Bioactive glasses for tissue engineering

Journal : Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
Article : Szkła bioaktywne w inżynierii tkankowej

Authors :
Hulewicz, A.
Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3a, arkadiusz.hulewicz@put.poznan.pl,
Jukiewicz, M.
Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3a,
Kościuszko, P.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30, pkoscius@agh.edu.pl,
Ciesielka, W.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30,
Gołaś, A.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30,
Dziadek, M.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Technologii Szkła i Powłok Amorficznych, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30, dziadek@agh.edu.pl,
Pawlik, J.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Technologii Szkła i Powłok Amorficznych, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30,
Cholewa-Kowalska, K.
Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Technologii Szkła i Powłok Amorficznych, 30-059 Kraków, al. A. Mickiewicza 30,
Abstract : Ceramika jest materiałem implantacyjnym powszechnie stosowanym w ortopedii oraz stomatologii. W ostatnich latach szczególną uwagę zwrócono na wykorzystanie materiałów bioaktywnych, do których należą między innymi bioaktywne szkła i szkło-ceramika. W obszarze kontaktu mają one zdolność wywołania specyficznej odpowiedzi biologicznej, która prowadzi do tworzenia trwałego wiązania pomiędzy tkanką i materiałem. Bioaktywność szkieł w dużej mierze zależy od ich składu chemicznego, procesu wytwarzania (proces wysokotemperaturowy lub zol-żel) oraz obróbki termicznej. Uwalniane z powierzchni szkła jony mogą wpływać na odpowiedź wewnątrz- i zewnątrzkomórkową. Jednoczesne aktywowanie odpowiednich genów osteoblastów prowadzi do ich proliferacji oraz produkcji macierzy zewnątrzkomórkowej. W opracowaniu przedstawiono podział ceramiki ze względu na sposób oddziaływania z tkankami, opisano mechanizm bioaktywności szkieł w kontakcie z płynem fizjologicznym, a także możliwości badania tego zjawiska w warunkach in vitro. Ponadto, dokonano porównania właściwości bioaktywnych szkieł wytwarzanych tradycyjną metodą topienia oraz metodą zol-żel.

Ceramic materials are widely used in a variety of orthopaedic and dental applications. Over the last few years considerable attention has been directed towards the use of bioactive materials i.e. bioactive glasses and glass-ceramics. They have the ability to elicit a specific biological response at the interface of the material, which results in the formation of a bond between the tissues and the material. Bioactivity of glass mainly depends on the chemical composition, manufacturing process (melt and sol-gel derived glasses) and thermal treatment. The ions released from the glass surface can induce extracellular and intracellular response. Simultaneous activation of the numerous genes leads to proliferation of osteoblasts and expression of extracellular matrix components. The classification of ceramic materials based on the type of material-tissue interaction, the mechanism of glass bioactivity in physiological media, and the possibility of investigation of this phenomenon were presented. Furthermore, the properties comparison of melt-derived glasses and sol-gel-derived glasses was carried out.

Keywords : bioaktywność, bioceramika, szkła bioaktywne, szkło-ceramika, ceramika resorbowalna, szkła topione, szkła pochodzenia żelowego, bioactivity, bioceramic materials, bioactive glasses, glass-ceramics, resorbable ceramic materials, melt-derived glasses, sol-gel-derived glasses,
Publishing house : Indygo Zahir Media
Publication date : 2014
Number : Vol. 20, nr 3
Page : 156 – 165

Bibliography
: 1 S. Yang, K. Leong, Z. Du, C. Chua: The design of scaffolds for use in tissue engineering Part I. Traditional factors, Tissue Engineering, vol. 7(6), 2001, s. 679–689.
2 L.L. Hench, R. J. Splinter, W. C. Allen, T. K. Greenlee: Bonding mechanism at the interface of ceramic prosthetic materials, Journal of Biomedical Materials Research, vol. 5(6), s. 117–141.
3 L. Hench, J. Wilson (red.): An Introduction to Bioceramics, tom I: Advanced Series in Ceramics, Singapur 1993.
4 W. Cao, L.L. Hench: Bioactive Materials, Ceramics International, vol. 22, 1996, s. 493–507.
5 J.M. Polak, L.L. Hench, P. Kemp (red.): Future Strategies for Tissue and Organ Replacement, London 2002.
6 J. Moura, L.N. Teixeira, C. Ravagnani, O. Peitl, E. D. Zanotto, M.M. Beloti, H. Panzeri, A.L. Rosa, P. Tambasco de Oliveira: In vitro osteogenesis on a highly bioactive glass-ceramic (Biosilicate®), Journal of Biomedical Materials Research Part A, vol. 82A(3), 2007, s. 545–557.
7 P.N. De Aza, A.H. De Aza, P. Pena, S. De Aza: Bioactive glasses and glass-ceramics, Boletin de la Sociedad Espańola de Cerámica y Vidrio Articulo de Revisión, vol. 46(2), 2007, s. 45–55.
8 L.L. Hench: Bioceramics, Journal of the American Ceramic Society, vol. 81(7), 1998, s. 1705–1728.
9 H.A. El Batal, M.A. Azooz, E.M.A. Khalil, A. Soltan Monem, Y.M. Hamdy: Characterization of some bioglass–ceramics, Materials Chemistry and Physics, vol. 80(3), 2003, s. 599–609.
10 E. El-Meliegy, R. Van Noort: Glasses and Glass Ceramics for Medical Applications, London 2012.
11 K. Rezwan, Q. Chena, J. Blakera, A. Boccaccini: Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering, Biomaterials, vol. 27(18), 2006, s. 3413–3431.
12 D. Hutmacher, J. Schantz, C. Lam: State of the art and future directions of scaffold-based bone engineering from a biomaterials perspective, Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, vol. 1(4), 2007, s. 245–260.
13 N. Jinlong, Z. Zhenxi, J. Dazong, Y. Shenghong, M. Guanglai, W. Keguang: Preparation structure and solubility of Ca2KNa(PO4)2, Journal of Materials Science, vol. 36, 2001, s. 3805–3808.
14 M. Wang: Materials selection and scaffold fabrication for tissue engineering in orthopaedics, Advanced Bioimaging Technologies in Assessment of the Quality of Bone and Scaffold Materials, 2007, s. 259–288.
15 L. Gerhardt, A. R. Boccaccini: Bioactive glass and glass-ceramic scaffolds for bone tissue engineering, Materials, vol. 3, 2010, s. 3867–3910.
16 T. Kokubo, H. Takadama: How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?, Biomaterials, vol. 27(15), 2006, s. 2907–2915.
17 N. Barroca, A.L. Daniel-da-Silva, P.M. Vilarinho, M.H.V. Fernandes: Tailoring the morphology of high molecular weight PLLA scaffolds through bioglass addition, Acta Biomaterialia, vol. 6(9), 2010, s. 3611–3620.
18 M. ączka, K. Cholewa-Kowalska, K. Kulgawczyk, M. Klisch, W. Mozgawa: Structural examinations of gel-derived Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 20, nr 3, 2014 165
materials of the CaO–P2O5–SiO2 system, Journal of Molecular Structure, vol. 511–512, 1999, s. 223–231.
19 A. Rámila, M. Vallet-Regi: Static and dynamic in vitro study of a sol-gel glass bioactivity, Biomaterials, vol. 22(16), 2001, s. 2301–2306.
20 M. Vallet-Regi, C.V. Ragel, A.J. Salinas: Glasses with medical applications, European Journal of Inorganic Chemistry, vol. 6, 2003, s. 1029–1042.
21 A. Lucas-Girot, F. Z. Mezahi, M. Mami, H. Oudadesse, A. Harabi, M. Le Floch: Sol–gel synthesis of a new composition of bioactive glass in the quaternary system SiO2–CaO–Na2O–P2O5, Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 357(18), 2011, s. 3322–3327.
22 R.L. Siqueira, O. Peitl, E. D. Zanotto: Gel-derived SiO2–CaO–Na2O–P2O5 bioactive powders: Synthesis and in vitro bioactivity, Materials Science and Engineering: C, vol. 31(5), 2011, s. 983–991.
23 D. Carta, J.C. Knowles, M. E. Smith, R. J. Newport: Synthesis and structural characterization of P2O5–CaO–Na2O sol–gel materials, Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 353(11-12), 2007, s. 1141–1149.
24 L.L. Hench: Sol-gel materials for bioceramic applications, Current Opinion in Solid State and Materials Science, vol. 2(5), 1997, s. 604–610.
25 M. Mami, A. Lucas-Girot, H. Oudadesse, R. Dorbez-Sridi, F. Mezahi, E. Dietrich: Investigation of the surface reactivity of a sol–gel derived-glass in the ternary system SiO2–CaO–P2O5, Applied Surface Science, vol. 254(22), 2008, s. 7386–7393.
26 A. Balamurugan, G. Balossier, S. Kannan, J. Michel, A. H. S. Rebelo, J. M. F. Ferreira: Development and in vitro characterization of sol–gel derived CaO–P2O5–SiO2–ZnO bioglass, Acta Biomaterialia, vol. 3(2), 2007, s. 255–262.
27 P. Sepulveda, J.R. Jones, L.L. Hench: Characterization of melt-derived 45S5 and sol-gel derived 58S bioactive glasses, Journal of Biomedical Materials Research, vol. 58(6), 2001, s. 734–740.
28 L.L. Hench: The challenge of orthopaedic materials, Current Orthopaedics, vol. 14(1), 2000, s. 7–15.
29 J.R. Jones, Review of bioactive glass: From Hench to hybrids, Acta Biomaterialia, vol. 9(1), 2013, s. 4457–4486.
30 T. Kokubo (red.): Bioceramics and Their Clinical Applications, Boca Raton 2008.
31 E. Verne, M. Ferraris, C. Jana, L. Paracchini: Bioverit® I base glass/Ti particulate biocomposite: “in situ” vacuum plasma spray deposition, Journal of the European Ceramic Society, vol. 20(4), 2000, s. 473–479.
32 H. Yun, S. Kim, E. K. Park: Bioactive glass–poly(ε-caprolactone) composite scaffolds with 3 dimensionally hierarchical pore networks, Materials Science and Engineering: C, vol. 31(2), 2011, s. 198–205.
33 V. Cannillo, F. Chiellini, P. Fabbria, A. Sola: Production of Bioglass® 45S5–Polycaprolactone composite scaffolds via salt-leaching, Composite Structures, vol. 92(8), 2010, s. 1823–1832.
DOI :
Qute : Hulewicz, A. ,Jukiewicz, M. ,Kościuszko, P. ,Ciesielka, W. ,Gołaś, A. ,Dziadek, M. ,Pawlik, J. ,Cholewa-Kowalska, K. ,Cholewa-Kowalska, K. , Szkła bioaktywne w inżynierii tkankowej. Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna Vol. 20, nr 3/2014
facebook