Novel robocasting and rotary evaporator routes for the preparation of sol–gel derived glass & glass ceramic scaffolds

Abstract

Producing pure amorphous bioactive glasses by sol–gel from a quaternary system containing sodium is extremely difficult as they are prone to undergo readily crystallisation during heat treatment. Moreover, phase segregations and irreversible crystallisation of unwanted phases are likely to occur during the conventional xerogel process. The consequences are reduced homogeneity, excessive time and energy consumptions during the aging and slow drying steps of sol–gel derived bioglasses. A main objective of this thesis is to develop a new and expedite sol–gel synthesis process to prepare high silica quaternary bioactive glasses. Additional concepts are incorporated in the conventional sol–gel synthesis procedure to minimise the aging and drying times, while preserving the typical microstructure and properties and enhancing the degree of homogeneity. The efforts made led to the development of an innovative and rapid sol–gel method for producing bioactive glasses, which skips the ageing process. A comparative study was made between the glasses synthesised by the conventional drying method (CD) and the novel fast drying (FD). The results revealed that both methods produce stabilised bio–glasses with virtually identical behaviour and properties, but FD is 100 times faster in comparison to CD. Moreover, FD glasses exhibited improved bioactivity in simulated body fluid (SBF). The effects of some processing parameters such as calcium concentration, Ca/P ratio, types of metal salts precursors, types and concentrations of catalysts, were investigated to gain an in–depth understanding of their roles in the overall properties. The influence of agitation rate on the extent of bio– mineralisation upon immersing the samples in simulated body fluid (SBF) was also studied. The results revealed that bioactivity was enhanced by using nitrate salt precursors and citric acid as catalyst, and by increasing Ca concentration to some extent. Another aim was doping or co–doping the high silica sol–gel glass (HSSGG) selectively with Cu and La. The individual and combined effects of these doping elements on the glass structure, crystallisation, porosity, specific surface area, particle sizes, density, sintering ability, compressive strength and cytotoxicity were studied. As individual doping elements, Cu and La were found to play opposite roles in some relevant properties. On the other hand, synergistic benefits could be obtained by combining the two dopants. Cytotoxicity was significantly improved for some doping combinations, while the bio– mineralisation activity of doped samples was always very similar to that of the parent HSSGG composition. The significant intrinsic porosity fraction of sol–gel derived glass powders and the consequent uptake of any dispersing liquid medium, which will not be available for dispersion and flow, make them inappropriate for colloidal processing. These features have hindered so far the fabrication of porous scaffolds by additive manufacturing techniques such as robocasting. Overcoming this big challenge is of paramount importance for fully exploiting the specific advantages of the sol–gel derived glasses. Therefore, understanding the effects of each experimental processing variable on the properties of the powders is essential towards achieving optimised processing conditions for the fabrication of scaffolds by robocasting. Accordingly, the effects of heat treatment temperature (HTT), balls to powder ratio (BPR), and solid loading on the flow behaviour and on the viscoelastic properties of the suspensions/pastes were systematically evaluated. Suspensions with solid loadings up to 40 vol.% could be prepared from both HSSGG and Cu–La doped glasses and used to successfully fabricate scaffolds by robocasting. The formation of hydroxyapatite on the scaffold surfaces was observed after 72 h of immersion in SBF for HSSGG. These features make the scaffolds promising candidates for bone regeneration and tissue engineering applications and worthy for further in vivo investigations.

A obtenção de vidros bioactivos amorfos por sol–gel a partir de um sistema quaternário contendo sódio é extremamente difícil, uma vez que são propensos a sofrerem cristalização durante o tratamento térmico. Além disso, é provável que ocorra segregação de fase e cristalização irreversível de fases indesejáveis durante o processo de preparação. As consequências são a redução da homogeneidade, tempo excessivo de processamento e consumo de energia durante as fases de envelhecimento e secagem lenta. Um dos principais objetivos desta tese é desenvolver um novo e rápido processo de síntese por sol–gel de vidros bioativos quaternários com alto teor em sílica. Modificações são incorporadas ao procedimento convencional de síntese por sol–gel para minimizar os tempos de envelhecimento e secagem, preservando a microestrutura e propriedades típicas e aumentando o grau de homogeneidade. Os esforços realizados levaram ao desenvolvimento de um método inovador e rápido para a produção de vidros bioactivos por sol–gel, evitando o processo de envelhecimento. Foi realizado um estudo comparativo entre os vidros sintetizados pelo método de secagem convencional (CD) e a nova secagem rápida (FD). Os resultados revelaram que ambos permitem obter bio–vidros estabilizados com comportamento e propriedades praticamente idênticos; mas o processo designado por FD é 100 vezes mais rápido em comparação com o processo CD. Além disso, os vidros FD exibiram bioatividade melhorada em testes em que se usou fluido corporal simulado (SBF). Os efeitos de alguns parâmetros de processamento, tais como a concentração de cálcio, relação Ca / P, tipos de precursores de sais metálicos, tipos e concentrações de catalisadores, foram investigados para uma compreensão profunda dos seus papéis nas propriedades. A influência da velocidade de agitação na bio–mineralização ao imergir as amostras em fluido corporal simulado (SBF) também foi estudada. Observou–se ainda, que a bioactividade aumenta quando no método de preparação se usaram precursores de sal nitrato e ácido cítrico como catalisador, e quando ocorreu um aumento da concentração de Ca até um dado teor. Outro objetivo foi dopar ou co–dopar o vidro preparado por sol–gel de elevado teor em sílica (HSSGG) seletivamente com Cu e La. Os efeitos individuais e combinados desses elementos de dopagem na estrutura do vidro, cristalização, porosidade, área superficial específica, tamanho de partícula, densidade , capacidade de sinterização, resistência à compressão e citotoxicidade foram estudados. Verificou–se que o Cu e o La isoladamente desempenham papéis opostos em algumas propriedades relevantes. Por outro lado, benefícios sinérgicos poderiam ser obtidos pela combinação dos dois dopantes. A citotoxicidade foi significativamente melhorada para algumas combinações de dopagem, enquanto a biomineralização das amostras dopadas foi sempre muito semelhante à da composição HSSGG. A fracção de porosidade intrínseca dos pós de vidro preparados por sol–gel e a consequente absorção de qualquer meio líquido dispersante, tornam–nos inapropriados para processamento coloidal. Essas características impediram até agora a fabricação de “scaffolds” por técnicas de manufatura aditiva, como o robocasting. A superação desse grande desafio é de suma importância para explorar plenamente as vantagens específicas dos vidros preparados por sol– gel. Assim, a compreensão dos efeitos de cada variável de processamento experimental nas propriedades dos pós é essencial para alcançar condições otimizadas de processamento para a fabricação de “scaffolds” por robocasting. Assim, os efeitos da temperatura de tratamento térmico (HTT), razão bolas / pó (BPR), e carga sólida no comportamento do fluxo e nas propriedades viscoelásticas das suspensões / pastas foram sistematicamente avaliados. Suspensões com cargas sólidas de até 40% em volume podem ser preparadas a partir de vidros HSSGG dopados com Cu–La e usadas para fabricar com sucesso “scaffolds” por robocasting. A formação de hidroxiapatite nas superfícies do “scaffold” foi observada após 72 h de imersão em SBF para o vidro HSSGG. Essas características tornam os “scaffolds” candidatos promissores para aplicações em regeneração óssea e engenharia de tecidos e merecem posterior investigação in vivo.