생체 활성 유리

생체 활성 안경은 표면 반응성 유리-세라믹 생체 재료의 그룹이며 원래의 생체 활성 유리인 바이오글래스를^® 포함합니다.이 안경의 생체적합성과 생체활성성은 인체에서 질병이나 손상된 ^[2]뼈를 치료하고 대체하기 위한 임플란트 장치로 사용되어 왔다.대부분의 생체 활성 안경은 체액에서 분해되기 쉬운 규산염 기반 안경으로 치료에 유익한 이온을 전달하는 매개체 역할을 할 수 있습니다.생체 활성 유리는 다른 합성 골격 이식 생체 재료와 구별됩니다(예:히드록시아파타이트, 인산수소칼슘, 황산칼슘)은 항감염 ^[3]및 혈관신생 특성을 가진 유일한 물질이다.

역사

발견과 개발

플로리다 대학의 래리 헨치와 동료들은 1969년에^[4] 이 재료들을 처음 개발했고 임페리얼 칼리지 런던의 그의 연구팀과 전세계의 다른 연구원들에 의해 더 많이 개발되었습니다.헨치는 1968년 ^[5]뼈에서 발견되는 히드록시아파타이트의 피막을 형성할 수 없는 한 금속이나 고분자 물질을 거부하는 신체를 바탕으로 미 육군 의료연구개발사령부에 제안 가설을 제출함으로써 개발을 시작했다.Hench와 그의 팀은 1년간 자금을 지원받아 45S5 구성에 ^[5]대한 개발을 시작했습니다."바이오글래스^®"라는 이름은 원래 45S5 작곡의 이름으로 플로리다 대학에 의해 상표로 등록되었습니다.따라서 45S5 조성에 대해서만 사용해야 하며 생체 활성 ^[6]안경의 일반 용어로 사용해서는 안 된다.

Hench는 ${\displaystyle {Na\mathrm{}}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ O${\displaystyle }$- ${\displaystyle \text{CaO}}$ ${\displaystyle -}$ ${\displaystyle {SiO\mathrm{}}_{}^{}}$2 ({$displaystyle {Na2O-CaO-SiO2}})$ 위상도를$$ ${\displaystyle {\text{사용}}_{}^{}}$하여 45 % ${\displaystyle {SiO\mathrm{}}_{}^{}}$2 ({$displaystyle {SiO2$ ${\displaystyle {\text{24}}_{}^{}}$.5% ${\displaystyle {}_{}^{}}$ 2$$O $디스플레이$ {CeO style {$Na2$의 구성을 선택했습니다.$$${\displaystyle {\text{SiO}}_{}^{}{2\mathrm{}}_{}^{}}$ - ${\displaystyle {Na\mathrm{}}_{}^{}}$ 2$$ $매트릭스$$({$^[5]$displaystyle})$에 대량의 $({$$})$와 $일부$P 2 O $({$$P2O5$})를$$ 허용합니다$.$이 유리는 Dr.에 의해 개발된 대로 6주 동안 쥐의 대퇴골에 삽입될 수 있도록 밧줄로 묶고 녹인 후 작은 직사각형 모양의 임플란트에 주조되었다.플로리다 ^[5]대학의 테드 그린리입니다.6주 후 그린리 박사는 "이러한 세라믹 임플란트는 뼈에서 나오지 않을 것이다. 그것들은 제자리에 접합되어 있다. 밀 수도 있고 밀 수도 있고 때릴 수도 있지만 움직이지도 않아요 컨트롤이 쉽게 ^[5]빠집니다."이러한 연구결과는 1971년 45S5 생체활성유리에 관한 첫 번째 논문의 기초가 되었다.그린리 박사는 칼슘 및 인산 이온 결핍 용액의 시험관내 실험에서 나중에 생체 내에서 관찰된 히드록시아파타이트와 유사한 히드록시아파타이트 층이 개발되었음을 요약했다.

동물 실험

네덜란드 암스테르담의 과학자들은 1986년에 ^[7]생체 활성 유리의 큐브를 가져다가 기니피그의 경골에 이식했다.8주, 12주, 16주의 이식 후, 기니피그는 안락사되었고 경골은 ^[7]수확되었다.그런 다음 임플란트와 경골에 전단 강도 테스트를 실시하여 임플란트의 뼈 경계에 대한 기계적 특성을 확인하였으며, 여기서 임플란트의 전단 강도는 5N/^[7]mm인² 것으로 밝혀졌다.전자현미경 검사 결과 세라믹 임플란트에 ^[7]뼈 잔여물이 단단히 붙어 있었다.추가 광학 현미경 검사에서 임플란트 영역 내에서 골세포와 혈관 성장이 밝혀졌으며 이는 뼈와 ^[7]임플란트 간의 생체적합성의 증거였다.

생체 활성 유리는 살아있는 뼈 ^[8]조직과 강한 결합을 만드는 것으로 발견된 첫 번째 물질이었다.

구조.

고체 NMR 분광법은 비정질 고체의 구조를 결정하는데 매우 유용했다.생체활성안경은 Si 및 P 고체 MAS NMR 분광법에 의해 연구되었다.MAS NMR로부터의 화학적 변화는 유리에 존재하는 화학 종의 유형을 나타냅니다.Si MAS NMR 분광법에 따르면 바이오글래스 45S5는 Q3가 소량인 Q2형 구조, 즉 가교된 규산염 사슬이었다.P MAS NMR은 주로 Q0 종(즉₄³⁻, PO), 후속 MAS NMR 스펙트럼 분석 측정 결과 Si-O-P 결합이 검출 가능한 수준보다 낮은 것으로 나타났다.

구성

미국 식품의약국(FDA)이 승인하고 바이오글래스라고 명명한 원래 조성물에는 많은 변형이 있었다.이 조성물은 바이오글래스 45S5로 알려져 있습니다.기타 구성은 다음과 같습니다.

• 45S5: SiO 45wt₂%, CaO 24.5wt₂%, NaO 24.5wt₂₅%, PO 6.0wt%바이오글래스^®
• S53P4 : SiO₂ 53wt%, NaO₂ 23wt%, CaO 20wt%, PO 4wt₂₅% (S53P4는 유일하게 세균증식을 저해하는 생체활성유리)
• 58S: SiO 58wt₂%, CaO 33wt₂₅%, PO 9wt%
• 70S30C: 70wt% SiO₂, 30wt% CaO
• 13~93: SiO₂ 53 중량%, NaO₂ 6 중량%, KO 12₂ 중량%, MgO 5 중량%, CaO 20 중량%, PO₂₅ 4 중량%

바이오글래스 45S5

그 구성은 원래 대략 ^[11]공학적이어서 선택되었다.

45S5라는 이름은 45wt의 유리를 의미합니다.SiO의 %와₂ 칼슘 대 인의 5:1 몰비.낮은 Ca/P 비율은 ^[12]뼈에 결합되지 않습니다.

Bioglass의 주요 조성 특징은 SiO 함량이 60 mol₂% 미만이고, NaO₂ 및 CaO 함량이 높으며, CaO/PO₂₅ 비율이 높아 Bioglass가 수성 배지에 매우 반응하며, 생물 활성도가 높다는 것입니다.

생체활성이 높은 것은 바이오글래스의 주요 장점이며, 단점은 기계적 약점, 비정질 2차원 유리망으로 인한 파괴 저항성이 낮다는 것이다.대부분의 바이오글래스의 굽힘 강도는 40~60MPa 범위이며, 이는 하중 지지 적용에 충분하지 않습니다.영률은 30~35GPa로 피질골에 매우 가까운 것이 장점이다.바이오글래스 임플란트는 약간 또는 압축적으로 로드된 매립형 임플란트에 비내하성 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다.바이오글래스는 복합 재료의 생체 활성 성분이나 분말로도 사용될 수 있으며 코카인 남용에 의한 천공을 치료하기 위한 인공 격막을 만드는 데 사용될 수 있습니다.그것은 알려진 ^[11]부작용은 없다.

Bioglass 45S5의 첫 번째 성공적인 외과적 사용은 전도성 난청 치료로서 중이 소골의 대체였다.45S5의 장점은 섬유 조직을 형성하는 경향이 없다는 것입니다.다른 용도는 치아 발치 후 턱에 임플란트를 하기 위한 원추형이다.Bioglass 45S5와 환자 자신의 뼈로 만든 복합 재료를 골격 ^[11]재건에 사용할 수 있습니다.

바이오글라스는 다른 유리잔에 비해 비교적 부드럽다.다이아몬드 공구를 사용하거나 분쇄하여 가공할 수 있습니다.바이오글래스는 수분을 쉽게 흡수하고 ^[12]반응하기 때문에 건조한 환경에 보관해야 합니다.

바이오글래스 45S5는 기존의 유리 제조 기술로 제조되며 오염을 방지하기 위해 백금 또는 백금 합금 도가니를 사용합니다.오염물질은 유기체의 화학반응을 방해할 것이다.재료의 열팽창이 높기 때문에 어닐링은 벌크 부품을 형성하기 위한 중요한 단계입니다.

바이오글래스의 열처리는 휘발성 알칼리 금속산화물 함량을 낮추고 유리 매트릭스 내의 아파타이트 결정을 침전시킨다.Ceravital이라는 이름의 유리-세라믹 물질은 기계적 강도가 높고 생체활성이 낮다.^[13]

바이오글래스 S53P4

S53P4의 공식은 1990년대 초 핀란드 투르쿠에서 오보 아카데미 대학과 투르쿠 대학에서 처음 개발되었습니다.2011년 만성 골수염 치료제에서 골강 충전제 사용에 대한 제품 클레임을 받았다.S53P4는 150개 이상의 출판물로 시장에서 가장 많이 연구되고 있는 생물 활성 안경 중 하나입니다.

S53P4 생체활성유리를 골강에 넣으면 체액과 반응해 유리를 활성화한다.이 활성화 기간 동안, 생체 활성 유리는 일련의 화학 반응을 거치면서 골수 이식을 통해 뼈를 재건할 수 있는 이상적인 조건을 만듭니다.

• Na, Si, Ca, P 이온이 방출된다.
• 생체활성 유리 표면에 실리카겔층이 형성된다.
• CaP는 결정화되어 생체 활성 유리 표면에 히드록시아파타이트 층을 형성합니다.

히드록시아파타이트층이 형성되면 생체활성유리는 혈액단백질, 성장인자 및 콜라겐과 같은 생물학적 실체와 상호작용합니다.이 인터랙티브, 골전도성 및 골자극성 과정을 거쳐 새로운 뼈는 생체활성 유리 구조 위 및 사이에서 성장한다.

• 생체 활성 유리 성분이 뼈에 결합되어 새로운 뼈 형성을 촉진합니다.
• 골자극은 골세포를 자극해 뼈의 리모델링 속도를 높이는 것으로 시작된다.
• 생체 활성 유리의 고밀도 방사선 품질은 수술 후 평가를 가능하게 합니다.

마지막 변형 단계에서는 뼈 재생과 리모델링 과정이 계속된다.시간이 지남에 따라 뼈가 완전히 재생되어 환자의 자연 해부학적 구조를 복원합니다.

• 뼈가 굳어지다.
• S53P4 생물 활성 유리는 수년간 뼈로 계속 개조됩니다.

생체활성유리 S53P4는 현재 시중에서 유일하게 세균 증식을 억제하는 것으로 입증됐다.S53P4의 세균 증식 억제 특성은 생체 활성 유리가 체액과 반응할 때 발생하는 두 가지 화학적 및 물리적 프로세스에서 파생됩니다.나트륨(Na)은 생체활성유리 표면에서 방출되어 pH(알칼린 환경)의 증가를 유도하여 세균에 유리하지 않아 성장을 억제한다.방출된 Na, Ca, Si, P 이온은 염분 농도 상승으로 인해 삼투압의 증가를 일으킨다. 즉, 박테리아가 ^[14][15]자랄 수 없는 환경이다.

오늘날 바이오 활성 유리 S53P4는 Bonalive Biomaterials(핀란드 투르크)에서 Bonalive® 과립이라는 제품 이름으로 제조 및 유통됩니다.이 제품은 골강, 빈 공간 및 간극을 메우기 위해 성인 및 소아 환자에게 사용되며 뼈 결함의 재구성 또는 재생에도 사용됩니다.S53P4 생체 활성 유리는 뼈 감염(예: 패혈성 비온 및 만성 골수염), 외상, 척추 수술, 양성 골종양 및 유방 ^[16]수술에 성공적으로 사용되어 왔다.생체활성유리 S53P4는 핀란드 투르쿠 소재 스컬리 임플란트(www.skulleimplants.com)^[17][18]가 생산하는 뼈 성형용 유리섬유 강화 복합 임플란트에도 사용된다.

바이오글래스 8625

숏 8625라고도 불리는 바이오글래스 8625는 이식된 장치의 캡슐화에 사용되는 소다 석회 유리입니다.Bioglass 8625의 가장 일반적인 용도는 사람과 동물의 마이크로칩 임플란트에 사용되는 RFID 트랜스폰더 하우징입니다.이것은 Shott ^[19]AG에 의해 특허가 취득되어 제조되고 있습니다.바이오글래스 8625는 일부 피어싱에도 사용됩니다.

바이오글래스 8625는 조직이나 뼈에 결합하지 않고 섬유 조직 캡슐화에 의해 고정됩니다.착상 후 유리와 조직의 경계면에 칼슘이 풍부한 층이 형성된다.추가적인 항염색 코팅이 없으면 조직 내에서 이동될 수 있습니다.항염색 코팅은 유리와 조직 양쪽에 결합하는 재료입니다.보통 팔리렌 타입 C인 팔리렌이 종종 ^[20]그러한 물질로 사용된다.

바이오글래스 8625는 적외선을 흡수하고 광원(예: Nd:YAG 레이저 또는 수은증기 램프.^[19]FeO₂₃ 함량은 최대 1100nm에서 높은 흡수를 제공하며 유리에 녹색을 입힙니다.불꽃이나 접촉 가열 대신 적외선 방사선을 사용하면 장치의 ^[21]오염을 방지하는 데 도움이 됩니다.

착상 후 유리는 약 2주 동안 2단계로 환경과 반응합니다.제1상에서는 알칼리 금속이온을 유리로부터 침출시켜 수소이온으로 치환하고, 소량의 칼슘이온도 재료로부터 확산한다.제2상에서는 실리카 매트릭스 중의 Si-O-Si 결합이 가수분해되어 Si-O-H기가 풍부한 겔상 표층이 된다.유리 표면에 인산칼슘이 풍부한 패시베이션층이 서서히 형성되어 더 이상의 침출이 방지된다.

그것은 많은 종류의 동물을 추적하기 위한 마이크로칩과 최근 몇몇 사람의 이식물에 사용된다.미국 식품의약국(FDA)은 1994년에 바이오글래스 8625의 인체 사용을 승인했다.

바이오글래스 13-93

Bioglass 45S5에 비해 규산염 13-93의 생체활성유리는 SiO가₂ 고성분이며 KO와 MgO를 포함한다₂.Mo-Sci Corporation에서 시판하거나 Na-Sci는 NaCO₂₃, KCO₂₃, MgCO₃, CaCO₃, SiO₂ 및 NaHPO₂₄ · 2HO₂ 혼합물을 백금 도가니에 1300°C에서 녹이고 스테인리스강판 ^[22]사이에서 담금질하여 직접 제조할 수 있습니다.

13-93 글라스는 미국과 유럽에서 생체내 사용 승인을 받았습니다.점성이 강하며 섬유에 끌어당기는 순간 결정화되는 경향이 낮으며, 13~93개의 생체활성유리 분말을 바인더에 분산시켜 로보캐스팅 또는 다이렉트잉크 3D 프린팅 기술을 위한 잉크를 만들 수 있습니다.결과 다공질 비계의 기계적 특성은 다양한 ^[23]문헌에서 연구되어 왔다.

Liu 등의 연구에서 인쇄된 13-93 생체 활성 유리 발판은 주변 공기에서 건조된 후 O 대기 아래에서₂ 600°C까지 연소하여 가공 첨가제를 제거한 후 700°C에서 1시간 동안 공기 중에 소결되었습니다.본 시료에서 굴곡강도(11±3MPa)와 굴곡률(13±2MPa)은 사골의 최소값과 동등하며, 압축강도(86±9MPa)와 압축률(13±2GPa)은 피질골 값에 가깝다.단, as-fabric steal의 파단 인성은 0.48±0.04MPa^1/2·m로 파단 인성이 2~12MPa^1/2·m인 사람의 피질골보다 메짐성이 높은 것으로 나타났다.샘플을 모의 체액(SBF)에 담근 후 또는 쥐의 배면에 피하 주입한 후, 압축 강도 및 압축 계수는 초기 2주 동안 급격히 감소하지만, 2주 후에는 점차 감소한다.기계적 특성 감소는 발판의 유리 필라멘트가 다공질 하이드록시아파타이트 유사 물질로 ^[24]주로 구성된 층으로 부분적으로 전환되었기 때문입니다.

Kolan과 동료들의 또 다른 연구에서는 기존의 열처리 대신 선택적 레이저 소결법을 사용했습니다.레이저파워, 스캔속도, 발열속도 최적화 후 소결된 발판의 압축강도는 다공률이 50% 이하인 발판은 41MPa에서 고밀도 발판은 157MPa까지 다양하였다.SBF를 사용한 체외 연구는 압축 강도를 감소시켰지만 최종 값은 인간의 사골과 ^[25][26]유사했다.

Fu et al.의 보고서에서 13~93개의 다공질 유리 발판은 폴리우레탄 폼 복제 방법을 사용하여 합성되었다.응력-변형 관계는 85 ± 2% 다공성을 가진 8개의 샘플을 사용하여 압축 테스트에서 얻은 것입니다.그 결과 곡선은 사람의 삼엽골 범위 내에 있는 골격구조와 동일한 범위의 모공과 폴리머-세라믹 복합재료 p와 같은 골수복용 경쟁 생체활성물질보다 높은 11 ± 1 MPa의 비계구조가 점진적으로 분해되고 평균 압축강도가 있음을 보여주었다.열유도상분리(TIPS)^[22]법에 의해 조정됩니다.

생체 활성 금속 유리

생체활성금속유리는 생체활성유리의 서브셋으로 벌크재료는 금속유리기판으로 구성되며 생체활성유리로 코팅되어 생체활성화된다.금속 베이스의 도입의 배경에는, 체내에 영구적으로 이식되는, 덜 부서지기 쉽고 강한 소재를 만드는 것이 있습니다.금속 유리는 생물학적 활성 ^[27]유리보다 영모듈리를 낮추고 탄성 한계를 높임으로써 파열이 발생하기 전에 재료의 변형을 더 많이 허용합니다.영구 임플란트는 환자의 몸 안에서 부서지는 것을 방지해야 하므로 이는 매우 바람직합니다.금속 부피를 구성하는 일반적인 재료로는 Zr과 Ti가 있으며, 벌크 재료로 사용해서는 안 되는 몇 안 되는 주요 금속의 예로는 Al, Be 및 ^[28]Ni가 있습니다.

레이저 피복

금속이 반드시 생물 활성인 것은 아니지만, 레이저 클래딩을 통해 금속 기판에 적용되는 생물 활성 유리 코팅은 유리가 발현하는 생물 활성을 도입하지만 금속 베이스가 있다는 추가적인 이점이 있습니다.

Laser Clading은 생체활성유리 미립자를 벌크재료로 스트림에 밀어넣어 재료 ^[27]코팅에 녹을 정도로 높은 열로 도입하는 방법이다.

Sol-Gel 처리

금속은 Sol-Gel 프로세스를 사용하여 생물 활성 유리를 부착할 수도 있습니다. 이 프로세스에서는 생물 활성 유리가 소결될 수 있을 만큼 높은 온도에서 금속에 소결되지만 위상 이동 및 기타 원치 않는 부작용을 피할 수 있을 만큼 낮은 온도에서 소결됩니다.600°C의 스테인리스강 기판 위에 5시간 ^[29]동안 2층 실리카 기반의 생체 활성 유리를 소결하는 실험을 수행했습니다.이 방법은 주요 결정성 원소를 함유하면서 비정질 구조를 유지하는 것으로 입증되었으며, 또한 생체 활성 유리와 매우 유사한 수준의 생체 활성을 달성합니다.

활동 메커니즘

생체 활성 안경이 골수복의 재료로 작용할 수 있는 근본적인 메커니즘은 플로리다 대학의 Hench 등의 첫 번째 연구 이후 연구되어 왔다.생체 활성 유리 표면의 변화에 초기에 주의를 기울였다.생체 활성 유리가 생리 환경에 ^[30]침지될 때 일반적으로 5가지 무기 반응 단계가 발생하는 것으로 생각됩니다.

1. 

   생체활성유리와 뼈의^[31] 일체화 단계별 이미지
   유리 중의 수식 양이온⁺(대부분 Na)이 외부 용액의 하이드로늄 이온과 교환하는 이온 교환.
2. Si-O-Si 브릿지가 파괴되어 Si-OH 실라놀기가 형성되어 유리망이 교란되는 가수분해.
3. 유리망의 붕괴가 형태를 변화시켜 겔상 표층을 형성하는 실라놀의 응축으로 나트륨과 칼슘 이온이 고갈된다.
4. 겔상에 비정질 인산칼슘층이 퇴적된 침전.
5. 인산칼슘층이 점차 결정성 히드록시아파타이트로 변화하여 척추동물의 뼈에 자연적으로 포함된 광물상을 모방하는 광물화.

나중에 겔 표면층의 형태학이 생물 활성 반응을 결정하는 데 중요한 요소라는 것이 밝혀졌다.이는 솔겔 처리에서 파생된 생체 활성 안경에 대한 연구에 의해 뒷받침되었다.이러한 안경은 기존의 용해 유래 생물 활성 안경보다 상당히 높은 농도의 SiO를₂ 포함할 수 있으며, 여전히 생물 활성을 유지할 수 있다(즉, 표면에 미네랄화된 히드록시아파타이트 층을 형성하는 능력).생체활성이 유지되는 이유에 대한 가능한 설명으로 sol-gel 유래 물질의 고유한 다공성이 인용되었으며, 종종 용해 유래 유리와 관련하여 강화되었다.

그 후의 DNA 마이크로 어레이 기술의 발전은 생체 활성 안경의 생체 활성 메커니즘에 대한 완전히 새로운 관점을 가능하게 했다.이전에는 생체 활성 안경과 임플란트 숙주의 분자생물학 사이에 복잡한 상호작용이 존재한다고 알려져 있었지만, 사용 가능한 도구는 전체적인 그림을 개발하기에 충분한 양의 정보를 제공하지 못했다.DNA 마이크로어레이를 사용하여, 연구원들은 이제 생체 활성 안경의 용해 생성물에 의해 조절되는 모든 종류의 유전자를 확인할 수 있고, 그 결과 소위 생체 활성 안경의 "유전자 이론"을 만들어냈다.생체활성안경에 대한 첫 번째 마이크로어레이 연구는 골아세포 성장과 분화, 세포외 매트릭스의 유지 및 세포-세포-매트릭스 접착 촉진과 관련된 유전자가 생체활성유리의 용해생성물을 포함하는 조건부 세포배양매체에 의해 상향조절된 것을 보여주었다.

의료 용도

S53P4 생체활성유리는 안면재건 ^[32]수술에서 뼈나 연골 이식편 대체품으로 임상 환경에서 처음 사용되었습니다.인공 소재를 뼈 보형물로 사용하는 것은 전통적인 자가 이식보다 훨씬 더 다재다능할 뿐만 아니라 ^[32]수술 후 부작용이 적다는 장점이 있었다.

S53P4 조성물에 의한 생체활성유리가 장기골감염에도 ^[33]유용할 수 있다는 잠정적인 증거가 있다.그러나 2015년 ^[34]현재 무작위 대조 시험의 지원은 여전히 제공되지 않는다.

「 」를 참조해 주세요.

• 세라믹 폼
• 나노폼
• 금속 발포체
• 오서통합
• 다공질 매체
• 바이오글래스 합성

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