結晶質ハイドロキシアパタイト (HA) が最も高い割合の GeO2 で明らかに形成されていることを示しており、医療用途の有力な候補として 25% が提案されており、これは結果と一致しています。機械的特性とその他の特性評価結果。 模擬体液 (SBF) の in vitro 実験では、有望な生体適合性が示されました。 サンプルは顕著な抗菌性と生物活性を示し、最も強い効果は 25% でした。 この研究の実験結果により、構造特性、生物活性、抗菌特性、機械的特性の点でガラスへの GeO2 の組み込みが生物医学分野、特に歯科用途に有利であることが明らかになりました。

生体活性ガラスはケイ酸塩/リン酸塩の三次元ネットワークで構成されており、そのほとんどは Na2O、CaO、P2O5 をベースにしており、SiO2 は生体系に実装され、骨と強力な化学結合を形成します 1,2。 これは、さまざまな生物医学用途向けの生体材料主導型の中でも特に特化されています 2,3。 最近では、その接着性、放射線不透過性、耐久性により、バイオガラス セメント (BGC) が空隙や亀裂の充填に使用されています。 グラスアイオノマーと水性ポリアクリル酸 (PAA) の間の酸塩基反応を通じて、骨に化学的に結合できます4。 また、骨に化学的に結合する能力に加えて、それらは張力に対して脆弱であるため、妊娠中の骨折を安定させる際の使用は減少します5。 BGC は、耳、鼻、喉 (ENT) と歯科用途の両方で使用されています 6、7、8、9、10、11。 歯科分野で BGC を使用する利点は、生体適合性、生物活性、高い寸法安定性、凝集破壊に対する良好な耐性、設置時の無視できる収縮など、数多くあります。 これらの材料を改良し、生物医学用途に使用する努力がなされてきました12、13、14。 酸化ゲルマニウムは、BGC で特性を改善するために使用される場合に重要な役割を果たす可能性がある無機化合物であり、理論的にはガラスネットワーク内の Si を置き換える能力があります 15,16。 以前の研究から、GeO2 はホウ酸塩ベースのグラスアイオノマー (BGG) に組み込まれていることが報告されています 17,18。 Ge を組み込むことにより、ガラス格子内の非架橋酸素 (NBO) の数が減少し、セットアップが減少するため、これらのガラスの硬化時間と作業時間 (取り扱い特性) が増加することがわかりました。および労働時間19。 Dickey et al.20 は Ge ベースのイオンガラスについて言及しましたが、このセメントが脊椎の安定化に使用できるかどうかの評価には成功していません。 一方で、理論のさまざまなレベルでの分子モデリングを利用して、多くの系や化合物の分子構造を解明する実験的取り組みを実現することもできます。 この意味で、物理的および化学的特性を解明するために活性陽イオンを模倣するさまざまな要因を調査するために、MD シミュレーションを使用してガラス モデルが生成されました 21。 別のアプローチは、ab initio ルートを介して利用され、さまざまなガラスの物理パラメーターを調査しました 22。 DFT を利用して、還元酸化グラフェン rGO23 で修飾されたポリプロピレン複合材料の構造と性能の関係を調査しました。 DFT を使用して活性化エネルギーを計算することに成功したと述べられています。 また、ガラスとヒドロキシアパタイトの両方の物理的、化学的、生物学的相互作用を調査するために計算手法を適用できる可能性があるとも述べられています。 これは、インビトロ生物活性、ヒドロキシアパタイトの分子的および機械的特性に対する温度などの物理的パラメーターの影響を解明するために、他の特性評価ツールと併用されました 24、25、26。 生物学的活性と独特の分子特性に基づいて、その後、このようなクラスの化合物はさまざまな生物医学的用途に特化されました 27,28。