Bioactive Borosilicate Glasses for Bone Tissue Engineering Applications

Abstract

Kudosteknologian avulla voidaan kehittää synteettisiä vaihtoehtoja luuvaurioiden korjaamisessa käytettäville kudossiirteille. Bioaktiiviset lasit ovat erittäin lupaava materiaaliryhmä regeneratiivisen lääketieteen sovelluksiin, sillä nämä materiaalit pystyvät muodostamaan aktiivisia sidoksia luukudokseen, sekä stimuloida uuden luun muodostumista. Muutamat kaupalliset lasikoostumukset ovat jo saavuttaneet kliinistä menestystä, mutta muutoksilla perinteisten bioaktiivisten silikaattilasien koostumuksiin on mahdollista parantaa esimerkiksi lasien biohajoavuutta ja prosessoitavuutta.

Tämän väitöskirjan aikana kehitettiin ja karakterisoitiin boorisilikaattilasien sarja, joissa osaan laseista lisättiin magnesiumia ja strontiumia. Lasien lämpöominaisuuksia ja kiteytymismekanismia analysoitiin, sekä niistä valmistettiin kolmiulotteisia (3D) tukirakenteita. Lisäksi tutkittiin lasien <i>in vitro</i> -reaktiivisuutta simuloidussa kehon nesteessä, ja sytotoksisuutta arvioitiin ihmisen mesenkymaalisilla kantasoluviljelmillä.

Havaittiin, että kun osa tutkittavien lasikoostumusten kalsiumista korvattiin magnesiumilla ja/tai strontiumilla, lasien lämpökäsiteltävyys parani, sekä lasipartikkeleita oli mahdollista sintrata ilman kiteytymistä. 3D-tulostettujen tukirakenteiden huokoisuus ja huokoskoko olivat lisäksi sopivia kudosinfiltraatiota varten. Magnesium ja strontium myös hidastivat lasien reaktiivisuutta, antaen mahdollisuuden muokata lasien hajoamisnopeutta. Tutkittujen lasien hajoamistuotteet osoittautuivat hyödyllisiksi sekä osteogeneesille että angiogeneesille.

Yhteenvetona voidaan todeta, että nämä uudet bioaktiiviset lasikoostumukset vaikuttavat lupaavilta luukudostekniikan sovelluksiin.

In the field of regenerative medicine and tissue engineering, there is a pressing need to develop synthetic alternatives to tissue grafts for reconstruction of bone defects. Bioactive glasses are a promising group of materials due to their ability to form active bonds with bone tissue and stimulate osteogenesis. While a limited number of bioactive glass products have been successfully utilized in clinicals, there is considerable potential to enhance bioactive glasses properties by controlling their compositions.

During this dissertation, a borosilicate glass series with additional incorporations of magnesium and strontium was developed and characterized. The potential for thermal processing and crystallization mechanism of the glasses were studied. 3D structures were then prepared using both the porogen burn-off method and additive manufacturing. Further, glasses in vitro reactivity was studied in simulated body fluid, and cytotoxicity was evaluated with human mesenchymal stem cells.

These studies revealed that replacing a portion of the glass's calcium content with magnesium and/or strontium enhanced the hot forming capabilities without undesirable crystallization. The produced 3D-printed scaffolds possessed suitable porosity (pore size and interconnectivity) for tissue infiltration. In addition, the incorporation of Mg and Sr in the composition slowed the reactivity of the glasses, allowing for the customization of the degradation rate. Moreover, the studied glasses degradation products were found beneficial for both osteogenesis and angiogenesis.

In conclusion, the studied bioactive glasses demonstrate significant promise for applications in bone tissue engineering.