Diopside-fluorapatite-wollastonite based bioactive glasses and glass-ceramics

Abstract

Bioactive glasses and glass–ceramics are a class of biomaterials which elicit special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissue. This particular trait along with good sintering ability and high mechanical strength make them ideal materials for scaffold fabrication. The work presented in this thesis is directed towards understanding the composition-structure-property relationships in potentially bioactive glasses designed in CaOMgOP2O5SiO2F system, in some cases with added Na2O. The main emphasis has been on unearthing the influence of glass composition on molecular structure, sintering ability and bioactivity of phosphosilicate glasses. The parent glass compositions have been designed in the primary crystallization field of the pseudo-ternary system of diopside (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite (CaO•SiO2), followed by studying the impact of compositional variations on the structure-property relationships and sintering ability of these glasses. All the glasses investigated in this work have been synthesized via melt-quenching route and have been characterized for their molecular structure, sintering ability, chemical degradation and bioactivity using wide array of experimental tools and techniques. It has been shown that in all investigated glass compositions the silicate network was mainly dominated by Q2 units while phosphate in all the glasses was found to be coordinated in orthophosphate environment. The glass compositions designed in alkali-free region of diopside – fluorapatite system demonstrated excellent sintering ability and good bioactivity in order to qualify them as potential materials for scaffold fabrication while alkali-rich bioactive glasses not only hinder the densification during sintering but also induce cytotoxicity in vitro, thus, are not ideal candidates for in vitro tissue engineering. One of our bioglass compositions with low sodium content has been tested successfully both in vivo and in preliminary clinical trials. But this work needs to be continued and deepened. The dispersing of fine glass particles in aqueous media or in other suitable solvents, and the study of the most important factors that affect the rheology of the suspensions are essential steps to enable the manufacture of porous structures with tailor-made hierarchical pores by advanced processing techniques such as Robocasting.

Os vidros e vitrocerâmicos bioactivos são uma classe de biomateriais que induzem uma resposta especial à sua superfície quando em contacto com fluidos biológicos que conduz a uma forte ligação ao tecido vivo. Esta característica particular conjugada com uma boa aptidão para a sinterização e elevada resistência mecânica torna estes materiais ideais para a fabricação de estruturas de suporte à regeneração óssea. O trabalho apresentado nesta tese pretende dar um contributo para uma melhor compreensão das relações entre composição-estrutura-propriedades em vidros potencialmente bioactivos com composições no sistema CaOMgOP2O5SiO2F, em alguns casos com a adição de Na2O. O estudo da influência exercida pela composição do vidro na estrutura molecular, capacidade de sinterização e nível de bioactividade dos vidros fosfosilicatados foi objecto de especial atenção. As composições vítreas foram concebidas no campo da cristalização primária do pseudo sistema ternário do diópsido (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite, e estudou-se o impacto das variações composicionais na estrutura, nas propriedades e na capacidade de sinterização destes vidros. Todos os vidros investigados neste trabalho foram preparados por fusão e fritagem e caracterizados quanto à sua estrutura molecular, capacidade de sinterização, degradação química e bioactividade, usando uma grande variedade de técnicas experimentais. Ficou demonstrado que em todas as composições de vidro investigadas a rede de silicato era dominada principalmente por unidades Q2 enquanto o fosfato se encontrava coordenado em ambiente de ortofosfato. As composições de biovidros isentas de alcalinos do sistema diópsido–fluorapatite demonstram possuir excelente capacidade de sinterização e elevados níveis de bioactividade, atributos que os qualificam como materiais promissores para a fabricação de estruturas de suporte à regeneração de tecidos ósseos, enquanto os vidros bioactivos contendo alcalinos foram mais difíceis de densificar durante a sinterização e induziram citotoxicidade in vitro, não sendo candidatos ideais para a engenharia de tecidos. Uma das nossas composições de biovidro com um baixo teor de sódio foi testada com sucesso tanto in vivo como em ensaios clínicos preliminares. Mas este trabalho precisa de ser continuado e aprofundado. A dispersão de fritas moídas em meio aquoso ou outros solventes adequados, e o estudo dos factores mais relevantes que condicionam a reologia das suspensões são etapas essenciais para viabilizar o processo de fabrico de suportes porosos com estruturas hierárquicas de poros feitas por medida através de técnicas de processamento avançadas tais como o Robocasting.