A comparative assessment of bioactive glasses 45S5, S53P4, 58s and MBG 58S: Physical, chemical, bioactive, and biological properties

Abstract

Os vidros bioativos (BG) têm sido investigados como enxertos sintéticos para a regeneração óssea devido às suas propriedades favoráveis de osteocondutividade, angiogênese, osteogênese e propriedades antibacterianas. Essas características estão intrinsicamente ligadas à sua composição química e morfologia, e os métodos tradicionais para a produção de biovidros incluem processos de fusão e sol-gel. O objetivo deste trabalho foi realizar uma revisão sistemática fornecendo uma visão geral da aplicação in vivo de várias composições de vidros bioativos como enxertos para defeitos ósseos críticos, juntamente com a avaliação da reatividade química de quatro diferentes vidros bioativos: BG 45S5 e S53P4 produzidos pelo processo de fusão, e BG 58S e Mesoporoso 58S através da técnica sol-gel. A revisão da literatura seguiu as diretrizes do Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) e abrangeu artigos publicados até 30 de abril de 2023, em duas bases de dados eletrônicas: PubMed/Medline e Web of Science. Entre os 20 artigos incluídos, um total de 547 animais (433 ratos e 107 coelhos) foram envolvidos nos estudos in vivo, com um período médio de acompanhamento de 12 semanas. Foram identificados dois principais grupos de vidros bioativos: scaffolds (13 estudos) e partículas (7 estudos). Para a análise laboratorial, as amostras passaram por caracterização físico-química usando SEM e análise de adsorção/dessorção de N2 para o pó de MBG. A reatividade química foi avaliada por meio de SEM, EDS, FTIR e análise de Ca/P após imersão em fluido corporal simulado (SBF) por 8, 24 e 72 horas. As partículas de MBG apresentaram um volume de poros de 0,20 cm3/g, um diâmetro de poro de aproximadamente 14,29 nm e uma área superficial de 77,20 m2/g, conforme determinado por análises de BJH e BET. Todas as amostras exibiram a composição química esperada e apresentaram uma notável perda de Si wt.% e um aumento significativo de P wt.% após 72 horas de imersão em SBF. Após 72 horas em SBF, todas as amostras alcançaram uma razão Ca/P de aproximadamente 2,00, alinhando-se de perto com o valor de referência da razão molar da apatita biológica não estequiométrica de 1,67 Ca/P. O comportamento biológico foi avaliado usando o ensaio metabólico MTS, e a viabilidade celular foi avaliada usando a linha celular de fibroblastos murinos L929 ao longo de 24, 48 e 72 horas. Os testes biológicos revelaram um comportamento não citotóxico para os vidros bioativos produzidos por fusão, enquanto os vidros bioativos produzidos pelo processo sol-gel sugerem um comportamento citotóxico dependente da concentração e do tempo.idade elétrica e boa blindagem de interferência eletromagnética.

Abstract: Bioactive glasses (BG) have been investigated as synthetic grafts for bone regeneration due to their favorable osteoconductive, angiogenic, osteogenic, and antibacterial properties. These traits are inherently connected to their chemical composition and morphology, and traditional methods for producing bioglasses include melting and sol-gel processes. The purpose of this work was to conduct a systematic review providing an overview of the in vivo application of various compositions of bioactive glasses as grafts for critical bone defects, along with evaluating the chemical reactivity of four different bioactive glasses: BG 45S5 and S53P4 produced through the melt-derived process, and BG 58S and Mesoporous 58S through the sol- gel technique. The literature review followed the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) guidelines and covered articles published until April 30, 2023, in two electronic databases: PubMed/Medline and Web of Science. Among the 20 included papers, a total of 547 animal subjects (433 rats and 107 rabbits) were enrolled in the in vivo studies, with an average follow-up period of 12 weeks. Two main groups of bioactive glasses were identified: scaffolds (13 studies) and particles (7 studies). For the laboratory analysis, samples underwent physicochemical characterization using SEM and N2 adsorption/desorption analysis for MBG powder. Chemical reactivity was assessed through SEM, EDS, FTIR, and Ca/P analysis after immersion in simulated body fluid (SBF) for 8, 24, and 72 h. MBG particles displayed a pore volume of 0.20 cm3/g, a pore diameter of approximately 14.29 nm, and a surface area of 77.20 m2/g, as determined by BJH and BET analyses. All samples exhibited the anticipated chemical composition and exhibited notable Si wt.% loss and significant P wt.% increase after 72 h of SBF immersion. After 72 h in SBF, all samples achieved a Ca/P ratio of approximately 2.00, closely aligning with the reference value of the non-stoichiometric biological apatite molar ratio of 1.67 Ca/P. Biological behavior was evaluated using the MTS metabolic assay, and cell viability was assessed using the murine fibroblast cell line L929 over 24, 48, and 72 h. The biological tests revealed a non-cytotoxic behavior for the melt-derived bioactive glasses, whereas the sol-gel-derived bioactive glasses suggest a concentration and time-dependent cytotoxic behavior.