ПРОСТОЙ СИНТЕЗ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ НОВЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ МЕТОДА ЗАМЕНЫ КОСТИ
Аннотация
Несмотря на значительные успехи в области восстановления и замещения костной ткани, остается множество проблем, связанных с разработкой оптимальных материалов для костных имплантатов. В данном исследовании изучается потенциал керамических композитов на основе силиката кальция с добавлением различных неорганических примесей для костных имплантатов. В качестве материалов использовался порошок силиката кальция, смешанный с (10, 20 и 40 мас.%) диоксидом циркония (ZrO2) и/или диоксидом титана (TiO2), а затем спеченный при температурах 900, 1100 и 1250 °C. Спеченные образцы погружали в имитированную кровь (SBF) на различные периоды времени (0-30 сут.) для проведения исследования in vitro. Биологическая активность керамических композитов исследовалась как для образцов, пропитанных жидкостью, так и для высушенных образцов. Полученные керамические композиты были исследованы с помощью аналитических методов, таких как рентгеновская дифракция (XRD), инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) и сканирующая электронная микроскопия (SEM). Кроме того, был проведен анализ изменений концентрации ионов Ca2+ и P3+ в растворе SBF на стадии инкубации. Результаты показали, что чистый α-волластонит успешно обеспечивает компромисс между механическими и биоактивными характеристиками, что делает его подходящим выбором для ортопедических и стоматологических применений. Твердость по Виккерсу волластонита увеличивалась с повышением температуры спекания, достигая 9,494 ГПа при 1250 °C. С другой стороны, композиты на основе диоксида циркония и диоксида титана показали значительно более высокие значения твердости — 21,02 ГПа и 17,02 ГПа соответственно. В целом, варьируя состав добавок, стеклокерамику на основе волластонита можно адаптировать для конкретных биомедицинских применений.
Для цитирования:
Бахаа Абдхади Ахмед, Байдаа К. Аль-Рубайе, Лекаа К. Абдул Карем, Ахмед М. Халил, Сайед Х. Кенави Простой синтез и характеризация новых неорганических стеклокерамических композитов для применения в качестве метода замены кости. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 4. С. 67-76. DOI: 10.6060/ivkkt.20266904.6810.
Литература
Mabrouk M., Taha S.K., Abdel Hamid M.A., Kenawy S.H., Hassan E.A., El-Bassyouni G.T. Development and characterization of bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2021. V. 109. P. 1029–1044. DOI: 10.1002/jbm.b.34767.
El-Bassyouni G.T., ElShebiney S., Korany R., Mabrouk M., Soliman A., Darwish H., Kenawy S., Hamzawy E. Multifunctional bioactive scaffolds for tissue regeneration: structural and biological properties. ACS Appl. Mater. In-terfaces. 2025. V. 17. P. 873–887. DOI: 10.1007/s12633-025-03229-3.
Oliveira C.S.F., Negut I., Bita B. Advances in ceramics for biomedical applications: synthesis, properties, and performance. Ceramics. 2024. V. 7. P. 1779–1809. DOI: 10.3390/ceramics7040113.
Lobo S.E., Arinzeh T.L. Applications of biomaterials for regenerative medicine. Materials. 2010. V. 3. P. 815–826. DOI: 10.3390/ma3020815.
Nayak A.K., Maity M., Barik H., Behera S.S., Dhara A.K., Hasnain M.S. Bioceramic materials in bone-implantable drug delivery systems: A review. J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2024. V. 29. P. 105524. DOI: 10.1016/j.jddst.2024.105524.
Moayedee Y., Nikzad L., Majidian H. Exploration into the microstructural, mechanical, and biological characteristics of the functionally graded 3Y-TZP/Ti₆Al₄V system as a potential material for dental implants. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2024. V. 151. P. 106380. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2024.106380.
Montazerian M., Schneider J.F., Eftekhari Yekta B., Marghussian V.K., Rodrigues A.M., Zanotto E.D. Sol-gel synthesis, structure, sintering and properties of bioactive and inert nano-apatite-zirconia glass-ceramics. Ceram. Int. 2015. V. 41. P. 11024-11045. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.05.047.
Höland W., Beall G.H. Glass-ceramic technology. John Wiley & Sons, Inc., Publ. 2012. 448 p. DOI: 10.1002/9781118265987.
Vereshchagin V.I., Kurbanbayev M.Y., Yessimov B.O., Root L.O., Mogilevskaya N.V. Sintering processes, phase formation, structure formation and properties of electrical porcelain using marshallite and wollastonite additives. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 5. P. 87-98. DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6960.
Kenawy S.H., Khalil A.M., Hamzawy E.M. Impact of Sintering Conditions for a Robust Cordierite Ceramic Re-inforced with Nano-Silicon Nitride. Biointerface Res. Appl. Chem. 2023. V. 13. N 1. P. 85. DOI: 10.33263/BRIAC131.085.
Erol-Taygun M., Zheng K., Boccaccini A.R. Nanoscale Bioactive Glasses in Medical Applications. Int. J. Appl. Glass Sci. 2013. V. 4. P. 136–148. DOI: 10.1111/ijag.12029.
Krishnan L., Chakrabarty P., Govarthanan K., Rao S., Santra T.S. Bioglass and Nano Bioglass: A Next-Generation Biomaterial for Therapeutic and Regenerative Medicine Applications. Int. J. Biol. Macromol. 2024. V. 277. P. 133073. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.133073.
Kenawy S.H., Khalil A.M. Advanced ceramics and relevant polymers for environmental and biomedical applications. Biointerface Res. Appl. Chem. 2020. V. 10. N 4. P. 5747–5754. DOI: 10.33263/BRIAC104.747754.
Jones J.R. Review of bioactive glass: From Hench to hybrids. Acta Biomater. 2013. V. 9. P. 4457–4486. DOI: 10.1016/j.actbio.2012.08.023.
Siqueira R.L., Zanotto E.D. The influence of phosphorus precursors on the synthesis and bioactivity of SiO₂–CaO–P₂O₅ sol–gel glasses and glass-ceramics. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2013. V. 24. P. 365–379. DOI: 10.1007/s10856-012-4797-x.
Tharp W.F., Karem L.K.A. Green synthesis, characterization, antimicrobial and anticancer studies of zirconium oxide nanoparticles using Thyme plant extract. Moroccan J. Chem. 2024. V. 12. P. 643–656.
Ali A.T., Karem L.K.A. Biosynthesis, Characterization, Adsorption and Antimicrobial studies of Manganese oxide Nanoparticles Using Punica Granatum Extract. Baghdad Sci. J. 2024. 21. P. 952. DOI: 10.21123/bsj.2023.8183.
Shearer A., Montazerian M., Deng B., Sly J.J., Mauro J.C. Zirconia-containing glass-ceramics: From nucleating agent to primary crystalline phase. Int. J. Ceram. Eng. Sci. 2024. 6. P. e10200. DOI: 10.1002/ces2.10200.
Mondal D., So-Ra S., Lee B.T. Fabrication and Character-ization of ZrO₂–CaO–P₂O₅–Na₂O–SiO₂ Bioactive Glass Ceramics. J. Mater. Sci. 2013. V. 48. P. 1863–1872. DOI: 10.1007/s10853-012-6956-3.
Ghaffari M., Alizadeh P., Rahimipour M.R. Sintering Behavior and Mechanical Properties of Mica-Diopside Glass-Ceramic Composites Reinforced by Nano- and Mi-cro-sized Zirconia Particles. J. Non-Cryst. Solids. 2012. V. 358. P. 3304–3311. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.08.002.
Aoki S., Shimabukuro M., Kishida R., Kyuno K., Noda K., Yokoi T., Kawashita M. Electrochemical Deposition of Copper on Bioactive Porous Titanium Dioxide Layer: Antibacterial and Pro-Osteogenic Activities. ACS Appl. Bio Mater. 2023. V. 6. P. 5759–5767. DOI: 10.1021/acsabm.3c00860.
Kumar N., Chauhan N.S., Mittal A., Sharma S. TiO₂ and Its Composites as Promising Biomaterials: A Review. Biometals. 2018. V. 31. P. 147–159. DOI: 10.1007/s10534-018-0078-6.
Ali S., Abdul Rani A.M., Baig Z., Ahmed S.W., Hussain G., Subramaniam K., Rao T.V. Biocompatibility and cor-rosion resistance of metallic biomaterials. Corros. Rev. 2020. V. 38. P. 381–402. DOI: 10.1515/corrrev-2020-0001.
Tkachuk V.A., Lyutova E.S., Buzaev A.A., Borilo L.P., Spivakova L.N. Obtaining of TiO2-SiO2-P2O5/ZnO composites, investigation of their properties and possibility of application as a biomaterial. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 5. P. 70-76. DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6953.
Zia R., Riaz M., Maqsood S., Anjum S., Kayani Z., Hussain T. Titania doped bioactive ceramics prepared by solid state sintering method. Ceram. Int. 2015. V. 41. P. 8964–8972. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.03.170.
Sharma G., Sharma S., Pal D., Kumar A. Antibacterial and antiviral functional materials (chapter), in Antibacterial and Antiviral Functional Materials. ACS. 2024. V. 2. P. 121–148. DOI: 10.1021/bk-2024-1472.ch004.
Sherif H.H.A., Hamzawy E.M.A., El Zawawi I.K., Ke-nawy S.H., El-Bassyouni G.T., Mahdy M.A. Simplex-Centroid mixture design optimization of Sr-doped CaSiO₃ bioceramic coatings for enhanced structural and optical properties. Ceram. Int. 2024. V. 50. P. 12459–12471. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.01.155.
Miyata N., Fuke K.I., Chen Q., Kawashita M., Kokubo T., Nakamura T. Formation process of bone-like apatite layer on bioactive glass–ceramic in a body-like solution and its crystallographic characterization. Biomaterials. 2002. V. 23. P. 3033–3040. DOI: 10.1016/S0142-9612(02)00065-0.
Abodunrin O.D., El Mabrouk K., Bricha M. Bioactive glass nanoparticles for drug delivery and bone tissue re-generation. J. Mater. Chem. B. 2023. V. 11. P. 955–973. DOI: 10.1039/D2TB02505A.
Olmo N., Martín A.I., Salinas A.J., Turnay J., Vallet-Regí M., Lizarbe M.A. Hyaluronic acid–functionalized silica nanoparticles for imaging and drug delivery. Biomaterials. 2003. V. 24. P. 3383–3393.
Łaczka M., Cholewa K., Łaczka-Osyczka A. Gelderived powders of the CaO–P₂O₅–SiO₂ system as a starting mate-rial for the production of bioactive ceramics. J. Alloys Compd. 1997. V. 248. P. 42–51. DOI: 10.1016/S0925-8388(96)02648-5.
Vasanthavel S., Alam M.M., Murugan K., Kumar A., Kannan S. Formation of zircontype (Zr,Ti)₁₋ₓ(Dy)ₓ(SiO₄)₁₋ₓ(PO₄)ₓ solid solutions and their optical and magnetic characteristics. Ceram. Int. 2024. V. 50. P. 35799–35809. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.06.401.
González-Sánchez M., Zamora-Ledezma C., Elango J., Morales-Flórez V. Novel bioactive and biocompatible alumina-wollastonite porous constructs mimicking physi-cal properties of human cortical bone J. Eur. Ceram. Soc. 2024. V. 44. P. 4699–4708. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2024.02.001.
Park J., Öztürk A. The effect of sintering temperature on mechanical and biological properties of sol–gel derived bioactive glass–ceramics. Mater. Lett. 2007. V. 61. P. 1916–1921.
Kim H.-M., Kokubo T., Fujibayashi S., Nishiguchi S., Nakamura T. Surface potential change in bioactive titani-um metal during the process of apatite formation in simulated body fluid. J. Biomed. Mater. Res. A. 2003. V. 67. P. 1305–1309. DOI: 10.1002/jbm.a.20039.
Fujibayashi S., Neo M., Kim H.M., Kokubo T., Nakamura T. Apatite forming ability of bioactive titanium met-al composites prepared by a powder metallurgical process. Biomaterials. 2003. V. 24. P. 1349–1356.
Babu M.M., Rao P.V., Veeraiah N., Prasad P.S. Spectro-scopic investigations on the influence of ZnO on physical and biological properties of CaO–B₂O₃–SiO₂–P₂O₅–Na₂O bioactive glasses. Colloids Surf. B Biointerfaces. 2020. V. 185. P. 110591. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2019.110591.
Owoeye S.S., Folorunso D.O., Aramide F., Olaniran O., Okotie B. Microwave irradiation melt-quenching preparation of 45S5 bioglass using biogenic wastes as alternative materials. Biomed. Mater. Devices. 2025. V. 3. P. 463-473. DOI: 10.1007/s44174-024-00174-4.
Chen S., Michálek M., Castillo E.I.G., Hruška B., Talimian A., Šurka J., Galusek D. The effect of alkali activation on the textural properties of flame-synthesized 45S5-derived micron-porous bioactive glass microspheres. Ma-terialia. 2024. V. 33. 102023. DOI: 10.1016/j.mtla.2024.102023.
Oyane A., Kawashita M., Nakanishi K., Kokubo T., Minoda M., Miyamoto T., Nakamura T. Bonelike Apa-tite Formation on Ethylene-Vinyl Alcohol Copolymer Modified with Silane Coupling Agent and Calcium Silicate Solutions. Biomaterials. 2003. V. 24. P. 1729-1735. DOI: 10.1016/S0142-9612(02)00581-1.
Liu X., Ding C., Wang Z. Apatite formed on the surface of plasma-sprayed wollastonite coating immersed in simu-lated body fluid, Biomaterials. 2001. V. 22. P. 2007-2012. DOI: 10.1016/S0142-9612(00)00386-0.
García C., Ceré S., Durán A. Bioactive coatings deposited on titanium alloys. J. Non-Cryst. Solids. 2006. V. 352. P. 3488-3495. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2006.02.110.
