Effet de l'oxyde de germanium sur les aspects structurels et la bioactivité du verre silicaté bioactif

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9582 (2023) Citer cet article

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Du verre de silicate ternaire (69SiO2–27CaO–4P2O5) a été synthétisé par voie sol-gel, et différents pourcentages d'oxyde de germanium GeO2 (6,25, 12,5 et 25 %) et d'acide polyacrylique (PAA) ont été ajoutés. Les calculs DFT ont été effectués au niveau théorique B3LYP/LanL2DZ pour la modélisation moléculaire. La diffraction des rayons X sur poudre (XRPD) a été utilisée pour étudier l’effet du GeO2/PAA sur les propriétés structurelles. Les échantillons ont ensuite été caractérisés à l’aide de tests DSC, ART-FTIR et mécaniques. Des tests de bioactivité et antibactériens ont été évalués pour retracer l'influence du GeO2 sur la biocompatibilité avec les systèmes biologiques. Les résultats de la modélisation démontrent que le potentiel électrostatique moléculaire (MESP) indique une amélioration de l'électronégativité des modèles étudiés. Alors que le moment dipolaire total et l’énergie HOMO/LUMO reflètent la réactivité accrue de la molécule P4O10. Les résultats du XRPD ont confirmé la formation des échantillons et révélé la corrélation entre la cristallinité et les propriétés, montrant que l'hydroxyapatite cristalline (HA) est clairement formée dans les pourcentages les plus élevés de GeO2, proposant 25 % comme candidat solide pour les applications médicales, conformément aux résultats de propriétés mécaniques et le reste des résultats de caractérisation. Des expériences in vitro sur des fluides corporels simulés (SBF) ont montré une biocompatibilité prometteuse. Les échantillons ont montré une antimicrobienne et une bioactivité remarquables, l'effet le plus fort étant de 25 %. Les résultats expérimentaux de cette étude ont révélé que l’incorporation de GeO2 dans le verre en termes de caractéristiques structurelles, de bioactivité, de propriétés antimicrobiennes et de propriétés mécaniques est avantageuse pour les domaines biomédicaux et notamment pour les applications dentaires.

Le verre bioactif est composé de réseaux tridimensionnels de silicate/phosphate, la plupart d'entre eux sont basés sur Na2O, CaO, P2O5 et SiO2 et pourraient être mis en œuvre dans un système biologique formant des liaisons chimiques fortes avec les os1,2. Il est dédié entre autres aux biomatériaux à différentes applications biomédicales2,3. Récemment, le ciment bioglass (BGC) a été utilisé pour combler les vides et les fractures, en raison de sa nature adhésive, de sa radio-opacité et de sa durabilité. Grâce à la réaction acide-base entre le verre ionomère et l’acide polyacrylique (PAA) aqueux, il peut se lier chimiquement aux os4. De plus, outre leur capacité à se lier chimiquement aux os, ils sont fragiles en tension, ce qui réduit leur utilisation pour stabiliser une fracture enceinte5. Le BGC a été utilisé à la fois dans les applications oto-rhino-laryngologiques (ORL) et dentaires6,7,8,9,10,11. Les avantages de l’utilisation du BGC en dentisterie sont nombreux, notamment la biocompatibilité, la bioactivité, la stabilité dimensionnelle élevée, la bonne résistance à la rupture cohésive et le retrait négligeable lors de l’installation. Des efforts ont été faits pour améliorer ces matériaux et les utiliser pour des applications biomédicales12,13,14. L'oxyde de germanium est un composé inorganique qui peut jouer un rôle majeur lorsqu'il est utilisé dans les BGC pour améliorer leurs propriétés. Il a la capacité théorique de remplacer le Si dans le réseau du verre15,16. Des recherches antérieures ont montré que le GeO2 était incorporé dans du verre ionomère à base de borate (BGG) 17,18. il a été constaté qu'il y a une augmentation du temps de prise et du temps de travail (propriétés de manipulation) formulés à partir de ces verres suite à l'incorporation de Ge, car cela réduit le nombre d'oxygènes non pontés (NBO) dans le réseau de verre, ce qui entraîne une réduction de la configuration. et les horaires de travail19. Dickey et al.20 ont mentionné des verres ioniques à base de Ge et n'ont pas réussi à évaluer si ce ciment était injectable ou non pour une utilisation dans la stabilisation vertébrale. D’un autre côté, la modélisation moléculaire à différents niveaux de théorie pourrait être utilisée pour mener à bien les efforts expérimentaux visant à élucider les structures moléculaires de nombreux systèmes et composés. En ce sens, des modèles de verre ont été générés à l’aide de simulations MD pour étudier différents facteurs imitant l’activité des cations afin d’élucider les propriétés physiques et chimiques21. Une autre approche a été utilisée par voie ab initio pour étudier divers paramètres physiques du verre22. DFT a été utilisé pour étudier la relation structure-performance pour les composites de polypropylène modifiés avec de l'oxyde de graphène réduit rGO23. Il est indiqué que le DFT a été utilisé avec succès pour calculer l’énergie d’activation. Il est également indiqué que des méthodes informatiques pourraient être appliquées pour étudier les interactions physiques, chimiques et biologiques du verre et de l’hydroxyapatite. Il a été utilisé avec d'autres outils de caractérisation pour élucider l'effet de paramètres physiques tels que la température sur la bioactivité in vitro, les propriétés moléculaires et mécaniques de l'hydroxyapatite24,25,26. Sur la base de l’activité biologique et des propriétés moléculaires uniques, ces classes de composés ont ensuite été dédiées à diverses applications biomédicales27,28.