Teemu Korpi
BIOAKTIIVISTEN LASIEN RAKENTEEN VAIKUTUS OMINAISUUKSIIN
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Kandidaattitutkielma
Huhtikuu 2020
TIIVISTELMÄ
Teemu Korpi: Bioaktiivisten lasien rakenteen vaikutus ominaisuuksiin Kandidaattitutkielma
Tampereen yliopisto
Materiaalitekniikan tutkinto-ohjelma Huhtikuu 2020
Bioaktiivisia laseja käytetään lääketieteessä luuvaurioiden hoitoon. Bioaktiivisilla laseilla on uniikkeja ominaisuuksia, jotka ovat hyödyllisiä luiden parantamisessa. Laseilla on erittäin reaktiivinen pinta, joka reagoi kehossa ja muodostaa hydroksiapatiittikerroksen. Hydroksiapatiitti muistuttaa ihmisen luun mineraalifaasia. Muodostuneen kerroksen takia lasin pinta muodostaa vahvan kemiallisen sidoksen luukudoksen kanssa. Vahvan sidoksen lisäksi lasit edistävät luukudoksen ja verisuonten muodostumista sekä niillä on antimikrobisia ominaisuuksia.
Lasit ovat amorfisia materiaaleja. Lasien kemiallinen rakenne koostuu rakenteen muodostavista atomeista, rakennetta muokkaavista atomeista ja happiatomeista. Bioaktiivisten lasien ominaisuudet riippuvat valituista raaka-aineista, jotka muodostavat kemiallisen rakenteen.
Raaka-aineiden lisäksi, valmistusprosessi vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin. Silikaattilasien ja fosfaattilasien ominaisuudet ovat erilaisia, eli niitä käytetään erilaisissa sovelluksissa.
Ominaisuuksiin vaikuttavat myös lisäaineet. Useita metallisia lisäaineita käytetään, että laseille saadaan uniikkeja ominaisuuksia. Esimerkiksi hopeaa käytetään mikrobien tuhoamiseen ja kuparia verisuonten muodostamiseen.
Ensimmäiset bioaktiiviset lasit herättivät hieman mielenkiintoa. Suurempi innostus laseihin heräsi kuitenkin, kun huomattiin niiden kyky sitoutua myös pehmytkudokseen. Lasien avulla on siis mahdollista liittää pehmytkudos ja luukudos yhteen implantin avulla. Ensimmäiset kliiniset sovellukset hyödynsivät tätä omaisuutta korvien ja ikenien hoidossa.
Uniikit ominaisuudet, yhdistettynä korkeaan bioyhteensopivuuteen ja hyvin muokattaviin ominaisuuksiin tekevät bioaktiivisista laseista mielenkiintoisen materiaaliryhmän. Laseja tutkitaan ympäri maailman erilaisiin lääketieteen sovelluksiin esimerkiksi syövän hoitoon ja lääkkeiden annosteluun. Luuvaurioiden hoitaminen on kuitenkin yleisin sovellus. Tässä työssä käsitellään lasien historiaa, valmistusta, rakennetta, ominaisuuksia ja sovelluksia.
Työn tarkoitus on kerätä yhteen tietoa bioaktiivisten lasien rakenteista ja ominaisuuksista. Työ on tehty materiaalitekniikan näkökulmasta, ja siinä on kiinnitetty eniten huomiota materiaalin valmistamiseen, ominaisuuksiin ja rakenteeseen. Työ on kirjoitettu Tampereen yliopiston materiaalitekniikan tutkinto-ohjelman kandidaattitutkielmaksi.
Avainsanat: Bioaktiiviset lasit, Hydroksiapatiittikerros, Lääketiede, Luukudos, Materiaalitekniikka, Valmistus, Rakenne
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ALKUSANAT
Tämä työ on osa Tampereen yliopiston Hervannan kampuksen materiaalitekniikan kandidaattitutkielmaa. Työssä esitellään bioaktiivisten lasien historiaa, valmistusta ja ominaisuuksia. Tutkielmassa keskitytään rakenteeseen, ja kuinka sitä voidaan muuttaa.
Bioaktiivisia laseja käytetään lähinnä lääketieteessä, ja tämä työ on tehty pääasiassa materiaalitekniikan näkökulmasta. Tarkoituksena on olla luettava ilman paljoa ammattitietoa.
Kiitos työn ohjaamisesta ja tarkastamisesta Saara Söyringille. Vastaukset kysymyksiin tulivat nopeasti ja auttoivat suuresti. Suuret kiitokset myös ystävilleni henkisestä tuesta ja stressihuolien poistamisessa auttamisesta :D. Erityiset kiitokset vielä Miljalle avusta kielenhuollon kanssa. Apu oli elintärkeää.
” I am a motherfucking elevator I rise up but never come down” (HEATH 2004).
Tampereella, 29.04.2020
Teemu Korpi
SISÄLLYSLUETTELO
1.JOHDANTO……….………1
2.BIOAKTIIVISTEN LASIEN HISTORIA……….………2
3.BIOAKTIIVISTEN LASIEN VALMISTUS……….…………4
3.1 Sulakarkaisu………...………..4
3.2 Sooli-geeliprosessi………...…...6
4.BIOAKTIIVISTEN LASIEN RAKENNE JA OMINAISUUDET………...8
4.1 Rakenne……….………..…….8
4.2 Mekaaniset ominaisuudet……….………..9
4.3 Biomateriaalin ominaisuudet………...10
4.4 Hydroksiapatiittikerroksen muodostuminen………...11
5.YLEISIMMÄT KOOSTUMUKSET BIOAKTIIVISILLE LASEILLE ……….…13
5.1 SiO2………..13
5.2 B2O3……….14
5.3 P2O5……….15
6.LISÄAINEIDEN VAIKUTUS BIOAKTIIVISTEN LASIEN OMINAISUUKSIIN………16
6.1 Fluori……….………..16
6.2. Kupari……….……….16
6.3. Magnesium……….17
6.4. Hopea……….…….17
6.5. Sinkki………..…….18
7.BIOAKTIIVISTEN LASIEN SOVELLUKSIA……..………19
7.1 Luukudos………..19
7.2 Pehmytkudos………...…20
7.3 Antibakteerinen hoito ja lääkkeiden annostelu………21
8.OLEMASSA OLEVIA TUOTTEITA………….………23
9.YHTEENVETO………..26
LÄHTEET………..27
1. JOHDANTO
Lasit ovat kiinteitä, amorfisia materiaaleja, joita käytetään ja nähdään joka päivä suurimmassa osassa maailmaa. Bioaktiiviset lasit keksittiin vuonna 1969 Floridan yliopistossa Larry Henchin toimesta. Bioaktiivisia laseja tutkitaan eri lääketieteen sovelluksiin uniikeiden ominaisuuksien vuoksi. Merkittävä ominaisuus, joka herätti mielenkiinnon biolaseihin, on niiden vahva kyky sitoutua luukudokseen. Myöhemmin on huomattu, että lasit pystyvät sitoutumaan myös pehmytkudokseen. Biolaseilla on useita hyödyllisiä ominaisuuksia lääketieteen sovelluksia varten, kuten biohajoaminen, verisuonten muodostaminen, luukudoksen kasvun edistäminen ja mikrobien tuhoaminen. [1]
Henchin löytämä bioaktiivinen lasi (45S5) reagoi kehon nesteiden kanssa ja muodostaa hydroksiapatiittikerroksen (HA-kerroksen) lasin pintaan. Hydroksiapatiitti on sama mineraali, jota löytyy luiden pinnalta. HA-kerros muodostaa vahvan ja kestävän sidoksen luukudoksen kanssa. Bioaktiivisten lasien hajotessa ioneja vapautuu kehoon, mikä aktivoi geenejä ja nopeuttaa luukudoksen paranemisprosessia. Bioaktiivisilla laseilla on osteoinduktiivisia ja osteokonduktiivisia ominaisuuksia kehossa, mikä auttaa luiden parantumisessa. Löydös oli ensimmäinen esimerkki niin sanotuista kolmannen sukupolven biomateriaaleista, joissa hyödynnetään solupolkujen geneettistä aktivaatiota. [2]
Biolasit muistuttavat kemialliselta rakenteeltaan perinteisiä laseja. Rakenteessa on kuitenkin eroja, jotka vaikuttavat huomattavasti lasin käyttäytymiseen kehossa.
Biolaseissa on tyypillisesti enemmän oksideja, kuten kalsiumoksidia tai fosforipentoksidia, verrattuna ikkunalasiin. Erilaisia lisäaineita käytetään, että lasin ominaisuuksia saadaan muokattua. Lasien kanssa käytetään lähinnä metallisia lisäaineita. Hopea, kupari ja sinkki ovat esimerkkejä aineista, joita voi lisätä lasiin. Ne rikkovat lasin kemiallista rakennetta ja lasin hajotessa metallisia ioneja vapautuu kehoon.
[54]
Bioaktiiviset lasit ovat tällä hetkellä laajasti tutkittu biomateriaalien ala. Ensimmäiset sovellukset bioaktiivisille laseille olivat luukudoksen vaurioiden kanssa. Bioaktiivisilla laseilla on potentiaalia useissa eri sovelluksissa kuten pehmytkudoksen vaurioiden parantamisessa ja lääkeaineiden kuljetuksessa. [5]
Tässä tutkielmassa keskitytään pääasiassa bioaktiivisten lasien rakenteeseen, ja erilaisiin tapoihin vaikuttaa siihen. Valmistusprosessi, kemiallinen koostumus ja lisäaineet vaikuttavat huomattavasti lopputuotteen ominaisuuksiin. Työssä käydään läpi myös lasien sovelluksia ja olemassa olevia tuotteita.
2. BIOAKTIIVISTEN LASIEN HISTORIA
Bioaktiiviset lasit on tunnettu materiaaliryhmänä jo 50 vuotta. Materiaalitieteen näkökulmasta bioaktiiviset lasit ovat vielä uutta teknologiaa, jolla on paljon mahdollisuuksia, ja siksi niitä tutkitaan laajasti ympäri maailmaa erilaisiin sovelluksiin.
Hench kehitti Bioglass 45S5 -materiaalin vuonna 1969. 45S5-lasissa on runsaasti kalsiumoksidia ja natriumoksidia verrattuna soodakalkkilasiin, eli ikkunalasiin [46].
Bioglass 45S5 oli ensimmäinen synteettinen materiaali, joka onnistui sitoutumaan luukudokseen luonnollisesti [1].
Vuoteen 1973 asti tutkimuksen kohteena oli bioaktiivisten lasien kyky sitoutua luukudokseen. Turvallisuuden takia on tärkeä ymmärtää materiaalin toiminta ja syyt sen takana. Huomattiin, että 45S5-lasi muodosti pinnalleen hydroksiapatiittikristalleja in vivo ja in vitro [4]. Kehossa kristallit sitoutuvat osteoblastien tuottamiin kollageenisäikeisiin, mikä saa aikaan vahvan sidoksen [13].
Vuoteen 1980 asti keskityttiin kehittämään uusia menetelmiä, joilla voidaan tutkia laseja sekä niiden pintareaktioita kehossa. Tutkimusta varten kehitettiin muun muassa infrapunaheijastusspektroskopia ja kryogeninen auger elektroni -spektroskopia [13].
1980-luvulla bioaktiivisten lasien kliininen käyttö alkoi. Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) hyväksyi ensimmäisen biolasituotteen 1985, joka oli MEP (Middle Ear Prostesis). MEP kehitettin, kun huomattiin, että bioaktiiviset lasit voivat sitoutua myös pehmeään kudokseen kovan kudoksen lisäksi. Vuosina 1985–2005 keskityttiin paljon biolaseista valmistettujen pulvereiden sovelluksiin kudosteknologian alueilla. Pulvereita sekoitetaan usein potilaan vereen, ja niillä paikataan vaurioita. Huomattiin että bioaktiiviset lasit nopeuttavat kudoksen paranemista, mikä johtuu laseista irtoavista ioneista. Irtoavat ionit vuorovaikuttavat soluväliaineessa solujen kanssa, mikä aiheuttaa geenien aktivoitumisen. Geenit, jotka aktivoituvat, saavat aikaan suuremman määrän osteoblasteja, mikä nopeuttaa luiden paranemista. [13]
Vuonna 2006 ensimmäinen tuote, joka ei ollut valmistettu 45S5 lasista, saapui markkinoille. BonAlive on S53P4 lasituote, joka on valmistettu Turussa korvikkeeksi luusiirroille [15]. Kirjoittamishetkeen asti on valmistettu useita erilaisia ja innovatiivisia tuotteita bioaktiivisista laseista erilaisiin tarkoituksiin. Biolaseja on esimerkiksi hyödynnetty rautaionien ja magneettikenttien kanssa syöpähoidoissa.
Ferromagneettisia rautaioneja lisätään lasiin ja liikutetaan magneettikentän avulla. Näin aiheutetaan hypertermiset olosuhteet, mikä auttaa solujen tuhoamisessa [47].
Viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana on tehty paljon tutkimusta biolaseista ja on löydetty useita mekanismeja niiden toiminnasta. Lasit eivät ole tänä päivänä kuitenkaan laajassa käytössä, vaikka useita tuotteita on markkinoilla. Laseista tehdään tällä hetkellä paljon tutkimusta monissa paikoissa niiden potentiaalin, ja uniikkien ominaisuuksien ansiosta. Laseilla on vielä useita haasteita ennen laajaa käyttöönottoa, kuten mekaanisten ominaisuuksien kehittäminen, ionien ja molekyylien kontrolloidun vapautumisen tutkiminen ja luotettavien testimenetelmien kehittäminen. Taulukossa 1 löytyy kronologisessa järjestyksessä tärkeitä tapahtumia bioaktiivisten lasien historiassa.
Taulukko 1. Tärkeitä tapahtumien bioaktiivisten lasien historiassa [5] [13].
1969 Larry Hench Kehitti 45S5 Bioaktiivisen lasin.
1975 Biolasilla päällystetty lantio implantti sitoutui lampaiden luihin. [29]
1977 Ceravital lasikeraami hoiti korvasairauksia korvaamalla keskikorvan pieniä luita.
1981 Huomattiin lasien kyky sitoutua pehmytkudoksiin. [30]
1985 FDA hyväksyi ensimmäisen biolasituotteen (Middle Ear Prosthesis).
1987 Radioaktiivisilla biolaseilla hoidettiin maksasyöpää.
1988 FDA hyväksyi toisen tuotteen, mikä oli ERMI (Endosseous Ridge Maintenance Implant).
1991 Sooli-geeliprosessi kehitettiin biolaseillle, mikä mahdollistaa bioaktiivisuuden useammille kemialliselle rakenteille.
1999 FDA hyväksyi TheraSphere radioaktiiviset lasit syöpähoitoon.
2000 Bioaktiivisia laseja alettiin tutkimaan ja soveltamaan haavojen parantamiseen.
2000 Analyysi laseista irtoavien ionien vuorovaikutuksesta geeniaktivaation, ja osteoblastien kanssa. [31]
2001 Tutkimusta vapautuneiden ionien vaikutuksesta geeneihin ja osteogenesikseen.
2004 FDA hyväksyi Novaminin hampaiden hyperherkkyyden hoitoon.
2010 Sydänkudoksen hoito kudosteknologialla.
2011 Boraattipohjaisen lasin käyttö eläinten haavojen hoidossa.
2018 Metastaattisen maksan paksusuolen karsinooman hoito TheraSphere bioaktiivisilla laseilla.
3. BIOAKTIIVISTEN LASIEN VALMISTUS
Materiaalin valmistusmenetelmällä on suuri vaikutus lopputuotteen ominaisuuksiin.
Valmistusprosessi vaikuttaa lopullisen tuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin, bioaktiviteettiin ja hintaan. Vaikutuksia on myös tuotteen hajoamisnopeuteen, huokoisuuteen ja vuorovaikutuksiin kehossa. Yksinkertainen ja tehokas keino valmistaa materiaalia on tärkeää, jos aikomuksena on bioaktiivisten lasien laaja käyttö lääketieteessä.
Bioaktiivisia laseja valmistetaan pääasiassa kahdella erilaisella prosessilla, sulakarkaisemalla ja sooli-geeliprosessin avulla. Muita prosesseja, kuten liekkisynteesiä ja mikroaaltosäteilytystä, sovelletaan harvemmin. Materiaalisekoituksen sulattamista ja karkaisua on hyödynnetty jo kauan lasin valmistuksessa. Ensimmäiset bioaktiiviset lasit valmistettiin myös sulakarkaisemalla. Sooli-geeliprosessia alettiin käyttämään myöhemmin, mutta nykyään sen ajatellaan tuottavan parempia ominaisuuksia, verrattuna sulakarkaisuun. [4]
Sooli-geeliprosessilla saadaan korkea homogeenisuus, ja muita hyviä ominaisuuksia lasille. Prosessi ei kuitenkaan sovellu massatuotantoon. Muita valmistusprosesseja etsitään, että hyvälaatuisia laseja olisi helpompi tuottaa suurissa määrin [48].
3.1. Sulakarkaisu
Alkuperäinen Bioglass 45S5 -materiaali valmistettiin sulakarkaisemalla. Sulakarkaisu aloitetaan raakamateriaalina toimivien oksidien ja karbonaattien jauhamisella kuulamyllyssä, jotta saadaan hienoa pulveria. Jauheen kanssa myllyyn laitetaan asetonia tai vettä väliaineeksi. Kuulamylly on sylinterin muotoinen jauhamiseen tarkoitettu työkalu, jolla materiaali jauhetaan kuulien ja pyörimisliikkeen avulla. Kuvasta 1 näkee kuulamyllyn perusperiaatteen. [4]
Kuva 1. Kuulamyllyn toiminta [3, s. 5].
Myllystä saatu jauhe kalsinoidaan noin 500 °C:ssa, jotta ylimääräiset kaasut sekä kosteus poistuvat. Seuraavaksi jauhe sulatetaan uunissa. Lämpötila riippuu käytetyistä raaka-aineista. Joidenkin alumiinisilikaattiyhdisteiden kanssa lämpötila voi olla jopa 1 500 °C:tta, kun taas boraatti- ja fosfaattiyhdisteet sulatetaan 1 200–1 300 °C:ssa. Sula lasi karkaistaan jäähdyttämällä nopeasti. Karkaisun avulla voidaan ohittaa materiaalin kristallisaatio ja saada aikaan amorfinen rakenne. Sula voidaan valaa haluttuihin muotoihin tai siitä voidaan tuottaa kuvan 2 mukaista lasimassaa. [4]
Kuva 2. Ilmassa karkaistua lasimassaa [6].
Valetut lasikappaleet lämpökäsitellään valamisen jälkeen sisäisten jännitysten vapauttamiseksi. Lasikappale lämmitetään päästölämpötilaan ja jäähdytetään hitaasti.
Sisäisten jännitysten vähentäminen on tärkeää lopputuotteen kestävyyden kannalta.
Lasimassaa ei lämpökäsitellä tässä vaiheessa, sillä lasimassa on vasta välituote.
Lasimassasta valmistetaan lopullisia tuotteita erilaisilla muodonantomenetelmillä, kuten sintrauksella tai valamalla. Nämä tuotteet lämpökäsitellään myös muodonannon jälkeen.
[11]
Sulakarkaisu on vanhin menetelmä lasin valmistuksessa. Karkaisemalla on helppoa ja nopeaa valmistaa lasia, mikä tekee siitä myös halpaa. Sulakarkaisemalla saadaan tyypillisesti parempia mekaanisia ominaisuuksia, kuin sooli-geeliprosessilla [4].
3.2. Sooli-geeliprosessi
Uudempi prosessi lasin valmistuksessa on sooli-geeliprosessi. Prosessin etuja perinteiseen sulakarkaisuun ovat huomattavasti matalammat vaaditut lämpötilat, parempi homogeenisyys, laajempi valikoima molekyyliyhdistelmiä valmistuksessa ja mahdollisuus makrohuokoiseen materiaaliin [7]. Suuri huokoisuus ja suuri pinta-ala tuovat materiaalille korkeamman reaktiivisuuden in vivo, eli HA-kerros muodostuu nopeammin ja materiaali hajoaa aikaisemmin. Sooli-geeliprosessilla valmistetuissa laseissa voi olla koostumuksesta jopa 90 m-% piidioksidia ilman että se häiritsee materiaalin bioaktiivisuutta. Sulakarkaisulla voidaan valmistaa vain noin 60 m-%
piidioksidia sisältäviä sekoituksia, sillä suuremmat konsentraatiot eivät tuota bioaktiivisia materiaaleja. Sooli-geeliprosessilla voidaan valmistaa useita erilaisia tuotteita, kuten nanopartikkeleita, ohuita kalvoja, mikrohuokoisia materiaaleja ja aerogeeleja [11].
Sooli-geeliprossiin kuuluu useita vaiheita, kuten hydrolyysi, polykondensaatio, hyytyminen ja kuivaus. Prosessin alussa valmistetaan sooli eli kolloidinen liuos metallialkoksideista. Soolissa on jatkuva nestemäinen faasi ja mikroskooppisen pieniä kiinteitä molekyyleja. Maito on esimerkki päivittäin vastaan tulevasta kolloidista. Soolin metallialkoksidit hydrolysoituvat deionisoidun veden kanssa. Piidioksidipohjaisten lasien tapauksissa piialkoksidit muodostavat silanooliryhmiä [Si(OH)4], jotka polykondensoituvat Si-O-Si-verkostoksi. Tämän verkoston syntyminen yhdistää molekyylit ja tuo materiaalille viskositeettia. Si-O-Si-sidokset muodostavat myös lopullisen tuotteen kemiallisen rakenteen perusverkoston. [49]
Hydrolyysin ja polykondensaation tuloksena soolista valmistuu geeli. Viskositeetti kasvaa huomattavasti. Materiaalin annetaan ikääntyä muutama tunti 25–80 °C:ssa.
Ikääntyminen vähentää huokoisuutta ja lisää lujuutta. Geelit ovat materiaaleja, joiden paino on suurimmaksi osaksi nestettä, mutta ne käyttäytyvät kuin pehmeät kiinteät materiaalit. Tämä johtuu geelien ristisilloittuneesta rakenteesta, joka pitää nestemolekyylit paikallaan. [13]
Geelin muodostamisen jälkeen materiaali kuivataan, jotta ylimääräinen nestefaasi saadaan poistettua. Nesteen poistaminen geelistä tuottaa kiinteän ja huokoisen materiaalin, xerogeelin. Kuivattu materiaali lämpökäsitellään vielä sintraamalla, jotta saadaan lopullinen kiinteä ja vahva lasi. Lämpökäsittely poistaa silanooliryhmiä materiaalista, ja ominaisuudet, kuten lujuus, tiheys ja kovuus, kasvavat. Kuvassa 3 on esitetty sulakarkaisun ja sooli-geeliprosessin eri vaiheet. [4]
Kuva 3. Sulakarkaisun ja sooli-geeliprosessin välivaiheet [11 s. 41].
4. BIOKTIIVISTEN LASIEN RAKENNE JA OMINAISUUDET
Lasit ovat kiinteitä amorfisia materiaaleja, joilla on lasisiirtymälämpötila. Yleensä kun puhutaan laseista, tarkoitetaan perinteisiä silikaattilaseja, joita käytetään esimerkiksi ikkunoissa. Soodakalkkilasi on yleisin silikaattilasi ja koostaa noin 90 % lasituotteista [55]. Soodakalkkilasi sisältää noin 75 m-% piidioksidia ja loput 25 m-% koostuvat erilaisista oksideista. Lasit ovat amorfisia eli niillä ei ole säännöllistä kiderakennetta. [54]
4.1. Rakenne
Kuvassa 4 on havainnollistettu amorfisen lasin molekyylirakenne. Kuvassa näkyy rakenteen muodostavat molekyylit (network formers). Kolme yleisintä rakenteen muodostavaa molekyylia ovat piidioksidi, booritrioksidi ja fosforipentoksidi. Happiatomit (bridging oxygens) pitävät molekyylit kiinni toisissaan Si-O-Si-sidosten avulla.
Rakennetta muokkaavilla ioneilla (network modifiers) ei ole tiettyä paikkaa rakenteessa, vaan ne ovat asettuneet satunnaisille paikoille. Ne muokkaavat lasin ominaisuuksia kuten bioyhteensopivuutta tai sulamislämpötilaa. Molekyylit kuten natriumoksidi ja kaliumoksidi tuovat rakennetta muokkaavia ioneja lasiin. Molekyylien mukana tulee myös happi-ioneja, (non-bridging oxygens) jotka ovat rakenteen reunoilla, ja rikkovat olemassaolevis Si-O-Si-sidoksia. Uudet metalliset ionit ja reunoille asettuvat hapet ovat vastuussa ominaisuuksien muuttumisesta. [11]
Kuva 4. Amorfisen lasin molekyylirakenne [11 s. 38].
Biolasien molekyylirakenne on lähes samanlainen kuin laseilla. Niillä on kuitenkin vähemmän rakenteen muodostavia molekyyleja kuten piidioksidia, ja enemmän muokkaavia molekyyleja, kuten kalsiumoksidia. Lasikeraameilla on amorfisen faasin lisäksi kiteinen faasi, mikä muokkaa ominaisuuksia. Lasikeraameilla on useita uniikkeja ja mielenkiintoisia ominaisuuksia kuten korkea lujuus, sitkeys, läpinäkyvyys, matala lämpölaajeneminen ja hyvä bioyhteensopivuus. [13]
Bioaktiivisissa laseissa on normaalisti vähemmän piidioksidia perinteisiin laseihin verrattuna. Larry Henchin kehittämä Bioglass 45S5 sisältää 45 m-% piidioksidia, mikä käy ilmi lasin nimestä [9]. Muiden biolasituotteiden piidioksidin määrä on tyypillisesti lähellä 50 m-%, ja rakenteen muodostava molekyyli voi olla jokin muu, kuten booritrioksidi. Alempi rakennetta muodostavan molekyylin konsentraatio luonnollisesti tarkoittaa, että muita molekyyleja on enemmän. [4]
4.2. Mekaaniset ominaisuudet
Hyvät mekaaniset ominaisuudet ovat luonnollisesti hyvin tärkeät mille tahansa materiaalille. Biomateriaaleille ei ole optimaalisia mekaanisia ominaisuuksia, sillä eri sovellukset vaativat hyvin erilaisia ominaisuuksia. Scaffoldi kudosteknologian sovelluksiin ja kapselimateriaali lääkkeiden annosteluun ovat kaksi hyvin erilaista sovellusta ja vaativat erilaisia ominaisuuksia materiaalilta. Luuvaurioiden käsittely vaatii hyvin tarkat ominaisuudet materiaalilta, sillä eri luut kehossa käsittelevät erisuuntaisia ja erisuuruisia mekaanisia voimia. Liian vahvat materiaalit aiheuttavat luun heikkenemistä ja liian heikot hajoavat. Bioaktiivisia laseja ei kuitenkaan yleensä ole tarkoitettu vahvaksi mekaaniseksi tueksi samalla tavalla kuten esimerkiksi lonkkaproteesia, eli niiden ei tarvitse kestää suuria kuormia. [5]
Laseja karakterisoi hauraus ja kovuus. Ne eivät ole tarpeeksi lujia kestämään suuria painoja ja hauras rakenne voi olla vaarallinen. Taulukossa 2 on koottuna kuoriluun, hohkaluun sekä Bioglass 45S5 mekaanisia ominaisuuksia. Taulukossa 3 on esitetty usean eri biolasituotteen mekaanisia ominaisuuksia. Taulukoista huomaa, että biolasien ja lasikeraamien mekaaniset ominaisuudet ovat tyypillisesti kuoriluun kanssa samassa suuruusluokassa.
Bioaktiiviset lasit sitoutuvat kuoriluun kanssa, eli saman suuruusluokan mekaaniset ominaisuudet ovat toivottavia. Tämä estää luukudoksen heikkenemistä, sillä implantin ollessa huomattavasti alkuperäistä luuta vahvempi, se kantaa suurimman osan mekaanisesta rasituksesta. Luut vaativat säännöllistä mekaanista rasitusta, tai ne alkavat heikkenemään. Liian heikko implantti taas saattaa hajota rasituksen alla. [56]
Biomateriaalien mekaanisten ominaisuuksien on oltava tarpeeksi suuret, että ne kestävät normaalia elämää. Taulukosta 3 näkee esimerkkejä tuotteista, joilla on riittävät ominaisuudet. Uusia materiaaleja suunniteltaessa sopivat mekaaniset ominaisuudet ovat vaikea tavoittaa. Riittävien veto-, puristus ja leikkauslujuuksien lisäksi, materiaalin on kestettävä väsymistä, kulumista ja korroosiota. [57]
Taulukko 2. Pehmyt- ja kuoriluun sekä 45S5 biolasin mekaanisia ominaisuuksia [12].
Taulukko 3. Eri biolasien ja lasikeraamien mekaanisia ominaisuuksia [14].
4.3. Biomateriaalin ominaisuudet
Biomateriaaleille on ylimääräisiä vaatimuksia, joita perinteisille rakennemateriaaleille ei ole. Monet materiaalit aiheuttaisivat myrkytyksen, tulehduksia ja solukuolemaa, jos ne implantoitaisiin kehoon. Biomateriaaleja käytetään lääketieteessä, eli ne eivät saa aiheuttaa potilaalle merkittäviä negatiivisia vaikutuksia. Kaikkein tärkein ominaisuus biomateriaaleille, varsinkin biohajoaville implanteille, on bioyhteensopivuus. Kun kyseessä on materiaali, jonka tarkoitus on hajota kehoon ja poistua luonnollisia teitä pitkin, se ei saa olla myrkyllinen. Biohajoavien materiaalien kanssa tehdäänkin erittäin tarkkaa tutkimusta itse materiaalin vaikutuksista ja reaktioista kehon kanssa, sekä sen hajoamistuotteiden ja mahdollisten välituotteiden vuorovaikutuksista. [57]
Bioaktiivinen materiaali reagoi positiivisesti solujen kanssa. Bioaktiivisten lasien tapauksessa bioaktiivisuus näkyy osteoblastien lisääntymisenä, mikä nopeuttaa luukudoksen muodostumista. Lisäksi se näkyy entsyymien aktiivisuuden lisääntymisenä ja uusien verisuonien muodostumisen nopeutumisena. Bioaktiiviset lasit ovat yleensä
osteokonduktiivisia ja osteoinduktiivisia. Osteokonduktiivisuus tarkoittaa, että materiaali toimii alustana osteoblasteille, missä ne voivat muodostaa uutta luukudosta.
Osteoinduktiivisuus tarkoittaa, että materiaali saa aikaan uusia osteoblasteja kemiallisten signaalien avulla. Induktiivisuus saa siis aikaan osteogeneesiä, uuden luun muodostumista. Konduktio tarjoaa vain alustan prosessille. [5] [13]
Biohajoavien tuotteiden hajoamisajan täytyy olla tarkasti suunniteltu. Esimerkiksi Henchin 45S5-biolasi hajoaa noin 10–30 päivässä pintaeroosion ja bulkkieroosion vaikutuksesta [4]. Hajoamisen täytyy olla karkeasti yhtä nopeaa kuin uuden kudoksen muodostumisen. Hajoamisen nopeuteen vaikuttaa niin ympäristö kuin materiaalin rakenne. Jokaiselle materiaalille on oma hajoamisnopeutensa. Kappaleen huokoisuudella on suuri vaikutus hajoamisnopeuteen. Suuri huokoisuus tarkoittaa myös suurta pinta-alaa, mikä nopeuttaa hajoamista. Sooli-geeliprosessilla valmistetut lasit ovat yleensä huokoisempia, kuin sulakarkaistut lasit. [50]
Bioaktiivisuus ja biohajoavuus ovat haluttuja ominaisuuksia, mutta kaikissa tuotteissa joudutaan tekemään kompromisseja. Lasikeraamit, joita valmistetaan laseista lämpökäsittelyllä, ovat vaihtoehto biolaseille. Lasikeraamien mikrorakenteessa on kiteisiä alueita amorfisten alueiden lisäksi, mikä kasvattaa niiden mekaanisia ominaisuuksia, kuten lujuutta ja kovuutta. Kiteisyyden noustessa on kuitenkin huomattu, että materiaalin bioaktiivisuus laskee [4]. Bioaktiiviset lasikeraamit ovat suositumpia sovelluksissa, mitkä vaativat suurempia mekaanisia ominaisuuksia, vaikka bioaktiivisuus on matalampaa. Matalammallakin aktiivisuudella lasikeraamien ominaisuudet ovat toimivia biomateriaaleina niiden bioyhteensopivuuden ja -hajoamisominaisuuksien ansiosta. [1]
4.4. Hydroksiapatiittikerroksen muodostuminen
Bioaktiivisten lasien kyky muodostaa HA-kerros fysiologisessa liuoksessa herätti mielenkiinnon laseihin lääketieteen sovelluksissa. Hydroksiapatiittikerroksen rakenne [Ca5(PO4)3OH] vastaa luukudoksen pinnan mineraaleja. Bioaktiivisten lasien pintaominaisuudet saavat lasin muodostamaan HA-kerroksen fysiologisessa liuoksessa in vivo ja simuloidussa kehonesteessä in vitro [4]. Kerroksen muodostuminen alkaa, kun lasi upotetaan nesteeseen, mikä saa lasin pinnassa olevat alkali-ionit irtoamaan. Pinnan mikrorakenne hajoaa hieman ja irronneet ionit korvaantuvat vetyioneilla, mikä muodostaa pinnalle silanoleja. Silanoleja sisältävä pinta ja vesi muodostavat geelimäisen pinnan, kun silanolit polymerisoituvat. Irronneet ja ympäristölle alkuperäiset kalsiumionit ja fosfaatit kiinnittyvät geelimäiseen pintaan, mikä aloittaa HA-kerroksen kristalloitumisen.
Muodostunut HA-kerros muistuttaa kemiallisesti ja fysiologisesti luun luonnollista mineraalifaasia, minkä takia luonnollinen ja vahva sidos muodostuu HA-kerroksen ja luukudoksen välille. Osteoblastien kollageeni sitoutuu vahvasti hydroksiapatiitti kiteisiin [13]. Kuvista 5 ja 6 näkee HA-kerroksen muodostumisen kahdesta näkökulmasta.
Kuva 5. 45S5 lasin pintareaktio ja uuden luukudoksen muodostuminen [32].
Kuva 6. Molekyylien ja ionien vaikutus HA-kerroksen muodostumiseen [16 s. 3].
5.YLEISIMMÄT KOOSTUMUKSET BIOAKTIIVISILLE LASEILLE
Lasin rakenteen voi muodostaa monet eri oksidit. Piidioksidi on yleisin oksidi, josta valmistetaan laseja. Siitä on valmistettu eniten tuotteita, mutta oksidit kuten B2O3 ja P2O5 voivat myös muodostaa rakenteen. Oksidit kuten Al2O3, Ga2O3, V2O5 voivat muodostaa rakenteen ainoastaan erikoiskäsittelyn, kuten höyrykerrostamisen tuloksena. Lasia kutsutaan usein rakenteen muodostaneen tai muodostaneiden molekyylien mukaan esimerkiksi boraattilasit, silikaattilasit tai fosfaattisilikaattilasit. [4]
5.1. SiO
2Larry Hench käytti piidioksidia ensimmäisen bioaktiivisen lasin valmistukseen.
Kuvassa 5 näkyy amorfisten lasien rakenne. Piidioksidissa pii- ja happiatomit liittyvät kiinni toisiinsa, ja muodostavat lasin rakenteen. Muodostuneeseen rakenteeseen voi liittyä muokkaavia atomeita ja molekyyleja, jotka vaikuttavat materiaalin ominaisuuksiin.
Silikaattilasit, kuten 45S5 ja 13–93, ovat hyvin bioaktiivisia ja edistävät osteoblastien lisääntymistä [4].
Bioaktiiviset lasit koostuvat useimmiten piidioksidista. Suurin osa olemassa olevista tuotteista on valmistettu piidioksidista, kuten 45S5 lasista valmistetut MEP ja ERMI sekä S53P4 koostumuksella valmistettu BonAlive [5]. Kuvassa 7 on Henchin muodostama koostumusdiagrammi, minkä perusteella ensimmäinen biolasi valmistettiin.
Kuva 7. Koostumuksen vaikutus SiO2 lasin ominaisuuksiin [1 s. 222].
Silikaattilasit sisältävät tyypillisesti eniten SiO2, Na2O, CaO, ja P2O5 molekyyleja.
Henchin kehittämä lasi sisältää 45 m-% SiO2, 24,5 m-% Na2O, 24,5 m-% CaO ja 6 m-
% P2O5. Lasin korkea natriumoksidipitoisuus tekee sulattamisesta ja muodonantamisesta helppoa. Lisäaineita kuten MgO, K2O ja B2O3 käytetään usein SiO2 lasien kanssa. [1]
Piidioksidin määrällä on suuri vaikutus rakenteeseen. Liian pienillä määrillä laseille tyypillinen kemiallinen rakenne ei muodostu. Liian suurilla määrillä bioaktiivista lasista tulee lähes inerttiä. Bioaktiivisuus vaatii rakennetta muokkaavien molekyylien tuomia happiatomeita rikkomaan lasin kemiallista rakennetta, että lasi reagoi liuoksen kanssa ja muodostaa HA-kerroksen. Yli 60 m-% konsentraatio johtaa inerttiin materiaaliin, ja yli 52 m-% materiaali sitoutuu luuhun hitaasti. Alle 35 m-% konsentraatio ei muodosta lasia [13]. [1]
Bioglass 45S5 materiaalissa on suurempi määrä fosforipentoksidia, kalsiumoksidia ja natriumoksidia, verrattuna soodakalkkilasiin. Erilaisia molekyylien sekoituksia on kokeiltu ja tuotettu esimerkiksi bioaktiiviset lasit 12–93 ja 58S. Näistä biolasi 12–93 sisältää 12 m-% kaliumoksidia ja 58S 9,2 m-% fosforipentoksidia [9]. Erilaisia sekoituksia on useita, ja niillä yritetään korostaa bioaktiivisten lasien eri ominaisuuksia mahdollisimman paljon.
Ominaisuudet kuten bioaktiivisuus, hajoamisnopeus, sidosten muodostumisnopeus ja luotettavuus ovat erilaisia eri tuotteille. Erilaisten ominaisuuksien takia erilaiset molekyylisekoitukset soveltuvat eri paikkoihin ja sovelluksiin kehossa. [4] [5]
5.2. B
2O
3Toinen molekyyli, josta on valmistettu bioaktiivisia laseja, on booritrioksidi.
Boraattilaseilla on monimutkaisempi kemiallinen rakenne, sillä booriatomit ja happiatomit muodostavat tilanteen mukaan erilaisia mikrorakenteita. Rakenteet voivat olla tetraedrisiä tai kolmiomaisia. Rakenteen vaikutuksesta boraattilaseilla on huomattavasti matalampi lasisiirtymislämpötila. Silikaattilaseilla lämpötila on tyypillisesti yli tuhat astetta, kun taas boraattilaseilla se on ainoastaan noin 260 °C. [4] [11]
Boraattilaseja on alettu tutkimaan vasta 90-luvulla, kun lasien uniikit ominaisuudet herättivät tutkijoiden mielenkiinnon [4]. Boraattilasit muodostavat HA-kerroksen hyvin nopeasti, sillä ne ovat hyvin reaktiivisia. Korkean reaktiivisuuden takia ne myös hajoavat nopeasti. Eräässä kokeessa silikaattilasia löytyi kehosta vielä 70 päivän jälkeen hoidosta, kun taas boraattilasi reagoi kokonaan vain neljässä päivässä [33]. HA-kerros, jonka boraattilasit muodostavat ei käytännössä eroa toiminnallisesti silikaattilasien muodostamasta kerroksesta. Boraattilasien muodostama kerros sisältää kuitenkin enemmän booria.
Boori on aine, jota luusto tarvitsee pysyäkseen hyvässä kunnossa. Kuten silikaattilasit, boraattilasit tukevat osteoblastien lisääntymistä. Laseista on valmistettu sintrauksen avulla scaffoldeja, jotka muistuttavat trabekulaarista luuta. Tämä on mahdollista, sillä boraattilasien käyttäytyminen sintrauksessa on kontrolloitua. Mahdollisuus valmistaa trabekulaarista luuta muistuttavia scaffoldeja tekee boraattilaseista mielenkiintoisia tutkijoille. Mielenkiintoa kuitenkin vähentää eräiden tutkimusten tulokset, joiden mukaan boraattilasit ovat myrkyllisiä soluille. Myrkyllisiä ominaisuuksia on tosin löydetty lähinnä staattisissa olosuhteissa, jotka eivät vastaa ihmisen kehoa. [4] [11]
5.3. P
2O
580-luvulla alettiin tutkia fosfaattilaseja lääketieteen sovelluksiin. Näissä laseissa fosforipentoksidi muodostaa lasin rakenteen. Rakenteen muodostavat molekyylit ovat kuvan 8 mukaisia. Kuvasta näkee erilaiset sidokset, joita molekyyli voi muodostaa
lasissa.
Kuva 8. P2O5 molekyylin erilaiset sidokset lasin rakenteessa [11 s. 40].
Fosfaattilasit ovat helppoja tuottaa, yksinkertaisia ja turvallisesti biohajoavia. Lasit hajoavat nopeasti, sillä P-O-P-sidokset reagoivat helposti veden kanssa ja rikkoutuvat.
Hajoamisnopeutta pystyy kontrolloimaan lisäaineilla. Oksidit, kuten CuO, NiO, MnO, vaikuttavat huomattavasti fosfaattilasin hajoamisnopeuteen. Hajoamisnopeuden helppo muokkaus tekee fosfaattilaseista hyödyllisiä. Laseja on tutkittu esimerkiksi antibakteeristen ionien kontrolloituun annosteluun. Fosfaattilaseilla on myös mahdollisuuksia hermojen korjaamisessa [5]. Taulukossa 4 on esitelty muutaman fosfaattilasin ominaisuuksia. [11]
Taulukko 4. Neljän fosfaattilasin ominaisuuksia. Natriumoksidin sekä kaliumoksidin määrien vaikutukset ominaisuuksiin [34].
Kood i
Painoprosentt i (m-%)
Tiheys (kg m−3 )
Sulamislämpötil a (° C)
Lasisiirtym ä (°C)
Kristallaati o lämpötila (°C)
6. LISÄAINEIDEN VAIKUTUS BIOAKTIIVISTEN LASIEN OMINAISUUKSIIN
Lasien valmistuksessa käytetään erilaisia lisäaineita. Metallisia lisäaineita kuten kuparia, sinkkiä, magnesiumia ja fluoria, käytetään lasien ominaisuuksien muokkaamiseen. Metalliset lisäaineet lisätään usein oksideina materiaaliin. Lisäaineilla voidaan vaikuttaa esimerkiksi materiaalin bioaktiivisuuteen, kulumisen kestoon, lujuuteen, antibakteerisiin ominaisuuksiin ja kudoksen muodostamisen nopeuteen.
Seosaineet sekoitetaan muiden raaka-aineiden kanssa ennen lasin valmistusta. Suora synteesi muiden raakamateriaalien kanssa saa seosaineet sekoittumaan parhaiten, ja lasista tulee mahdollisimman homogeeninen. On hyvä ottaa huomioon, että lisäaineen vaikutus riippuu lasirakenteesta, mihin se lisätään. Esimerkiksi sinkillä voi siis olla erilaisia vaikutuksia silikaattilasiin ja boraattilasiin. [4] [11] [13]
6.1. Fluori
Fluoria käytetään paljon hammastahnoissa hampaiden suojelemiseksi. Fluori reagoi hydroksiapatiitin kanssa ja muodostaa fluorapatiittia. Fluorapatiitti kestää mekaanisia ja kemiallisia voimia hyvin, mikä suojelee luita. Hammastahnassa oleva fluori saa aikaan fluorapatiittia hampaiden pintaan. Korkeampi kemiallisten voimien sietokyky suojelee hampaita kariekselta. [35]
Korkeampi kemiallinen stabiilius hidastaa materiaalin hajoamista kehossa. Lasin hajotessa kehossa fluori-ioneja vapautuu. Fluori-ioneilla on antibakteerisia ominaisuuksia kehossa. Fluorin lisääminen saa aikaan enemmän soluja, kollageenia ja luukudosta [36]. Liian suuri määrä fluoria kuitenkin tekee materiaalista myrkyllistä, eli määrän kanssa on oltava varovainen. Pienet määrät eivät ole ollenkaan myrkyllisiä, samalla tavalla kuin kehon luonnolliset mineraalit [51].
6.2. Kupari
Kupari on elintärkeä aine kehossa. Bioaktiivisissa laseissa kupari edistää verisuonten muodostumista kasvutekijöiden avulla, sekä endoteelisten solujen muodostumista [37]. Kuparin lisäys lasiin vähentää osteoblastien esiasteen määrää. Suurempi osa kantasoluista kuitenkin erikoistuu osteoblasteiksi, ja osteoklastien määrä vähenee.
Tämän vaikutuksen ansiosta kuparin lisäys on tuottanut vaihtelevia tuloksia luukudoksen muodostumisen kanssa. Kuparilla on myös antimikrobisia ominaisuuksia [38] [39].
Kuparin vaikutuksista luukudoksen muodostumiseen on eriäviä tuloksia, vaikka tyypillisesti sen lisäyksen ajatellaan lisäävän luukudoksen kasvua. Eräässä tutkimuksessa 0,4 m-% ja 0,8 m-% kuparioksidia sisältäneet lasit eivät eronneet merkittävästi normaalista. Lasi, missä oli 2 m-% kuparioksidia sai verisuonet kasvamaan paljon nopeammin, mutta luukudoksen muodostuminen hidastui. Kupari- ionit häiritsevät myös HA-kerroksen muodostumista [40].
6.3. Magnesium
Kuten moni muu mineraali, magnesium on elintärkeä kehossa. Magnesiumia on tärkeissä entsyymeissä ja DNA:ssa. Bioaktiivisten lasien näkökulmasta magnesiumin tärkein vaikutus on osteoblastien määrän lisääntyminen ja osteoklastien vähentyminen. [41]
Magnesiumin vaikutuksesta laseihin on kuitenkin vaihtelevia mielipiteitä. Magnesium häiritsee lasien rakennetta, mikä puolestaan häiritsee HA-kerroksen muodostumista.
Rakenne häiriintyy, kun magnesium tunkeutuu rakenteen muodostavien molekyylien sekaan. [42]
Magnesiumia tutkitaan kuitenkin lisäaineena, sillä se lisää solujen adheesiota, lisääntymistä ja erikoistumista osteoblasteiksi. Tutkimusten mukaan vaikuttaa siltä, että magnesiumin vaikutukset ovat positiivisia pienissä määrissä. [43]
6.4. Hopea
Hopean sekoittaminen bioaktiiviseen lasiin antaa lasille voimakkaan antimikrobisen vaikutuksen [44]. Erilaisten patogeenien tuhoaminen on erittäin hyödyllinen ominaisuus biomateriaalille. Biomateriaali saatetaan kehoon lähes aina leikkauksen avulla.
Hygienialla ja sterilisaatiolla voidaan vähentää vaarallisia tartuntoja merkittävästi, mutta täydellinen sterilisaatio ei ole mahdollista. Infektion riski on siis aina olemassa.
Antimikrobiset elementit materiaalissa lisäävät kykyä taistella tartuntoja vastaan. Koko prosessi on näin siis turvallisempi. [58]
Hopean lisääminen lasin matriisiin vähentää sen bioaktiivisuutta. Hopeaionien lisäys vähentää kalsiumionien määrää lasirakenteessa, mikä vähentää rakennetta muokkaavien molekyylien tuomia happi-ioneja. Nämä happi-ionit eivät ole osa lasirakenteen muodostamista, vaan ne ovat kiinnittyneet rakenteen reunoihin. Ne ovat myös tärkeitä lasin bioahajoamiselle. Hopea alkaa muodostamaan kvartsia ja metallista hopeaa, mikä häiritsee HA-kerroksen muodostumista. Hopea on myös toksista soluille liian suurissa määrissä. [45]
6.5. Sinkki
Sinkki on tärkeä mineraali ihmiselle ja ihmisen luustolle. Sinkin vaikutusta bioaktiivisissa laseissa on tutkittu, sillä sinkin puutostilan on huomattu aiheuttavan ongelmia luuston kasvulle. [59]
Sinkki voi ottaa kaksi roolia lasirakenteessa. Se voi toimia rakenteen rungossa, rakenteen muodostavana molekyylina. Sinkki voi myös toimia rakenteen reunoilla, rakennetta muokkaavana molekyylina [8]. Toiminta rakenteen rungossa vähentää lasin pinta-alaa ja huokosten tilavuutta. Sinkin on myös huomattu vahvistavan kemiallista ja mekaanista kestävyyttä [10].
Kuten useat muut metalliset lisäaineet, sinkki on myrkyllistä liian suurissa määrissä.
Sen on myös huomattu omaavan hieman antimikrobisia ominaisuuksia. Metalli-ionit aktivoivat herkästi geenejä, jotka auttavat mikrobien tuhoamisessa. [11]
HA-kerroksen muodostuminen muuttuu sinkin vaikutuksesta. Sinkki-ionit häiritsevät kiteiden muodostumista, mutta kerros muodostuu ajan kanssa. Sinkin määrän kanssa on oltava tarkka, sillä sen positiiviset vaikutukset muodostavat materiaalin hajoamisesta ja ionien vapautumisesta. Liian korkeat konsentraatiot häiritsevät HA-kerroksen muodostumista ja myrkyttävät soluja. Sopivissa määrissä ionit auttavat kestävyyden kanssa, mikrobien kanssa ja luuston kasvun kanssa. [11]
7. BIOAKTIIVISTEN LASIEN SOVELLUKSIA
Alkuperäinen Bioglass 45S5 kehitettiin luuvaurioiden parantamiseksi, sillä biolasit pystyivät muodostamaan HA-kerroksen ja luonnollisen vahvan sidoksen luukudoksen kanssa. Biolaseilla on myös erittäin hyvä bioyhteensopivuus, bioaktiivisuus ja muokattavuus. Näiden ominaisuuksien takia luuvauriot ovat biolasien tutkituin käyttökohde, mutta muitakin sovelluksia on löydetty. Nykyään tutkitaan useita eri kohteita mukaan lukien lääkkeiden annostelua ja pehmytkudoksen vaurioiden parantamista. [5]
7.1. Luukudos
Biolasien mikrorakenne ja pintaominaisuudet tekevät materiaaliryhmästä omalaatuisen. Tärkein ominaisuus luuvaurioiden hoitamisessa on hydroksiapatiittikerros. HA-kerros kiinnittyy luuhun ja alkaa vaikuttamaan. Bioaktiivinen lasi vaikuttaa geenitasolla irtoavien ionien ansiosta [52]. Proteiinien tuotanto kasvaa ja lasista irronneet ionit muuttavat ympäristön pH:ta [1].
Ionien irtoaminen ja geenien aktivaatio vaikuttaa kehon toimintaan, mikä auttaa luukudoksen parantumisessa. Kantasoluja kiinnittyy ja differentoituu osteoblasteiksi bioaktiivisen lasin pinnalle. Lasilla on siis osteoinduktiivisia ja osteokonduktiivisia ominaisuuksia. Muuttunut ionikonsentraatio aiheuttaa neutrofiilien konsentraation nousun, mikä auttaa taistelemaan infektioita vastaan. Luonnollinen ja vahva sidos luun kanssa, osteoblastien aktiivisuuden nousu ja valkosolujen konsentraation nousu ovat bioaktiivisten lasien tärkeimpiä ominaisuuksia, jotka tekevät niistä kiinnostavia materiaaleja luuvaurioiden parantamiseen. [13]
Tuotteita, joita käytetään luukudoksen hoitamisessa, ovat esimerkiksi MEP, ERMI ja PerioGlas. Mainitut tuotteet käyttävät hyväksensä bioaktiivisten lasien kykyä sitoutua pehmytkudokseen ja luukudokseen. MEP toimii korvassa äänenjohtimena, ERMIä käytetään ienkirurgiassa ja PerioGlas on jauhetta, jota käytetään hampaiden poistoalueella. [5]
7.2. Pehmytkudos
Biomateriaalit voidaan jakaa A- ja B-luokkiin. A-luokan biomateriaali on osteoinduktiivinen ja -konduktiivinen, sekä pystyy muodostamaan sidoksia pehmytkudoksen että kovan kudoksen kanssa. B-luokan biomateriaali on vain osteokonduktiivinen, ja muodostaa sidoksia ainoastaan kovan kudoksen kanssa. [13]
Biolasit ovat tyypillisesti luokan A biomateriaaleja. Alkuperäinen Bioglass 45S5 on luokan A materiaali. Bioaktiivinen lasi voi olla myös B-luokan materiaali, riippuen sen kemiallisesta rakenteesta, esimerkiksi piidioksidin määrästä. Se mikä bioaktiivisissa laseissa aiheuttaa sitoutumisen pehmytkudokseen ei ole kuitenkaan vielä täysin selvää.
Biolasien parantavan vaikutuksen pehmytkudoksille ajatellaan johtuvan uusien verisuonten nopeammasta muodostumisesta eli angiogeneesista, mikä taas on bioaktiivisten lasien vapauttamien ionien vaikutuksen ansiota. [5]
Bioaktiivisia laseja sovelletaan myös pehmytkudosten vaurioiden korjaamiseen.
Bioaktiivisten lasien vuorovaikutus luukudosten kanssa tunnetaan tällä hetkellä huomattavasti paremmin. Pehmytkudos sovellukset ovat tällä hetkellä paljon tutkittu aihe, ja yksi tulevaisuuden suunta alalle [52].
1980-luvulla Wilson ja muut huomasivat, että biolasit voivat sitoutua myös pehmytkudoksiin. Tämä johti ensimmäisiin sovelluksiin, jotka vaativat kykyä sitoutua molempiin kudostyyppeihin [13]. Ensimmäinen tämänlainen sovellus, jonka FDA hyväksyi, oli keskikorvan proteesi MEP. Proteesi valmistettiin 45S5 biolasista, ja sen kyky sitoutua korvan luihin ja tärykalvoon teki siitä erityisen. MEP on kuitenkin myöhemmin poistettu käytöstä pitkäaikaisten ongelmien takia. [5]
Tuotteet kuten verkot ja langat ovat hankalia valmistaa biolaseista, sillä pitkäkestoinen lämpökäsittely aiheuttaa ongelmia kristalloitumisen, mekaanisten ominaisuuksien ja bioyhteensopivuuden kanssa. Pintavaurioiden kuten haavojen ja palovammojen parantamiseen tarvitaan usein kuiduista valmistettuja pehmeitä ja joustavia tuotteita.
Niiden valmistukseen tarvitaan laseja, jotka kestävät lämpökäsittelyä paremmin. On huomattu, että fosfaattipohjaisista biolaseista voi valmistaa kuituja ja verkkoja, mikä on johtanut niiden testaamiseen hermo- ja lihaskorjauksessa. Fosforipentoksidi (P2O5) toimii näissä laseissa lasin kemiallisen rakenteen muodostajana piidioksidin sijasta, ja testitulokset ovat alustavasti olleet positiivisia. [4]
Myös Piidioksidi pohjaisia lasiseoksia on valmistettu. M T Souza ja muut löysivät seoksen, jonka kuiduista valmistettu verkko asetettiin rottiin, joilla oli kolmannen asteen palovammoja. Kontrolliryhmällä, jolla ei ollut hoitoa, oli vielä viikon jälkeen paljon
nekroosista kudosta. Hoidetun ryhmän palanut kudos oli parantunut huomattavasti.
Hoidettujen rottien palovamman alueella oli myös huomattavasti fibroblasteja, sidekudosta ja keratinosyytteja [9]. Kuvassa 9 näkyy kudosten ero viikon päästä hoidosta.
Kuva 9. Viikko rottien palovammojen hoidosta NGA biolasi -verkolla [9 s. 10].
7.3. Antibakteerinen hoito ja lääkkeiden annostelu
Yksi tutkituista alueista bioaktiivisten lasien puolella on erilaiset antibakteeriset sovellukset. Bakteerien aiheuttamat infektiot ovat maailmanlaajuisesti vakava ongelma, ja ne aiheuttavat paljon tauteja ja kuolemia. Useita keinoja käytetään, että leikkausten aikana bakteerit eivät pääsisi potilaaseen. Hygienia ja tarvikkeiden sterilisaatio ovat hyvin tärkeitä. Bakteereja ei voi kuitenkaan täysin poistaa. [53]
Avohaavojen ja palovammojen tapauksissa bakteereja pääsee tunkeutumaan kehoon paljon. Bakteereista aiheutuvien tautien hoitoon ja ehkäisyyn annostellaan antibiootteja, mutta perinteisillä menetelmillä kuten tableteilla ja ruiskutuksilla on rajansa. Ne tarjoavat hetkellisen suuren konsentraation antibiootteja, jotka kulkevat verisuoniston mukana ympäri kehoa. Antibiooteilla on siis vaikeuksia saavuttaa alueita, missä on vähän verisuonia. Säännöllinen annostelu on myös vaivalloista. Tämän takia uusia tapoja hoitaa ja estää tartuntoja tutkitaan paljon. [5] [50]
Bioaktiiviset lasit tarjoavat uniikkeja mahdollisuuksia hoitaa infektioita. Lasien biohajoaminen ja ionien vapautuminen ympäristöön tekee pitkäaikaisesta ja jatkuvasta annostelusta mahdollista. Biolasi asetetaan myös valittuun paikkaan, eli antibakteerien vaikutus on tehokasta, sillä ne ovat juuri siellä missä niitä tarvitaan. Bioaktiivisiin laseihin on myös verrattain helppoa lisätä erilaisia yhdisteitä valmistusvaiheessa, mikä tekee
niistä houkuttelevan tutkimuskohteen. Implantteja asentaessa kehoon pääsee väistämättä bakteereja. Jos materiaalilla on valmiiksi antibakteerisia ominaisuuksia, infektioiden vaaroja voidaan ehkäistä huomattavasti. [17] [18]
On huomattu, että tietyt metalliset ionit omaavat antibakteerisia vaikutuksia.
Bioaktiivisilla laseilla on erittäin korkea bioyhteensopivuus, ja niihin voidaan lisätä erilaisia yhdisteitä. Metalliset ionit kuten hopeaionit, kupari-ionit ja sinkki-ionit esittävät antibakteerisia vaikutuksia kehossa [17]. Ionit vapautuvat lasista kehossa ympäröivään kehonesteeseen, ja ne pääsevät tuhoamaan bakteereja ympäristössä. Phetnin ja Rattanachan huomasivat, että hopeaioneja sisältävä silikaattilasi toimii maksasyövän hoidossa [18]. Singh ja muut havaitsivat, että rautaioneja sisältävää bioaktiivista lasia voidaan käyttää syöpähoidossa. Raudan magneettisia ominaisuuksia ja magneettikenttää hyödynnetään hypertermiseen hoitoon syöpäsoluja vastaan [19].
Ionien lisäksi bioaktiivisiin laseihin voi lisätä antibakteerisia molekyyleja kuten antibiootteja. Biolasien kanssa ongelmaksi muodostuu usein valmistus, sillä antibakteeriset molekyylit eivät yleensä kestä suuria lämpötiloja. Sooli-geeliprosessilla valmistetut biolasit ovat siksi tutkittuja tässä sovelluksessa, sillä niiden valmistus ei vaadi suuria lämpötiloja. Sooli-geeliprosessilla saa myös saavutettua suuren homogeenisuuden, mikä on tärkeää lääkkeiden vapautuksessa. Metallisten ionien ja antibakteeristen molekyylien yhteisvaikutus johtaa lisääntyneeseen kudoksen muodostumiseen ja parantumiseen, sekä korkeaan antibakteeriseen vaikutukseen [17].
Varsinkin mesohuokoisia biomateriaaleja tutkitaan lääkkeiden annostelussa. Kun huokosten koko on 2–50nm, suuremmat molekyylit mahtuvat huokosten sisälle helpommin. Huokosten kokoon voidaan vaikuttaa valmistusvaiheessa, että saadaan tietylle molekyylille sopiva materiaali. Mesohuokoisilla biomateriaaleilla on huomattu hitaampaa lääkkeiden annostelua, mikä tarjoaa pidemmän hoitojakson. Bioaktiivisia laseja voidaan käyttää muidenkin lääkkeiden annostelussa. Niiden kyky sitoutua kudoksiin ja niiden bioyhteensopivuus ovat loistavia ominaisuuksia lääkkeiden vapauttamiseen kehossa. [17] [18] [50]
8. OLEMASSA OLEVIA TUOTTEITA
Koska bioaktiivisille laseille on useita sovelluksia, niistä on myös valmistettu paljon hyvin erilaisia tuotteita. Bioaktiivisia laseja tutkitaan tällä hetkellä paljon, ja suuri osa mahdollisuuksista on vielä tulevaisuudessa. Olemassa olevia tuotteita on kuitenkin useita moniin eri tarkoituksiin. Biolaseja hyödynnetään muun muassa korvasairauksiin, silmäimplantteina, maksasyöpään, bakteerien tuhoamiseen, keuhkojen ja sydämen kudosten parantamiseen, luuvaurioihin ja hermojen korjaamiseen. [5] [9]
Ensimmäinen FDA:n hyväksymä tuote, mikä on valmistettu bioaktiivisesta lasista, on 45S5 lasista valmistettu MEP implantti. MEP hyväksyttiin vuonna 1985 keskikorvan kuuloluiden parantamiseksi. MEP (Middle Ear Prosthesis) on kartion muotoinen kappale, joka yhdistää korvan simpukan tärykalvoon. MEP toimii koska 45S5 pystyy sitoutumaan tärykalvon pehmytkudokseen, sekä luukudokseen, ja johtamaan äänen eteenpäin [20].
Myöhemmin huomattiin, että pitkän ajan kuluttua MEPissä oleva kalsium irtoaa implantista ja implantti hajoaa [21]. Hajoamisen syyksi varmistettiin valmistuksessa muodostuneet mikromurtumat. MEPin pohjalta valmistettiin parempi tuote, nimeltä Douek-MED. Douek-MED valmistetaan mikrolastuamalla, ja sillä on tukevampi rakenne, mikä auttaa sitä kestämään mekaanisia ja fysiologisia rasituksia [22]. Kuvassa 10 on Douek-MED paketti, missä näkyy neljä erikokoista implanttia.
Kuva 10. Douek-MED paketin kansi, missä näkyy implantit [28 s. 7].
Bioaktiivisia laseja on hyödynnetty eniten oraalisiin sovelluksiin. Seuraavaksi MEPin jälkeen kliinisesti käytetty bioaktiivinen lasi on ERMI (Endosseous Ridge Maintenance Implant). ERMI hyväksyttiin 510[k] tarkasteluprosessilla vuonna 1988 [22]. Implantit ovat 45S5 biolasista valmistettuja kartioita, mitä käytetään hampaiden poiston yhteydessä.
Hampaan poisto ja luonnollisten juurten menetys johtaa kudoksen menetykseen hammasvälissä [23]. Kudoksen menettämisen estämiseksi pyritään kehittämään implantti, mikä toimii juurten korvikkeena. ERMIä käytetään ienkirurgiassa, kun hammas poistetaan. ERMI sitoutuu luukudokseen ja pehmytkudokseen tiiviisti, ja tarjoaa mekaanista tukea ikenille sekä hyvän alustan hammasproteesille. ERMI myös stimuloi uuden luukudoksen muodostumista proteesin ja elävän kudoksen välille, että voidaan saavuttaa vakaa proteesi. Jäykkä systeemi saa mekaanisen rasituksen siirrettyä kunnolla luustoon, mikä estää hammasvälin kudoksen häviämisen [22].
Vuonna 1993 FDA hyväksyi PerioGlas-lasin kliinisen käytön. Perioglas on ensimmäinen hiukkasmainen bioaktiivinen lasi, joka on päässyt markkinoille [9].
Perioglas hoitaa luukudoksen vähenemistä, mikä aiheutuu hampaita ympäröivien kudoksien tulehduksesta luun sisäisissä vioissa. Perioglas pyrkii hoitamaan luuta hampaan juuren alueella tai luuvaurioita leuassa [26]. Perioglas on 45S5 koostumuksesta valmistettuja hiukkasia, joiden koko on 90–710µm [5]. Hiukkasmaisen bioaktiivisen lasin suurin hyöty on sen käytön helppous, sillä jauhe voidaan yksinkertaisesti tunkea vaurion paikalle. Vuonna 1996 Perioglas hyväksyttiin myös useampiin sovelluksiin. Perioglasia käytetään hampaiden poistoalueella ja hammasvälin vahventamisessa.
NovaMin on 2004 vuonna FDN:n hyväksymä tuote, jota lisätään hammastahnaan.
Hienoa, hiukkasmaista, 45S5-lasipulveria sekoitetaan tahnaan hampaiden yliherkkyyden hoitamiseksi. Hiukkasten koko on keskimääräisesti 18µm [5]. NovaMin mineraloi hammasluiden mikroputkia, mikä auttaa yliherkkyyteen. Yli 40 miljoonaa ihmistä kärsii hampaiden yliherkkyydestä pelkästään Amerikassa. NovaMin toimii myös hampaiden valkaisussa ilman kanssa, tyypillisten natriumbikarbonaattipulvereiden sijasta. NovaMin tarjoaa parempaa valkaisua, ja hoitaa yliherkkyyttä. Perinteinen natriumbikarbonaattijauhe tyypillisesti lisää herkkyyttä. NovaMin-partikkelit tunkeutuvat mikroputkiin, ja vapauttavat kalsiumfosfaatteja hampaiden pinnalle, mikä peittää avonaiset putket. [9] [27]
Lääketieteessä ja kirurgiassa suositaan tuotteita, joiden muotoa voi muokata potilaskohtaisesti. Useat kaupallisesti menestyneet bioaktiiviset lasituotteet ovat yksinkertaisia, kuten laattoja tai tahnaa. Suomessa Vivoxid Ltd, teki tutkimusta S53P4 (53SiO2–20CaO–23Na2O–4P2O5 m-%bioaktiivisesta lasista valmistetuista pyöreistä
laatoista, mitä käytettiin silmän alla olevien murtumien korjaamiseen. Kyseisen alueen murtumia on vaikea hoitaa, ja useita materiaaleja on tutkittu, että voidaan löytää paras hoitokeino. Bioaktiivisista laseista valmistetut laatat asetettiin 36 potilaalle. Implantit eivät aiheuttaneet negatiivisia reaktioita, kuten vierasesinereaktiota, verenvuotoa, hajoamista tai implantin liikkumista. Tutkimuksen pohjalta todettiin, että lasit ovat lupaavia materiaaleja kyseisen murtuman hoitoon, sillä ne kiinnittyvät tukevasti, ovat antibakteerisia, edistävät luun muodostumista ja ovat synteettisiä, eli ne eivät vaadi lahjoittajaa [24].
Ensimmäinen kaupallinen biolasituote, millä ei ole 45S5 rakennetta, oli S53P4 rakenteen omaava lasi. Sen valmisti Turkulainen BonAlive vuonna 2006. Nykyään BonAlive tarjoaa samalla rakenteella valmistettuja granulaatteja ja tahnaa. Korkeamman piidioksidi konsentraation takia BonAlive tuotteet ovat vähemmän bioaktiivisia kuin 45S5 lasit, eivätkä ne ole osteoinduktiivisia, sillä suuri osa lasien bioaktiivisuudesta johtuu irtoavista ioneista. Suurempi määrä piidioksidia tekee rakenteesta jäykemmän, ja se sisältää vähemmän muita aineita. Tuotteita käytetään erilaisiin luuvaurioihin täytteenä, niiden luukasvua stimuloivien ominaisuuksien takia [25]. Vuonna 2016 BonAlive tuotteita myytiin yli 50 maassa [28]. Kuvassa 11 on BonAlive paketti, ja esimerkki annostelusta luuvaurioon.
Kuva 11. BonAlive paketti, ja tuotteen annostelua luuhun ruiskulla [28 s. 10].
9. YHTEENVETO
Bioaktiivisilla laseilla on useita erilaisia sovelluksia ja tutkimuskohteita. Niitä käytetään muun muassa implantteina, kudosten hoitoon, syöpähoitoon, hampaiden suojeluun ja lääkkeiden annosteluun. Lasien muokattavuus antaa mahdollisuuden erilaisille käyt- tökohteille. Valmistusprosessilla, lisäaineilla ja kemiallisella rakenteella on suuri vaikutus ominaisuuksiin. Tyypillisesti bioaktiiviset lasit säilyttävät korkean bioyhteensopivuuden ja bioaktiivisuuden, vaikka muut ominaisuudet muuttuvat. Tutkimus lasien koostumuk- sista ja käyttäytymisestä eri tilanteissa on tärkeää.
Suurin osa tuotteista on valmistettu silikaattilasista. Silikaattisekoituksista suurin osa tuotteista on 45S5-laseja. 45S5-lasi on vanhin ja eniten tutkittu bioaktiivinen lasi.
Tutkimuksen edetessä, boraatti- ja fosfaattilasituotteita saapuu enemmän markkinoille.
Boraattilasien korkea reaktiivisuus ja sintrauskäyttäytyminen ovat lupaavia ominaisuuksia tuleville sovelluksille. Fosfaattilaseilla on potentiaalia hermojen hoidossa.
Niiden tuottaminen on yksinkertaista ja niiden hajoamisnopeutta on helppo muokata.
Valmistusprosessilla on myös vaikutus rakenteeseen. Sooli-geeliprosessilla saadaan homegeenisempia ja huokoisempia laseja. Prosessilla voi myös saada aikaan kemial- lisia koostumuksia, joita sulakarkaisulla ei voi. Sulakarkaisulla saadaan parempia me- kaanisia ominaisuuksia kuin sooli-geeliprosessilla. Mahdollisuudet massatuotantoon ovat myös korkeammat.
Lisäaineina käytetään metallien oksideja ja lääkeaineita. Metalliset ionit ja kemiallisen rakenteen reunoille liittyvät happi-ionit rikkovat rakennetta ja tuovat uniikkeja ominaisuuksia laseille. Hopealla on vahva antibakteerinen vaikutus, kun taas kupari edistää verisuonien kasvamista. Lisäaineet rikkovat rakennetta, mikä kasvattaa hajoam- isnopeutta ja reaktiivisuutta. Sooli-geeliprosessilla valmistettuihin mesohuokoisiin lasei- hin voi helposti lisätä lääkeaineita. Lääkkeitä voi sekoittaa implanttiin ja implantti voi kuljettaa lääkkeet haluttulle alueelle.
Bioaktiivisia laseja tutkitaan tulevaisuudessa paljon. Erilaisia sekoituksia testataan ja valmistusmenetelmiä kehitetään. Ongelmiin kuten lasien mekaanisiin ominaisuuksiin, lasien tuotantoon, hajoamisnopeuden säätelyyn ja luotettavien testausmenetelmien ke- hittämiseen etsitään vastauksia. Tutkimusten edetessä ja ongelmien ratketessa, paljon erilaisia biolasituotteita tulee saapumaan markkinoille.
LÄHTEET
[1] E. El-Meliegy, R. van Noort, Bioactive Glasses. In: Glasses and Glass Ceramics for Medical Applications. Springer, New York, NY, 2012. Saatavissa: https://link- springer-com.libproxy.tuni.fi/chapter/10.1007/978-1-4614-1228-1_13
[2] I. Xynos I, M. Hukkanen, J. Batten, L. Buttery, L. Hench, J. Polak, Bio- glass® 45S5 stimulates osteoblast turnover and enhances bone formation in vitro: Implications and applications for bone tissue engineering, 2000. Saa- tavissa: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11000347
[3] K. Prakash, R. Jieun, K. Hyeongmin, K. Iksoo, T. K. Jeong, K. Hyunil, C. Jae Min, Y. Gyiae, L. Jaehwi, Pharmaceutical particle technologies: An approachto improve drug solubility, dissolution andbioavailability, 2014. Saatavissa:
https://www.researchgate.net/publication/263093092_Pharmaceutical_Particle_
Technologies_An_Approach_to_Improve_Drug_Solubility_Dissolution_and_Bioa vailability
[4] G. Kaur, The Potential of Glasses/Ceramics as Bioactive Materials. In: Bioactive Glasses. Series in BioEngineering. Springer, Cham, 2017. Saatavissa:
https://link-springer-com.libproxy.tuni.fi/chapter/10.1007/978-3-319-45716-1_5 [5] F. Baino, S. Hamzehlou, S. Kargozar, Bioactive Glasses: Where Are We and
Where Are We Going, Journal of functional biomaterials, 2018. Saatavissa:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5872111/
[6] http://www.beadbug.co.uk/beadbugfritshop/prod_2217938-Fuchsia- Reichenbach-Glass-Frit-CoE-94-2-RW0009-Size-K1.html
[7] M. Montazerian, E. Zanotto, History and Trends of Bioactive Glass-ceramics.
Journal of biomedical materials research. Part A. 104. 10.1002/jbm.a.35639, 2015. Saatavissa:
https://www.researchgate.net/publication/288664356_History_and_Trends_of_Bi oactive_Glass-ceramics
[8] E. Wers, H. Oudadesse, Thermal behaviour and excess entropy of bioactive glasses and Zn-doped glasses. J Therm Anal Calorim 115, 2137–2144, 2014.
Saatavissa: https://link-springer-com.libproxy.tuni.fi/article/10.1007/s10973-013- 3280-3
[9] M. T. Souza, A. C. M. Rennó, O. Peitl, E. D. Zanotto, New highly bioactive crys- tallization-resistant glass for tissue engineering applications, Publishing Ltd, 2017. Saatavissa: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1613/aa53b5 [10] I. Atkinson, E. Anghel, L. Predoana, O. C. Mocioiu, L. Jecu, J. Raut, C. Munte-
anu, D. Culita, M. Zaharescu, Influence of ZnO addition on the structural, in vitro behavior and antimicrobial activity of sol–gel derived CaO–P2O5–SiO2 bioactive glasses. Ceramics International. 42. 3033-3045. 10.1016/j.ceramint.2015.10.090, 2016. Saatavissa:
https://www-sciencedirect-com.libproxy.tuni.fi/science/arti- cle/pii/S0272884215019926?via%3Dihub
[11] V. Stanić, Variation in Properties of Bioactive Glasses After Surface Modifica- tion. In: Kaur G. (eds) Clinical Applications of Biomaterials. Springer, Cham, 2017. Saatavissa: https://link-springer-com.libproxy.tuni.fi/chapter/10.1007/978- 3-319-56059-5_2
[12] L. C. Gerhardt, A. Boccaccini, Review – Bioactive Glass and Glass-Ceramic Scaffolds for Bone Tissue Engineering. Materials. 3. 10.3390/ma3073867, 2010.
Saatavissa: https://www.researchgate.net/publication/45267120_Review_- _Bioactive_Glass_and_Glass-
Ceramic_Scaffolds_for_Bone_Tissue_Engineering
[13] B. Karasu, A. O. Yanar, A. Kocaq, Ö. Kisacik, Bioactive Glasses, Anadolu Uni- versity, Engineering Faculty, Department of Materials Science and Engineering, 2017. Saatavissa:
https://www.researchgate.net/publication/320183918_Bioactive_Glasses [14] G. Kaur, V. Kumar, F. Baino, J. C. Mauro, G. Pickrell, I. Evans, O. Bretcanu,
Mechanical properties of bioactive glasses, ceramics, glass-ceramics and com- posites: State-of-the-art review and future challenges, 2019. Saatavissa:
https://www-sciencedirect-
com.libproxy.tuni.fi/science/article/pii/S092849311833964X
[15] P. Palmero, E. De Barra, F. Cambier, Advances in Ceramic Biomaterials: Mate- rials, Devices and Challenges, 2017. Saatavissa: https://www.re-
searchgate.net/publication/324131290_Advances_in_ceramic_biomaterials_Ma- terials_devices_and_challenges_First_edition
[16] A. Renno, P. Bossini, M. Crovace, A. C. M. Rodrigues, E. Zanotto, N. Parizotto, Nivaldo, Characterization and In Vivo Biological Performance of Biosilicate. Bio- Med Research International. 141427. 10.1155/2013/141427., 2013. Saatavissa:
https://www.researchgate.net/publication/258351504_Characterization_and_In_
Vivo_Biological_Performance_of_Biosilicate
[17] S. Kargozar, M. Montazerian, S. Hamzehlou, H. W. Kim, F. Baino, Mesoporous bioactive glasses (MBGs): Promising platforms for antibacterial strategies. Acta Biomaterialia. 81. 10.1016/j.actbio.2018.09.052, 2018. Saatavissa:
https://www.researchgate.net/publication/327949594_Mesoporous_bioactive_gl asses_MBGs_Promising_platforms_for_antibacterial_strategies
[18] R. Phetnin, S. T. Rattanachan, Preparation and antibacterial property on silver incorporated mesoporous bioactive glass microspheres. J Sol-Gel Sci Tech- nol 75, 279–290, 2015. Saatavissa: https://link-springer-
com.libproxy.tuni.fi/article/10.1007/s10971-015-3697-1 [19] D. Bahadur, K. Singh, Characterization of
SiO2±Na2O±Fe2O3±CaO±P2O5±B2O3 glass ceramics, Department of Metal- lurgical Engineering and Materials Science, I.I.T. Powai, Bombay-400076, India, 1999. Saatavissa: https://link-springer-
com.libproxy.tuni.fi/content/pdf/10.1023/A:1008949025635.pdf
[20] L. L. Hench, The story of Bioglass, J Mater Sci: Mater Med 17:967–978 DOI 10.1007/s10856-006-0432-z, 2006. Saatavissa:https://link-springer-com.lib- proxy.tuni.fi/content/pdf/10.1007/s10856-006-0432-z.pdf
[21] F. Bahmad Jr, S. N. Merchant SN, Histopathology of ossicular grafts and im- plants in chronic otitis media. Ann Otol Rhinol Laryngol,116(3):181–191.
doi:10.1177/000348940711600304, 2007. Saatavilla:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2556230/
[22] L. L. Hench, An introduction to bioceramics, second edition. 10.1142/P884, 2013. Saatavilla:
https://www.researchgate.net/publication/303420797_An_introduction_to_biocer amics_second_edition
[23] S. Hansson, A. Halldin, Alveolar ridge resorption after tooth extraction: A con- sequence of a fundamental principle of bone physiology. J Dent Biomech, 3:1758736012456543. doi:10.1177/1758736012456543, 2012. Saatavilla:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3425398/
[24] K. Aitasalo, I. Kinnunen, J. Palmgren, M. Varpula, Repair of orbital floor frac- tures with bioactive glass implants, 2001. Saatavilla: https://www-sciencedirect- com.libproxy.tuni.fi/science/article/pii/S0278239101519588
[25] https://www.bonalive.com/en/products/
[26] J. Zamet, U. Darbar, G. Griffiths, J. Bulman, U. Brägger, W. Bürgin, H. New- man, Particulate bioglass as a grafting material in the treatment of periodontal intrabony defects, J Clin Periodontol. 1997. Saatavilla:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9205920
[27] A. Banerjee, M. Hajatdoost-Sani, S. Farrell, I.Thompson, A clinical evaluation and comparison of bioactive glass and sodium bicarbonate air-polishing pow- ders, 2010. Saatavilla: https://www-sciencedirect-
com.libproxy.tuni.fi/science/article/pii/S0300571210000564
[28] J. Jones, D. Brauer, L. Hupa, D. Greenspan, Bioglass and bioactive glasses and their impact on healthcare, Department of Materials, Imperial College Lon- don, South Kensington Campus, London, SW7 2AZ, UK, 2016. Saatavilla:
https://spiral.imperial.ac.uk/bitstream/10044/1/41893/2/glass%20age%20bioglas s%20submitted%20endnote%20version%20spiral%20version.pdf
[29] P. Griss, D. C. Greenspan, G. Heimke, B. Krempien, R. Buchinger, L. L. Hench, G. Jentschura, Evaluation of a Bioglass Coated Al2O3 Total Hip Prosthesis in Sheep, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 10, No. 4, p. 511–518, 1976. Saatavilla: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/947914
[30] J. Wilson, G. H. Pigott, F. J. Schoen, L. L. Hench, Toxicology and Biocompati- bility of Bioglass, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 15, No. 6, p.
805, 1981. Saatavilla:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jbm.820150605
[31] L. L. Hench, J. M. Polak, I. D. Xynos, L. D. K. Buttery, Bioactive Materials to Control Cell Cycle, Material Research Innovations, Vol. 3, No. 6, pp. 313–323, 2000. Saatavilla: https://link.springer.com/article/10.1007/s100190000055 [32] The Mechanism of Bioactive Glass, 2019 Saatavilla:
https://www.thequartzcorp.com/2019/09/23/the-mechanism-of-bioactive-glass/
[33] W. Huang, D. E. Day, K. Kittiratanapiboon et al. Kinetics and mechanisms of the conversion of silicate (45S5), borate, and borosilicate glasses to hydroxyapatite in dilute phosphate solutions. J Mater Sci: Mater Med 17, 583–596, 2006. Saa- tavilla: https://link-springer-com.libproxy.tuni.fi/article/10.1007/s10856-006-9220- z
[34] A. Marikani, A. Maheswaran, M. Premanathan L. Amalraj, Synthesis and char- acterization of calcium phosphate based bioactive quaternary P 2O 5–CaO–Na
