Наноструктуроване золь-гель біоактивне скло 60S: синтез, модифіковані форми, композити з ванкоміцином, біоактивність in vitro

  • A.П. Кусяк Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • В.А. Понятовський Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця
  • O.І. Оранська Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • Д.M. Бегунова Інститут геотехніки, Академія наук Словаччини
  • I.В. Мельник Інститут геотехніки, Академія наук Словаччини
  • В.A. Дубок Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
  • В.С. Чорний Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця
  • O.A. Бур’янов Національний медичний університет ім. О.О. Богомольця
  • А.Л. Петрановська Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • С.П. Туранська Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • П.П. Горбик Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
DOI: https://doi.org/10.15407/Surface.2024.16.173
Ключові слова: біоактивне скло 60S, легування іонами La та Y, композит 60S/ванкоміцин, біоактивність, антибактеріальні властивості, остеокондуктивні властивості

Анотація

Метою роботи є синтез зразків наноструктурованого золь-гель скла 60S та зразків його модифікованих форм – легованих La та Y; комплексне дослідження їх кристалічної структури, хімічного складу, біоактивності in vitro як здатності утворення гідроксиапатиту на поверхні під час взаємодії з модельним фізіологічним середовищем, а також функціональної активності композитів BG 60S/ванкоміцин. Золь-гель методом синтезовано наноструктуровані зразки біоактивного скла (BG) 60S складу (мол. %): 60% SiO2, 36% CaO, 4% P2O5, а також зразки BG 60S, леговані іонами La та Y. Біоактивність синтезованих матеріалів оцінювали in vitro. Динаміку утворення гідроксиапатиту (ГА) на поверхні BG, що сприяє формуванню ефективних зв’язків з кістками та м’якими тканинами під час занурення в симульовану рідину організму (SBF Kokubo), оцінювали з використанням методів FTIR, XRD та SEM-EDX. Досліджені також зміни значень питомої поверхні, розміру частинок і дзета-потенціалу для витриманих зразків BG у SBF. Визначення антибактеріальної активності композитів BG 60S/ванкоміцин проводили на тест-культурах грампозитивних мікроорганізмів – Staphylococcus aureus, що є одним із найчастіших етіологічних факторів інфекційних ускладнень при травмах. Ефективність вивільнення антибіотика підтверджено визначенням зони пригнічення тест-культури модифікованим методом дискової дифузії Кірбі–Бауера. Показано, що композити BG 60S/ванкоміцин характеризуються збереженням антибактеріальних властивостей ванкоміцину та його пролонгованим вивільненням, а також остеокондуктивних властивостей BG 60S, які притаманні біоактивному золь-гель склу. На основі отриманих даних можна припустити позитивний ефект спільного застосування BG 60S і ванкоміцину у складі композитів з ефективним поєднанням функцій антибактеріальної дії і відновлення кісткової тканини, що можуть бути перспективними для практичного використання в хірургічному лікуванні захворювань кісток, а також профілактиці післяопераційних інфекційних ускладнень.

Посилання

1. Sadowska J.M., Power R.N., Genoud K.J., Matheson A., González-Vázquez A., Costard L., Eichholz K., Pitacco P. A Multifunctional Scaffold for Bone Infection Treatment by Delivery of microRNA Therapeutics Combined With Antimicrobial Nanoparticles. Advanced Materials. 2023. 36(6): e2307639. https://doi.org/10.1002/adma.202307639

2. Kaygili O., Keser S., Tatar C., Koytepe S., Ates T. Investigation of the structural and thermal properties of Y, Ag and Ce-assisted SiO2-Na2O-CaO-P2O5-based glasses derived by sol-gel method. J. Therm. Anal. Calorim. 2016. 128(2): 765. https://doi.org/10.1007/s10973-016-6012-7

3. Fandzloch M., Bodylska W., Barszcz B., Trzcińska-Wencel J., Roszek K., Golińska P., Lukowiak A. Effect of ZnO on sol-gel glass properties toward (bio)application. Polyhedron. 2022. 223: 1. https://doi.org/10.1016/j.poly.2022.115952

4. Awaid M., Cacciotti I. Bioactive Glasses with Antibacterial Properties: Mechanisms, Compositions and Applications. In: Bioactive Glasses and Glass-Ceramics. (NY: John Wiley & Sons, Inc., 2022). https://doi.org/10.1002/9781119724193.ch23

5. Fariborz S., Nader P., Mohammadreza T. Synthesis and characteristics of sol-gel bioactive SiO2-P2O5-CaO-Ag2O glasses. J. Non-Cryst. Solids. 2017. 476: 108113. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.09.035

6. Liu L., Pushalkar S., Saxena D., LeGeros R.Z., Zhang Y. Antibacterial property expressed by a novel calcium phosphate glass. Journal of Biomedical Materials Research B: Applied Biomaterials. 2013. 102(3): 423. https://doi.org/10.1002/jbm.b.33019

7. Xia L., Xiupeng W., Dannong H., Jianlin S. Synthesis and characterization of mesoporous CaO -MOSiO2-P2O5 (M = Mg, Zn, Cu) bioactive glasses/composites. J. Mater. Chem. 2008. 18(34): 4103. https://doi.org/10.1039/b805114c

8. Simon V., Albon C., Simon S. Silver release from hydroxyapatite self-assembling calcium-phosphate glasses. J. Non-Cryst. Solids. 2008. 354(15-16): 1751. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.08.063

9. Giannoulatou V., Theodorou G.S., Zorba T., Kontonasaki E., Papadopoulou L., Kantiranis N., Chrissafis K., Zachariadis G., Paraskevopoulos K.M. Magnesium calcium silicate bioactive glass doped with copper ions; synthesis and in-vitro bioactivity characterization. J. Non-Cryst. Solids. 2018. 500: 98. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.06.037

10. Seyedmomeni S.S., Naeimi M., Raz M., Aghazadeh Mohandesi J., Moztarzadeh F., Baghbani F., Tahriri M. Synthesis, Characterization and Biological Evaluation of a New Sol-Gel Derived B and Zn-Containing Bioactive Glass: In Vitro Study. Silicon. 2018. 10(2): 197. https://doi.org/10.1007/s12633-016-9414-z

11. Wren A.W., Jones M.C., Misture S.T., Coughlan A., Keenan N.L., Towler M.R., Hall M.M. A preliminary investigation into the structure, solubility and biocompatibility of solgel SiO2-CaO-Ga2O3 glass-ceramics. Mater. Chem. Phys. 2014. 148(1-2): 416. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.08.006

12. Thanasrisuebwong P., Jones J.R., Eiamboonsert S., Ruangsawasdi N., Jirajariyavej B., Naruphontjirakul P. Zinc-Containing Sol-Gel Glass Nanoparticles to Deliver Therapeutic Ions. J. Nanomater. 2022. 12(10): 1691. https://doi.org/10.3390/nano12101691

13. Rad M.R., Alshemary A.Z., Evis Z., Keskin D., Altunbaş K., Tezcaner A. Structural and biological assessment of boron doped bioactive glass nanoparticles for dental tissue applications. Ceram. Int. 2018. 44(8): 9854. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.02.230

14. Hamadouche M., Meunier A., Greenspan D.C., Blanchat C., Zhong J.P., La Torre G.P., Sedel L. Long-termin vivo bioactivity and degradability of bulk sol-gel bioactive glasses. J. Biomed. Mater. Res. 2000. 54(4): 560. https://doi.org/10.1002/1097-4636(20010315)54:4<560::AID-JBM130>3.0.CO;2-J

15. Daculsi G., Uzel A.P., Weiss P., Goyenvalle E., Aguado E. Developments in injectable multiphasic biomaterials. The performance of microporous biphasic calcium phosphate granules and hydrogels. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2010. 21: 855. https://doi.org/10.1007/s10856-009-3914-y

16. Bernhardt A., Lode A., Peters F., Gelinsky M. Comparative evaluation of different calcium phosphate-based bone graft granules - an in vitro study with osteoblast- like cells. Clin. Oral Implants Res. 2011. 24: 441. https://doi.org/10.1111/j.1600-0501.2011.02350.x

17. Domingues Z.R., Cortes M.E., Gomes T.A., Diniz H.F., Freitas C.S., Gomes J.B., Faria A.M., Sinisterra R.D. Bioactive glass as a drug delivery system of tetracycline and tetracycline associated with betacyclodextrin. Biomaterials. 2004. 25: 327. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(03)00524-6

18. Andrade A.L., Souza D.M., Vasconcellos W.A., Ferreira R.V., Domingues R.Z. Tetracycline and/or hydrocortisone incorporation and release by bioactive glasses compounds. J. Non-Cryst. Solids. 2009. 355: 811. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.01.015

19. Lin K., Chang J., Liu Z., Zeng Y., Shen R. Fabrication and characterization of 45S5 bioglass reinforced macroporous calcium silicate bioceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. 29: 2937. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.04.025

20. Cavalu S., Banica F., Gruian C., Vanea E., Goller G., Simon V. Microscopic and spectroscopic investigation of bioactive glasses for antibiotic controlled release. J. Mol. Struct. 2013. 1040: 47. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2013.02.016

21. Zheng K., Bortuzzo J., Liu Y., Li W., Pischetsrieder M., Roether J., Lu M., Boccaccini A.R. Biotemplated bioactive glass particles with hierarchical macro-nano porous structure and drug delivery capability. Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2015. 135: 825. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2015.03.038

22. Rybak M.J. The pharmacokinetic and pharmacodynamic properties of vancomycin. Clin. Infect. Dis. 2006. 42: S35. https://doi.org/10.1086/491712

23. Ismat A., Walter N., Baertl S., Mika J., Lang S., Kerschbaum M., Alt V., Rupp M. Antibiotic cement coating in orthopedic surgery: a systematic review of reported clinical techniques. J. Orthop. Traumatol. 2021. 22: 56. https://doi.org/10.1186/s10195-021-00614-7

24. Xi W., Hegde V., Zoller S.D., Park H.Y., Hart C.M., Kondo T., Hamad C.D., Hu Y., Loftin A.H., Johansen D.O., Burke Z., Clarkson S., Ishmael C., Hori K., Mamouei Z., Okawa H., Nishimura I., Bernthal N.M., Segura T. Point-of-care antimicrobial coating protects orthopaedic implants from bacterial challenge. Nat. Commun. 2021. 12: 5473. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25383-z

25. Hickok N.J., Shapiro I.M. Immobilized antibiotics to prevent orthopaedic implant infections. Adv. Drug Deliv. Rev. 2012. 64: 1165. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.03.015

26. Hasan R., Schaner K., Mulinti P., Brooks A. A bioglass-based antibiotic (vancomycin) releasing bone void filling putty to treat osteomyelitis and aid bone healing. Int. J. Mol. Sci. 2021. 22: 7736. https://doi.org/10.3390/ijms22147736

27. Pajares-Chamorro N., Wagley Y., Hammer N., Hankenson K., Chatzistavrou X. Bioactive glass particles as multi-functional therapeutic carriers against antibiotic- resistant bacteria. J. Am. Ceram. Soc. 2021. 105: 1778. https://doi.org/10.1111/jace.17923

28. Khanmohammadi S., Aghajani H., Farrokhi-Rad M. Vancomycin loaded- mesoporous bioglass/hydroxyapatite/chitosan coatings by electrophoretic deposition. Ceram. Int. 2022. 48: 20176. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.03.296

29. Farag M.M., Al-Rashidy Z.M. Synergistic effect of cerium and structure directing agent on drug release behavior and kinetics. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2022. 105: 430. https://doi.org/10.1007/s10971-022-05998-4

30. Ferraris S., Miola M., Bistolfi A., Fucale G., Crova M., Mass'e A., Vern'e E. In vitro comparison between commercially and manually mixed antibiotic-loaded bone cements. J. Appl. Biomater. Biomech. 2010. 8: 166. https://doi.org/10.5301/JABB.2010.6068

31. Soundrapandian C., Datta S., Kundu B., Basu D., Sa B. Porous bioactive glass scaffolds for local drug delivery in osteomyelitis: development and in vitro characterization. AAPS Pharm. Sci. Tech. 2010. 11: 1675. https://doi.org/10.1208/s12249-010-9550-5

32. Soundrapandian C., Mahato A., Kundu B., Datta S., Sa B., Basu D. Development and effect of different bioactive silicate glass scaffolds: in vitro evaluation for use as a bone drug delivery system. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2014. 40: 1. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2014.08.007

33. Lee S.-H., Tai C.-L., Chen S.-Y., Chang C.-H., Chang Y.-H., Hsieh P.-H. Elution and mechanical strength of vancomycin-loaded bone cement: in vitro study of the influence of brand combination. PLoS One. 2016. 11(11): e0166545. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0166545

34. Roth K.E., Maier G.S., Schmidtmann I., Eigner U., Hübner W.D., Peters F., Maus U. Release of antibiotics out of a moldable collagen-β-tricalciumphosphate-composite compared to two calcium phosphate granules. Materials. 2019. 12: 4056. https://doi.org/10.3390/ma12244056

35. Kusyak A., Petranovska A., Dubok V., Chornyy V., Bur'yanov O., Korniichuk N., Gorbyk P. Adsorption immobilization of chemotherapeutic drug cisplatin on the surface of sol-gel bioglass 60S. Funct. Mater. 2021. 28: 97.

36. Baino F., Fiume E., Miola M., Vern'e E. Bioactive sol-gel glasses: processing, properties and applications. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2018. 15(4): 841. https://doi.org/10.1111/ijac.12873

37. Du Z., Zhao Z., Liu H., Liu X., Zhang X., Huang Y., Yang X. Macroporous scaffolds developed from CaSiO3 nanofibers regulating bone regeneration via controlled calcination. Mater. Sci. Eng. C. 2020. 113: 111005. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111005

38. Kokubo T., Takadama H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials. 2006. 27: 2907. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.01.017

39. Hudzicki J. Kirby-Bauer Disk Diffusion Susceptibility Test Protocol. American Society for Microbiology. (Washington: DC, 2009).

40. Schr¨oder R., Pohlit H., Schüler T., Panth¨ofer M., Unger R.E., Frey H., Tremel W. Transformation of vaterite nanoparticles to hydroxycarbonate apatite in a hydrogel scaffold: relevance to bone formation. J. Mater. Chem. B. 2015. 3: 7079. https://doi.org/10.1039/C5TB01032B

41. Lin K., Chang J., Liu Z., Zeng Y., Shen R. Fabrication and characterization of 45S5 bioglass reinforced macroporous calcium silicate bioceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2009. 29: 2937. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.04.025

42. Tilocca A., Alastair N.C. The initial stages of bioglass dissolution: a Car- Parrinello molecular-dynamics study of the glass-water interface. Proc. R. Soc. A. 2011. 467: 2102. https://doi.org/10.1098/rspa.2010.0519

43. Neˇsˇc'akov'a Z., Kaˇnkov'a H., Galuskov'a D., Galusek D., Boccaccini A.R., Liverani L. Polymer (PCL) fibers with Zn-doped mesoporous bioactive glass nanoparticles for tissue regeneration. Int. J. Appl. Glas. Sci. 2021. 12: 588. https://doi.org/10.1111/ijag.16292

44. Kurtuldu F., Mutlu N., Mich'alek M., Zheng K., Masar M., Liverani L., Chen S., Galusek D., Boccaccini A.R. Cerium and gallium containing mesoporous bioactive glass nanoparticles for bone regeneration: bioactivity, biocompatibility and antibacterial activity. Mater. Sci. Eng. C. 2021. 124: 112050. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112050

45. Wetzel R., Bartzok O., Brauer D.S. Influence of low amounts of zinc or magnesium substitution on ion release and apatite formation of bioglass 45S5. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2020. 31: 86. https://doi.org/10.1007/s10856-020-06426-1

46. Stanciu G.A., Sandulescu I., Savu B., Stanciu S.G., Paraskevopoulos K., Chatzistavrou X., Kontonasaki E., Koidis P. Investigation of the hydroxyapatite growth on bioactive glass surface. J. Biomed. Pharm. Eng. 2007. 1(1): 34.

47. Wetzel R., Brauer D.S. Apatite formation of substituted bioglass 45S5: SBF vs. Tris. Mater. Lett. 2019. 257: 126760. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126760

48. Kontonasaki E., Papadopoulou L., Zorba T., Pavlidou E., Paraskevopoulos K., Koidis P. Apatite formation on dental ceramics modified by a bioactive glass. J. Oral Rehabil. 2003. 30(9): 893. https://doi.org/10.1046/j.1365-2842.2003.01072.x

49. Quan L., Huang S., Matinlinna J.P., Chen Z., Pan H. Insight into biological apatite: physiochemical properties and preparation approaches. Biomed. Res. Int. 2013. 2013: 1. https://doi.org/10.1155/2013/929748

50. Hench L. Bioceramics. J. Am. Ceram. Soc. 1998. 81: 1705. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02540.x

51. Vagenas N. Quantitative analysis of synthetic calcium carbonate polymorphs using FT-IR spectroscopy. Talanta. 2003. 59(4): 831. https://doi.org/10.1016/S0039-9140(02)00638-0

52. Kusyak А.Р., Oranska O.I., Behunova D.M., Petranovska А.L., Chornyi V.S., Bur'yanov O.A., Dubok V.A., Gorbyk P.P. XRD, EDX AND FTIR study of the bioactivity of 60S glass doped with La and Y under in vitro conditions. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2023. 14(1): 93. https://doi.org/10.15407/hftp14.01.093

53. Mohamed H.B., El-Shanawany S.M., Hamad M.A., Elsabahy M. Niosomes: a strategy toward prevention of clinically significant drug incompatibilities. Sci. Rep. 2017. 7: 6340. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06955-w

54. Smeets R., Kolk A., Gerressen M., Driemel O., Maciejewski O., Hermanns-Sachweh B., Riediger D., Stein J.M. A new biphasic osteoinductive calcium composite material with a negative zeta potential for bone augmentation. Head Face Med. 2009. 5: 13. https://doi.org/10.1186/1746-160X-5-13

55. Doostmohammadi A., Monshi A., Salehi R., Fathi M.H., Golniya Z., Daniels A.U. Bioactive glass nanoparticles with negative zeta potential. Ceram. Int. 2011. 37: 2311. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.03.026

56. Dutra C.E.A., Pereira M.M., Serakides R., Rezende C.M.F. In vivo evaluation of bioactive glass foams associated with platelet-rich plasma in bone defects. J. Tissue Eng. Regen. Me. 2008. 4: 221. https://doi.org/10.1002/term.86

57. Coelho M.B., Pereira M.M. Sol-gel synthesis of bioactive glass scaffolds for tissue engineering: effect of surfactant type and concentration. J. Biomed. Mater. Res. B: Appl. Biomater. 2005. 75: 451. https://doi.org/10.1002/jbm.b.30354

58. Kusyak А.P., Dubok V.A., Chornyi V.S., Petranovska A.L., Gorbyk P.P., Abudayeh A.H. Features of biodegradation of sol-gel bioactive glass 60S doped with Ga, Ge. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2021. 719: 29. https://doi.org/10.1080/15421406.2020.1862457

59. Schumacher M., Habibovic P., van Rijt S. Mesoporous bioactive glass composition effects on degradation and bioactivity. Bioact. Mater. 2021. 6(7): 1921. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.12.007

60. Buryanov O.A., Chornyi V.S., Dubok V.A., Savosko S.I., Vakulych M.V., Protsenko V.V., Kusiak A.P. Regeneraci'on Reparadora Mediante Sustituci'on de Defectos del Tejido 'Oseo por Biovidrio, Utilizando Tecnologías de Regeneraci'on. Int. J. Morphol. 2021. 39: 186. https://doi.org/10.4067/S0717-95022021000100186

61. Drago L., Toscano M., Bottagisio M. Recent evidence on bioactive glass antimicrobial and antibiofilm activity: a mini-review. Materials (Basel). 2018. 11: 326. https://doi.org/10.3390/ma11020326

62. Kusyak A., Poniatovskyi V., Oranska O., Behunova D.M., Melnyk I., Dubok V., Chornyi V., Bur'yanov O., Gorbyk P. Nanostructured sol-gel bioactive glass 60S: In vitro study of bioactivity and antibacterial properties in combination with vancomycin. Journal of Non-Crystalline Solids: X. 2023. 20: 100200. https://doi.org/10.1016/j.nocx.2023.100200

Опубліковано
2024-11-24
Як цитувати
КусякA., Понятовський, В., ОранськаO., Бегунова, Д., МельникI., Дубок, В., Чорний, В., Бур’яновO., Петрановська, А., Туранська, С., & Горбик, П. (2024). Наноструктуроване золь-гель біоактивне скло 60S: синтез, модифіковані форми, композити з ванкоміцином, біоактивність in vitro. Поверхня, (16(31), 173-199. https://doi.org/10.15407/Surface.2024.16.173
Номер
№ 16(31) (2024): Поверхня
Розділ
Медико-біологічні проблеми поверхні
  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.