Bioszkła wzbogacone w stront lub cynk i kompozyty z ich udziałem do zastosowań w leczeniu ubytków tkanki kostnej

Abstract

W ostatnich latach prowadzonych jest wiele badań nad opracowywaniem nowych rozwiązań technologicznych mających na celu zaprojektowanie i wytworzenia nowej generacji biomateriałów, które bardziej nadawałyby się do zastępowania uszkodzonych tkanek i wspierania ich regeneracji. Wśród biomateriałów nowej generacji, przeznaczonych do leczenia ubytków tkanki kostnej ważną rolę odgrywają bioszkła i kompozyty polimerowo-ceramiczne. Celem pracy było opracowanie sposobu otrzymywania szkieł metodą zol-żel z układu $SiO_{2}-CaO-P_{2}O_{5}$ wzbogaconych w cynk lub stront dla zastosowań w chirurgii i ortopedii. Postawiono tezę, że poprzez zmianę warunków wytwarzania i obróbki termicznej oraz wprowadzenie dodatków do więźby szkła możliwe jest wpływanie na strukturę, skład fazowy oraz zachowanie szkieł w środowisku biologicznym. W ramach pracy doktorskiej wytworzono szereg rodzajów bioszkieł, oceniono ich budowę i właściwości fizykochemiczne takie jak: struktura i skład chemiczny, mikrostruktura, rozwinięcie powierzchni i uziarnienie. Zbadano podatność opracowanych bioszkieł na degradację w środowisku wodnym oraz bioaktywność w roztworze symulującym środowisko biologiczne. Następnie przygotowano kompozyty składające się z bioszkła i osnowy polisacharydowej (chitozan lub mieszanina chitozanu i kwasu hialuronowego). Uzyskane materiały zbadano pod kątem ich właściwości bakteriobójczych w kontakcie ze szczepami Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa. Oceniono aktywność biologiczną szkieł w kontakcie bezpośrednim z komórkami kostnymi hFOB1.19 i MG63 oraz metodą pośrednią z komórkami A549. Wykazano, że badane bioszkła wzbogacone w stront lub cynik o różnym stopniu uporządkowania struktury i kompozyty z ich udziałem uwalniają jony $Ca^{2+}$, $Sr^{2+}$ lub $Zn^{2+}$. Szybkość degradacji szkła zależała od temperatury obróbki termicznej oraz składu chemicznego. Dowiedziono, że obecność faz mikrokrystalicznych w szkle nie hamuje tworzenia wydzieleń hydroksyapatytu w teście inkubacji w symulowanym płynie fizjologicznym. Ekstrakty z wytworzonych biomateriałów nie wykazywały działania toksycznego na komórki i nie zwiększały w warunkach in vitro wytwarzania cytokin prozapalnych. Oznaczony poziom uwalnianych jonów $Sr^{2+}$, nie był toksyczny i mieścił się w zakresie odpowiednim do stymulowania osteoindukcji. Natomiast obecność jonów cynku w więźbie szkła nadawała im właściwości bakteriobójcze. Uzyskane wyniki wykazały, że wytworzone kompozyty bioszkła/osnowa polisacharydowa posiadają obiecujące właściwości jako biomateriały do wypełniania i leczenia ubytków tkanki kostnej. In recent years, a lot of research has been carried out on the development of new technological solutions aimed at designing and producing a new generation of biomaterials that would be more suitable for replacing damaged tissues and supporting their regeneration. Among the new generation biomaterials intended for the treatment of bone tissue defects, bioglasses and polymer-ceramic composites play an important role. The aim of this work was to develop a technique for obtaining glasses using the sol-gel method from the $SiO_{2}-CaO-P_{2}O_{5}$ system enriched with zinc or strontium for applications in surgery and orthopedics. It was assumed that by changing the production and thermal treatment conditions and introducing additives into the glass structure, it is possible to influence the structure, phase composition and behavior of glasses in the biological environment. As part of the doctoral thesis, a number of types of bioglasses were manufactured and their structure and the physicochemical properties were determined, such as: structure and chemical composition, microstructure, specific surface area and grain size distribution. Susceptibility of the developed bioglasses to degradation in an aqueous environment and to bioactivity in a solution simulating the biological environment were investigated. Then, composites consisting of bioglass and a polysaccharide matrix (chitosan or a mixture of chitosan and hyaluronic acid) were prepared. The obtained materials were tested for their bactericidal properties in contact with Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa strains. Biological activity of the glasses in direct contact with hFOB1.19 and MG63 bone cells and indirectly with A549 cells was assessed. It has been shown that the tested glasses enriched with strontium or zinc, with varying degrees of structure order, and composites containing them, release $Ca^{2+}$, $Sr^{2+}$, or$Zn^{2+}$ ions. It has been proven that the presence of microcrystalline phases in glass does not inhibit the formation of hydroxyapatite precipitates in the incubation test in simulated body fluid. Extracts from the prepared biomaterials did not have toxic effect on cells and did not increase the production of pro-inflammatory cytokines in vitro. The determined level of $Sr^{2+}$ ions released was not toxic and was within the range favourable for osteoinduction stimulation. However, the presence of zinc ions in the glass structure provide them with bactericidal properties. The obtained results showed that the manufactured glasses/polysaccharide matrix composites have promising properties as biomaterials for filling and treating bone tissue defects.