بررسی تأثیر میزان یون استرانسیوم بر خواص حرارتی، زیست فعالی، ضد باکتریایی و رفتار سلول‌های استئوبلاست MC3T3-E1 شیشه زیست فعال پایه سیلیکاتی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

2 استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.

چکیده

شیشه­های زیست فعال قابلیت اتصال با بافت­های بدن را نیز دارند، از این نظر می‌توان آن‌ها را موادی مناسب برای کاربردهایی نظیر مهندسی بافت استخوان دانست. در این پژوهش ابتدا به سنتز و بررسی تغییرات ساختاری، زیست سازگاری، زیست فعالی، رفتار زیستی و خاصیت ضد باکتریایی شیشه‌های زیست فعال پایه سیلیکاتی جانشین شده با استرانسیوم و بدون استرانسیوم پرداخته شد. برای بررسی زیست فعالی، پودر شیشه‌ها در زمان­های 1، 3، 7 و 14 روز در محلول شبیه‌سازی­شده­ با محیط بدن قرار داده شدند و قبل و بعد از بازه‌های زمانی مذکور، تغییرات و روند تشکیل لایه هیدروکسی‌آپاتایت روی سطح آن‌ها، با استفاده از پراش­پرتوایکس، مطالعات طیف­سنجی فروسرخ، بررسی نرخ رهایش عناصر مختلف شیشه، تغییرات pH و مطالعات ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، بررسی شد. نتایج آزمون‌های پراش­پـرتـوایکس و مطالعات طیف­ سنجی فـروسرخ، تغییرات ایجـاد شده روی لایه­ هیدروکسی­آپاتایت بلورین را نشان داد. همچنین نتایج آزمون زنده/ مرده، بررسی ریزساختار هسته و ریز رشته‌های اکتین سلول‌های استئوبلاست MC3T3-E1 نشان داد که 5 درصد استرانسیوم در شیشه‌ زیست فعال پایه سیلیکاتی منجر به رشد، تکثیر و فعالیت سلول‌های استئوبلاست MC3T3-E1 شد. نتایج آزمون سمیت سلولی و ارزیابی فعالیت فسفات قلیایی نشان داد که جایگزینی استرانسیوم بجای کلسیم در ترکیب شیشه زیست فعال پایه سیلیکاتی نه‌تنها سمیت سلولی ایجاد نکرد بلکه باعث تکثیر قابل‌ملاحظه و فعالیت سلول‌های استئوبلاست MC3T3-E1 ‌ شد. بهبود خاصیت ضد باکتریایی شیشه‌ زیست فعال حاوی استرانسیوم بر علیه باکتری مرسا در قیاس با شیشه زیست فعال بدون استرانسیوم دیده شد.

کلیدواژه‌ها


[1] Q. Fu, E. Saiz, M. N. Rahaman & A. P. Tomsia, "Bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and future perspectives," Mater. Sci. Eng. C, vol. 31, no. 7, pp. 1245–1256, 2011.
 
[2] E. Gentleman, Y. C. Fredholm, G. Jell, N. Lotfibakhshaiesh, M. D. O’Donnell, R. G. Hill & M. M. Stevens, "The effects of strontium-substituted bioactive glasses on osteoblasts and osteoclasts in vitro," Biomaterials, vol. 31, no. 14, pp. 3949–3956, 2010.
 
[3] J. R. Jones, "Review of bioactive glass: From Hench to hybrids," Acta Biomater., vol. 9, no. 1, pp. 4457–4486, 2013.
 
[4] م. نصر اصفهانی، "تأثیر تابش نور فرابنفش بر زیست فعالی پوششه­ای هیبریدی نانوساختار پلی سیلوکسان-تیتانیوم دی‌اکسید- شیشه زیستی به روش سل- ژل"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نهم، شماره 4، صفحه 129-138، 1394.
 
[5] H. Yuan, K. Kurashina, J. D. De Bruijn, Y. Li, K. De Groot & X. Zhang, "A preliminary study on osteoinduction of two kinds of calcium phosphate ceramics," Biomaterials, vol. 20, no. 19, pp. 1799–1806, 1999.
 [6] م. خورسند قاینی، "بررسی خصوصیات حرارتی کامپوزیت پلی لاکتیک اسید با ذرات شیشه زیست فعال 5S45 و هیدروکسی آپاتیت (HA) به‌منظور استفاده در پیچ‌های تداخلی قابل جذب"، فصلنامه علمی- پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال یازدهم، شماره 4، صفحه 55-56، 1396.
 
[7] J. R. Jones, P. D. Lee & L. L. Hench, "Hierarchical porous materials for tissue engineering," Philos. Trans. R. Soc. London A Math. Phys. Eng. Sci., vol. 364, no. 1838, 2006.
 
[8] M. Vallet-Regí, A. Zavras, D. Greenspan, S. Amar, T. Yamamuro, T. Nakamura, T. Yamamuro, J. Ross, S. A. Goldstein, J. B. Jupiter & D. I. Rosental, "Ceramics for medical applications," J. Chem. Soc. Dalt. Trans., vol. 19, no. 2, pp. 97–108, 2001.
 
[9] I. A. Silver, J. Deas & M. Erecińska, "Interactions of bioactive glasses with osteoblasts in vitro: effects of 45S5 Bioglass®, and 58S and 77S bioactive glasses on metabolism, intracellular ion concentrations and cell viability," Biomaterials, vol. 22, no. 2, pp. 175–185, 2001.
 
[10] م. نصر اصفهانی، "مقایسه خواص فیزیکی- شیمیایی سه نوع پوشش نانوساختار شیشه زیست فعال و زیست فعالی آن‌ها"، فصلنامه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال سوم، شماره 1، صفحه 29-35، 1388.
 
[11] X. Chen, Y. Meng, Y. Li & N. Zhao, "Investigation on bio-mineralization of melt and sol–gel derived bioactive glasses," Appl. Surf. Sci., vol. 255, no. 2, pp. 562–564, 2008.
 
[12] D. Arcos, D. C. Greenspan & M. Vallet-Regí, "A new quantitative method to evaluate the in vitro bioactivity of melt and sol-gel-derived silicate glasses," J. Biomed. Mater. Res. Part A, vol. 65A, no. 3, pp. 344–351, 2003.
 
[13] M. D. O Donnell, P. L. Candarlioglu, C. A. Miller, E. Gentleman, M. M. Stevens, J. P. Zhong, X. Y. Liu, J. Chang, E. L. Cabarcos, K. D. Luk, W. K. Chan, J. C. Leong & P. J. Meunier, "Materials characterisation and cytotoxic assessment of strontium-substituted bioactive glasses for bone regeneration," J. Mater. Chem., vol. 20, no. 40, p. 8934, 2010.
 
[14] K. M. Ereiba, A. S. Abd Raboh & A. G. Mostafa, "Characterization of some bioactive glasses based on SiO2 –CaO–P2O5 –SrO quaternary system prepared by sol–gel method," Nat. Sci., vol. 12, no. 5, 2014.
 
[15] E. Bonnelye, A. Chabadel, F. Saltel & P. Jurdic, "Dual effect of strontium ranelate: Stimulation of osteoblast differentiation and inhibition of osteoclast formation and resorption in vitro," Bone, vol. 42, no. 1, pp. 129–138, 2008.
 
[16] P. G. Galliano, A. L. Cavalieri & J. M. Porto L?pez, "A study by density measurements and indentation tests of a calcium silicophosphate bioactive glass with different MgO or SrO contents," J. Non. Cryst. Solids, vol. 191, no. 3, pp. 311–320, 1995.
 
[17] J. Christie & N. De Leeuw, "Effect of strontium inclusion on the bioactivity of phosphate-based glasses," J. Mater. Sci., 2017.
 
[18] A. Nommeots-Nomm, S. Labbaf, A. Devlin, N. Todd, H. Geng, A. K. Solanki, H. M. Tang, P. Perdika, A. Pinna, F. Ejeian, O. Tsigkou, P. D. Lee, M. H. N. Esfahani, C. A. Mitchell & J. R. Jones, "Highly degradable porous melt-derived bioactive glass foam scaffolds for bone regeneration," Acta Biomater., vol. 57, pp. 449–461, 2017.
 
[19] T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi & T. Yamamuro, "Solutions able to reproducein vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W3," J. Biomed. Mater. Res., vol. 24, no. 6, pp. 721–734, 1990.
 
[20] A. Oyane, H.-M. Kim, T. Furuya, T. Kokubo, T. Miyazaki & T. Nakamura, "Preparation and assessment of revised simulated body fluids," J. Biomed. Mater. Res., vol. 65A, no. 2, pp. 188–195, 2003.
 
[21] D. S. Brauer, R. Brückner, M. Tylkowski & L. Hupa, "Sodium-free mixed alkali bioactive glasses," Biomed. Glas., vol. 2, no. 1, 2016.
 
[22] Y. Gotoh, K. Hiraiwa & M. Nagayama, "In vitro mineralization of osteoblastic cells derived from human bone.," Bone Miner., vol. 8, no. 3, pp. 239–50, 1990.
 
[23] H. M. Elgendy, M. E. Norman, A. R. Keaton & C. T. Laurencin, "Osteoblast-like cell (MC3T3-E1) proliferation on bioerodible polymers: an approach towards the development of a bone-bioerodible polymer composite material," Biomaterials, vol. 14, no. 4, pp. 263–269, 1993.
 
[24] C. E. Yellowley, Z. Li, Z. Zhou, C. R. Jacobs & H. J. Donahue, "Functional Gap Junctions Between Osteocytic and Osteoblastic Cells," J. Bone Miner. Res., vol. 15, no. 2, pp. 209–217, 2010.
 
[25] S. Hu, C. Ning, Y. Zhou, L. Chen, K. Lin & J. Chang, "Antibacterial activity of silicate bioceramics," J. Wuhan Univ. Technol. Sci. Ed., vol. 26, no. 2, pp. 226–230, 2011.
 
[26] R. Brückner, M. Tylkowski, L. Hupa & D. S. Brauer, "Controlling the ion release from mixed alkali bioactive glasses by varying modifier ionic radii and molar volume," J. Mater. Chem. B, vol. 4, no. 18, pp. 3121–3134, 2016.
 
[27] M. Tylkowski & D. S. Brauer, "Mixed alkali effects in Bioglass® 45S5," J. Non. Cryst. Solids, vol. 376, pp. 175–181, 2013.
 
[28] S. Hesaraki, M. Gholami, S. Vazehrad & S. Shahrabi, "The effect of Sr concentration on bioactivity and biocompatibility of sol–gel derived glasses based on CaO–SrO–SiO2–P2O5 quaternary system," Mater. Sci. Eng. C, vol. 30, no. 3, pp. 383–390, 2010.
 
[29] X. Lu & Y. Leng, "Theoretical analysis of calcium phosphate precipitation in simulated body fluid," Biomaterials, vol. 26, no. 10, pp. 1097–1108, Apr. 2005.
 
[30] S. Taherkhani & F. Moztarzadeh, "Influence of strontium on the structure and biological properties of sol–gel-derived mesoporous bioactive glass (MBG) powder," J. Sol-Gel Sci. Technol., vol. 78, no. 3, pp. 539–549, 2016.
 
[31] C. G. Simon, C. A. Khatri, S. A. Wight & F. W. Wang, "Preliminary report on the biocompatibility of a moldable, resorbable, composite bone graft consisting of calcium phosphate cement and poly (lactide-co-glycolide) microspheres," J. Orthop. Res., vol. 20, no. 3, pp. 473–482, 2002.
 
[32] P. Valerio, M. M. Pereira, A. M. Goes & M. F. Leite, "The effect of ionic products from bioactive glass dissolution on osteoblast proliferation and collagen production," Biomaterials, vol. 25, no. 15, pp. 2941–2948, 2004.
 
[33] J. Liu, S. C. F. Rawlinson, R. G. Hill & F. Fortune, "Strontium-substituted bioactive glasses in vitro osteogenic and antibacterial effects," Dent. Mater., vol. 32, no. 3, pp. 412–422, 2016.