Effetto dell'ossido di germanio sugli aspetti strutturali e sulla bioattività del vetro silicato bioattivo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9582 (2023) Citare questo articolo

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Il vetro silicato ternario (69SiO2–27CaO–4P2O5) è stato sintetizzato con la via sol-gel e sono state aggiunte diverse percentuali di ossido di germanio GeO2 (6,25, 12,5 e 25%) e acido poliacrilico (PAA). I calcoli DFT sono stati eseguiti al livello teorico B3LYP/LanL2DZ per la modellazione molecolare. La diffrazione dei raggi X su polveri (XRPD) è stata utilizzata per studiare l'effetto di GeO2/PAA sulle proprietà strutturali. I campioni sono stati ulteriormente caratterizzati utilizzando DSC, ART-FTIR e test meccanici. Sono stati valutati test di bioattività e antibatterici per tracciare l'influenza di GeO2 sulla biocompatibilità con i sistemi biologici. I risultati della modellizzazione dimostrano che il potenziale elettrostatico molecolare (MESP) indicava un miglioramento dell'elettronegatività dei modelli studiati. Mentre sia il momento dipolare totale che l’energia HOMO/LUMO riflettono la maggiore reattività della molecola P4O10. I risultati XRPD hanno confermato la formazione dei campioni e hanno rivelato la correlazione tra la cristallinità e le proprietà, mostrando che l'idrossiapatite cristallina (HA) si forma chiaramente nelle percentuali più alte di GeO2, proponendo il 25% come forte candidato per applicazioni mediche, in linea con i risultati di proprietà meccaniche e il resto dei risultati della caratterizzazione. Gli esperimenti in vitro sui fluidi corporei simulati (SBF) hanno mostrato una biocompatibilità promettente. I campioni hanno mostrato notevoli proprietà antimicrobiche e bioattività, con l'effetto più forte pari al 25%. I risultati sperimentali di questo studio hanno rivelato che l’incorporazione di GeO2 nel vetro in termini di caratteristiche strutturali, bioattività, proprietà antimicrobiche e proprietà meccaniche è vantaggiosa per i campi biomedici e soprattutto per le applicazioni dentali.

Il vetro bioattivo è composto da reti tridimensionali di silicato/fosfato, la maggior parte delle quali sono basate su Na2O, CaO, P2O5 e SiO2 che potrebbero essere implementate nel sistema biologico formando forti legami chimici con le ossa1,2. È dedicato, tra l'altro, ai biomateriali per diverse applicazioni biomediche2,3. Recentemente, il cemento biovetro (BGC) è stato utilizzato per riempire vuoti e fratture nell'installazione, grazie alla sua natura adesiva, radiopacità e durabilità. Attraverso la reazione acido-base tra il vetroionomero e l'acido poliacrilico (PAA) acquoso, può legarsi chimicamente all'osso4. Inoltre, oltre alla loro capacità di legarsi chimicamente alle ossa, sono fragili in tensione, il che ne riduce l'uso nella stabilizzazione di una frattura gravida5. Il BGC è stato utilizzato sia in applicazioni per orecchio, naso e gola (ORL) che dentali6,7,8,9,10,11. I vantaggi dell’utilizzo del BGC in odontoiatria sono numerosi, tra cui biocompatibilità, bioattività, elevata stabilità dimensionale, buona resistenza alla rottura coesiva e ritiro trascurabile al momento dell’installazione. Sono stati compiuti sforzi per migliorare questi materiali e utilizzarli per applicazioni biomediche12,13,14. L'ossido di germanio è un composto inorganico che può avere un ruolo importante se utilizzato in BGC per migliorarne le proprietà, ha la capacità teorica di sostituire il Si nella rete di vetro15,16. Da ricerche precedenti, è stato riportato che il GeO2 è stato incorporato nel vetroionomero a base di borato (BGG)17,18. si è riscontrato che vi è un aumento nell'impostazione e nel tempo di lavoro (proprietà di manipolazione) formulati da questi vetri come risultato dell'incorporazione di Ge, poiché ciò riduce il numero di ossigeno non a ponte (NBO) nel reticolo di vetro con conseguente riduzione della configurazione e orari di lavoro19. Dickey et al.20 hanno menzionato i vetri ionici a base di Ge e non sono riusciti a valutare se questo cemento fosse iniettabile o meno per l'uso nella stabilizzazione spinale. D'altro canto, la modellazione molecolare a diversi livelli teorici potrebbe essere utilizzata per compiere gli sforzi sperimentali volti a chiarire le strutture molecolari di molti sistemi e composti. In questo senso, sono stati generati modelli di vetro utilizzando simulazioni MD per studiare diversi fattori che imitano l'attività dei cationi per chiarire le proprietà fisiche e chimiche21. Un altro approccio è stato utilizzato ab initio per studiare diversi parametri fisici del vetro22. DFT è stato utilizzato per studiare la relazione struttura-prestazioni per i compositi di polipropilene modificati con ossido di grafene ridotto rGO23. Si afferma che il DFT è stato utilizzato con successo per calcolare l'energia di attivazione. Si afferma inoltre che i metodi computazionali potrebbero essere applicati per studiare le interazioni fisiche, chimiche e biologiche sia per il vetro che per l'idrossiapatite. È stato utilizzato insieme ad altri strumenti di caratterizzazione per chiarire l'effetto di parametri fisici come la temperatura sulla bioattività in vitro e sulle proprietà molecolari e meccaniche dell'idrossiapatite24,25,26. Sulla base dell'attività biologica e delle proprietà molecolari uniche, sono state successivamente dedicate tali classi di composti per varie applicazioni biomediche27,28.