Synthesis and Modification of Bioactive Glass Nanoparticles for Biomedical Applications

Synthese und Modifizierung von bioaktiven Glasnanopartikeln für biomedizinische Anwendungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-86519
  • Bioactive glasses (BG) are attractive materials for biomedical applications, especially for bone regeneration, owing to their unique properties such as bone-bonding ability. Although BG alone can be used for treating bone defects, BG suffer from limitations, such as low fracture toughness, preventing their efficient use. Nanocomposites containing BG thus stand out as promising materials being able to overcome the limitations of using only BG. In this context, bioactive glass nanoparticles (BGN) are considered suitable building blocks for composites in comparison to micron-sized BG, due to their morphological characteristics (e.g. large surface-to-volume ratio) leading to superiorBioactive glasses (BG) are attractive materials for biomedical applications, especially for bone regeneration, owing to their unique properties such as bone-bonding ability. Although BG alone can be used for treating bone defects, BG suffer from limitations, such as low fracture toughness, preventing their efficient use. Nanocomposites containing BG thus stand out as promising materials being able to overcome the limitations of using only BG. In this context, bioactive glass nanoparticles (BGN) are considered suitable building blocks for composites in comparison to micron-sized BG, due to their morphological characteristics (e.g. large surface-to-volume ratio) leading to superior nanocomposites, usually with enhanced mechanical properties. BGN can be produced by either conventional melting-quench methods or sol-gel based methods. The latter methods are currently preferred for BGN synthesis, considering their versatility. Dispersion in liquid solvents and composition are two of the most significant factors affecting the consequent properties of nanoparticles. SiO2-CaO based BGN with good dispersity have been synthesized by carefully controlling processing parameters. However, there are still challenges to produce highly dispersed BGN in a reproducible manner, especially those containing multifold metallic ions. In this work, monodispersed SiO2-CaO based BGN were achieved by conveniently controlling an important processing parameter that is the addition timing of the calcium (Ca) precursor in a modified Stöber method. The influence of this parameter on the morphology, dispersity, and composition of the resulting BGN was thoroughly investigated. The addition timing was found to affect the morphology, dispersity, and composition of BGN, however, no significant influence on structural characteristics of the nanoparticles was observed. In addition, the synthesized BGN exhibited monodispersity, apatite-forming ability, non-cytotoxicity and ion-releasing ability, showing their potential for biomedical applications, such as for bone regeneration. The incorporation of biologically active ions apart from Ca ions can bring in novel functionalities to BGN. To endow the developed monodispersed BGN with functionalities in addition to osteogenic activity, copper (Cu) and zinc (Zn) ions were incorporated into BGN through different routines. Cu ions were introduced through the developed modified Stöber method, while Zn ions were introduced using a post-modification strategy by coating ZnO quantum dots (QDs) on SiO2-CaO based BGN. Both doped BGN remained highly dispersed, spherical, exhibiting apatite-forming ability and being non-cytotoxic. More importantly, Cu-BGN exhibited a sustained release of Cu ions that is interesting to applications involving vascularization given the angiogenic potential of Cu, while ZnO-BGN possessed both the properties of BGN and ZnO QDs including apatite-forming ability, fluorescence, the pH-sensitive release of Zn ions, as well as antibacterial and osteogenic activities. Besides biologically active ions, biomolecules can also be used to modify BGN for achieving unique properties. Lysozyme (LY) was used to functionalize BGN via electrostatic interactions. The LY functionalized BGN (LY-BGN) remained monodispersed, spherical morphology and homogenous in size, as well as showing apatite-forming ability and efficient antibacterial activity. Notably, these LY-BGN exhibited stronger cytotoxicity towards cancerous cells but less or no cytotoxicity towards healthy cells at proper concentrations. LY-BGN were thus expected to be suitable materials for the treatment of bone defects caused by tumors. In summary, a convenient synthesis routine for producing highly dispersed BGN was established by carefully controlling the addition timing of metallic precursors. Functional BGN-based nanocomposite particles were synthesized through post-modification strategies by using quantum dots and biomolecules as modification agents. These developed nanomaterials could be applied in combination with biopolymers and they are expected to be effective to treat bone defects, considering their unique physical and biological characteristics.show moreshow less
  • Bioaktive Gläser (BG) sind attraktive Materialien für biomedizinische Anwendungen, insbesondere für die Knochenregeneration, aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Knochenbindung. Obwohl BG allein zur Behandlung von Knochendefekten verwendet werden kann, leidet es unter Einschränkungen wie Sprödigkeit, die die effiziente Verwendung verhindern. Nanokomposite, die BG enthalten, zeichnen sich daher als vielversprechende Materialien aus, die die Limitierungen des Einsatzes von BG allein überwinden können. In diesem Zusammenhang werden bioaktive Glasnanopartikel (BGN) aufgrund ihrer morphologischen Eigenschaften (z.B. großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis) imBioaktive Gläser (BG) sind attraktive Materialien für biomedizinische Anwendungen, insbesondere für die Knochenregeneration, aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Knochenbindung. Obwohl BG allein zur Behandlung von Knochendefekten verwendet werden kann, leidet es unter Einschränkungen wie Sprödigkeit, die die effiziente Verwendung verhindern. Nanokomposite, die BG enthalten, zeichnen sich daher als vielversprechende Materialien aus, die die Limitierungen des Einsatzes von BG allein überwinden können. In diesem Zusammenhang werden bioaktive Glasnanopartikel (BGN) aufgrund ihrer morphologischen Eigenschaften (z.B. großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis) im Vergleich zu mikrometergroßem BG als geeignete Bausteine für Nanokomposite betrachtet, was zu ganzheitlicheren Verbundwerkstoffen und meist verbesserten mechanischen Eigenschaften führt . BGN kann entweder durch herkömmliche Schmelz-Quench-Verfahren oder durch Sol-Gel-basierte Verfahren hergestellt werden. Die letzteren Verfahren werden derzeit für die BGN-Synthese bevorzugt, auf Grund ihrer größeren Vielseitigkeit. Die Verteilung in flüssigen Lösungsmitteln und die Zusammensetzung sind zwei der wichtigsten Faktoren, die die resultierenden Eigenschaften von Nanopartikeln beeinflussen. SiO2-CaO-basiertes BGN mit guter Dispergierbarkeit wurde durch sorgfältige Kontrolle der Prozessparameter synthetisiert. Jedoch existieren immer noch Schwierigkeiten, hochdisperses BGN in reproduzierbarer Weise herzustellen, insbesondere solche mit vielzähligen Metallionen. In dieser Arbeit wurde monodisperses SiO2-CaO-basiertes BGN durch geeignete Kontrolle eines wichtigen Verarbeitungsparameters erreicht, welcher der Additionszeitpunkt des Kalzium (Ca) -Vorläufers in einem modifizierten Stöber-Verfahren ist. Der Einfluss dieses Parameters auf die Morphologie, Dispersität und Zusammensetzung des resultierenden BGN wurde sorgfältig untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Additionszeitpunkt die Morphologie, Dispersität und Zusammensetzung des BGN beeinflusst, wobei jedoch kein signifikanter Einfluss auf die strukturellen Eigenschaften der Nanopartikel beobachtet wurde. Zusätzlich zeigte das synthetisierte BGN Monodispersität, Apatit-bildende Fähigkeit, Nicht-Zytotoxizität und Ionenfreisetzungsfähigkeit, die ihr Potenzial für biomedizinische Anwendungen, wie für die Knochenregeneration, zeigen. Der Einbau von biologisch aktiven Ionen abgesehen von Ca-Ionen kann dem BGN neue Funktionen hinzufügen. Um das entwickelte monodisperse BGN mit Funktionalitäten neben der osteogenen Aktivität zu versehen, wurden Kupfer (Cu) und Zink (Zn)-Ionen durch verschiedene Prozeduren in das BGN eingebaut. Cu-Ionen wurden durch das entwickelte modifizierte Stöber-Verfahren eingeführt, während Zn-Ionen durch Verwendung einer post-Modifizierungsstrategie mittels Beschichten von ZnO-Quantenpunkten (QDs) auf SiO2-CaO-basiertem BGN eingeführt wurden. Beide dotierten BGN blieben hoch dispergiert, sphärisch, zeigten apatitbildende Fähigkeit und waren nicht zytotoxisch. Zusätzlich zeigte Cu-BGN eine durchgehende Freisetzung von Cu-Ionen, was aufgrund des angiogenen Potentials von Cu für Anwendungen die Vaskularisierung beinhalten interessant ist, während ZnO-BGN sowohl die Eigenschaften von BGN- als auch ZnO-QDs, einschließlich die Fähigkeit zur Apatitbildung, Fluoreszenz, pH-sensitive Freisetzung von Zn-Ionen sowie antibakterielle und osteogene Aktivitäten besaß. Neben biologisch aktiven Ionen können Biomoleküle auch verwendet werden, um BGN zu modifizieren, um einzigartige Eigenschaften zu erreichen. Lysozym (LY) wurde verwendet, um BGN durch elektrostatische Wechselwirkungen zu funktionalisieren. Das LY-funktionalisierte BGN (LY-BGN) blieb monodispergiert, sphärisch in der Morphologie und homogen in der Größe und zeigte apatitbildende Fähigkeit und effiziente antibakterielle Aktivität. Bemerkenswerterweise zeigten diese LY-BGN eine stärkere Zytotoxizität gegenüber Krebszellen, aber weniger oder keine Zytotoxizität gegenüber gesunden Zellen bei geeigneten Konzentrationen. Daher wurden LY-BGN als geeignete Materialien für die Behandlung von Knochendefekten, die durch Tumore verursacht wurden, angenommen. Zusammenfassend wurde eine geeignete Syntheseroutine zur Herstellung von hoch dispergiertem BGN durch sorgfältige Kontrolle des Zugabezeitpunktes von metallischen Vorprodukten entwickelt. Funktionelle BGN-basierte Nanokompositpartikel wurden durch post-Modifikationsstrategien unter Verwendung von Quantenpunkten und Biomolekülen als Modifikationsmittel synthetisiert. Diese entwickelten Nanomaterialien könnten in Kombination mit Biopolymeren angewendet werden, und es wird erwartet, dass sie aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und biologischen Eigenschaften Knochenfehler heilen können.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Kai Zheng
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-86519
Referee:Aldo Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2017
Date of online publication (Embargo Date):2017/07/31
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2017/03/22
Release Date:2017/08/07
Tag:Bioactive glasses; Bone regeneration; Nanoparticles
SWD-Keyword:Glas; Biomaterial; Sol-gel-prozess
Length/size:1 – 152
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0