Alkali-free bioactive glasses for bone regeneration

Bioactive glasses and glass-ceramics are a class of third generation biomaterials which elicit a special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissues. The purpose of the present study was to develop diopside based alkali-free bioactive glasses in order to achieve good sintering behaviour, high bioactivity, and a dissolution/ degradation rates compatible with the target applications in bone regeneration and tissue engineering. Another aim was to understand the structure-property relationships in the investigated bioactive glasses. In this quest, various glass compositions within the Diopside (CaMgSi2O6) – Fluorapatite (Ca5(PO4)3F) – Tricalcium phosphate (3CaO•P2O5) system have been investigated. All the glasses were prepared by melt-quenching technique and characterized by a wide array of complementary characterization techniques. The glass-ceramics were produced by sintering of glass powders compacts followed by a suitable heat treatment to promote the nucleation and crystallization phenomena. Furthermore, selected parent glass compositions were doped with several functional ions and an attempt to understand their effects on the glass structure, sintering ability and on the in vitro bio-degradation and biomineralization behaviours of the glasses was made. The effects of the same variables on the devitrification (nucleation and crystallization) behaviour of glasses to form bioactive glass-ceramics were also investigated. Some of the glasses exhibited high bio-mineralization rates, expressed by the formation of a surface hydroxyapatite layer within 1–12 h of immersion in a simulated body fluid (SBF) solution. All the glasses showed relatively lower degradation rates in comparison to that of 45S5 Bioglass®. Some of the glasses showed very good in vitro behaviour and the glasses co-doped with zinc and strontium showed an in vitro dose dependent behaviour. The as-designed bioactive glasses and glass–ceramic materials are excellent candidates for applications in bone regeneration and for the fabrication of scaffolds for tissue engineering.

Diopside-fluorapatite-wollastonite based bioactive glasses and glass-ceramics

Bioactive glasses and glass–ceramics are a class of biomaterials which elicit special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissue. This particular trait along with good sintering ability and high mechanical strength make them ideal materials for scaffold fabrication. The work presented in this thesis is directed towards understanding the composition-structure-property relationships in potentially bioactive glasses designed in CaOMgOP2O5SiO2F system, in some cases with added Na2O. The main emphasis has been on unearthing the influence of glass composition on molecular structure, sintering ability and bioactivity of phosphosilicate glasses. The parent glass compositions have been designed in the primary crystallization field of the pseudo-ternary system of diopside (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite (CaO•SiO2), followed by studying the impact of compositional variations on the structure-property relationships and sintering ability of these glasses. All the glasses investigated in this work have been synthesized via melt-quenching route and have been characterized for their molecular structure, sintering ability, chemical degradation and bioactivity using wide array of experimental tools and techniques. It has been shown that in all investigated glass compositions the silicate network was mainly dominated by Q2 units while phosphate in all the glasses was found to be coordinated in orthophosphate environment. The glass compositions designed in alkali-free region of diopside – fluorapatite system demonstrated excellent sintering ability and good bioactivity in order to qualify them as potential materials for scaffold fabrication while alkali-rich bioactive glasses not only hinder the densification during sintering but also induce cytotoxicity in vitro, thus, are not ideal candidates for in vitro tissue engineering. One of our bioglass compositions with low sodium content has been tested successfully both in vivo and in preliminary clinical trials. But this work needs to be continued and deepened. The dispersing of fine glass particles in aqueous media or in other suitable solvents, and the study of the most important factors that affect the rheology of the suspensions are essential steps to enable the manufacture of porous structures with tailor-made hierarchical pores by advanced processing techniques such as Robocasting.

Age and nature of 560–520 Ma calc-alkaline granitoids of Biarjmand, northeast Iran: insights into Cadomian arc magmatism in northern Gondwana

The Biarjmand granitoids and granitic gneisses in northeast Iran are part of the Torud–Biarjmand metamorphic complex, where previous zircon U–Pb geochronology show ages of ca. 554–530 Ma for orthogneissic rocks. Our new U–Pb zircon ages confirm a Cadomian age and show that the granitic gneiss is ~30 million years older (561.3 ± 4.7 Ma) than intruding granitoids(522.3 ± 4.2 Ma; 537.7 ± 4.7 Ma). Cadomian magmatism in Iran was part of an approximately 100-million-year-long episode of subduction-related arc and back-arc magmatism, which dominated the whole northern Gondwana margin, from Iberia to Turkey and Iran. Major REE and trace element data show that these granitoids have calc-alkaline signatures. Their zircon O (δ18O = 6.2–8.9‰) and Hf (–7.9 to +5.5; one point with εHf ~ –17.4) as well as bulk rock Nd isotopes (εNd(t)= –3 to –6.2) show that these magmas were generated via mixing of juvenile magmas with an older crust and/or melting of middle continental crust. Whole-rock Nd and zircon Hf model ages (1.3–1.6 Ga) suggest that this older continental crust was likely to have been Mesoproterozoic or even older. Our results, including variable zircon εHf(t) values, inheritance of old zircons and lack of evidence for juvenile Cadomian igneous rocks anywhere in Iran, suggest that the geotectonic setting during late Ediacaran and early Cambrian time was a continental magmatic arc rather than back-arc for the evolution of northeast Iran Cadomian igneous rocks.

Conformação automática de formas complexas em vidro de mesa

Os objectivos do presente trabalho foram a investigação dos principais defeitos que ocorrem nos produtos de vidro de mesa produzidos por processos automáticos e o desenvolvimento de novos vidros e tecnologias que permitam aumentar os rendimentos de produção, ou a flexibilidade da operação de conformação. A viscosidade influencia a facilidade de conformação dos produtos. Temperaturas de gota mais baixas, espessuras de parede de produtos mais elevadas e baixas áreas de transferência térmica facilitam a ocorrência de defeitos, sobretudo mecânicos e de superfície. Foram identificados os produtos de vidro de mesa que apresentam maiores dificuldades na conformação, designados por produtos de forma complexa. Por ser um factor relevante na prática, discutiu-se o efeito da quantidade de casco usado na elaboração dos vidros sobre a conformação de produtos de forma complexa. A quantidade de casco influencia a volatilização de fundentes que por sua vez tem efeito sobre as propriedades de trabalhabilidade do vidro. Desenvolveram-se novos vidros compatíveis com a utilização de queimos enriquecidos em oxigénio que são utilizados para reduzirem os defeitos mecânicos e de superfície nos produtos de vidros de mesa prensados. A compatibilidade vidro/tecnologia fez-se com uma modificação do sistema de afinação do vidro. Os vidros modificados apresentam propriedades físicoquímicas semelhantes à do vidro inicial e por isso indicam viabilidade comercial. A tecnologia dos canais corantes foi utilizada para modificar a trabalhabilidade de um vidro base a partir da introdução até 5 % de fritas incolores ricas em Li2O. Os valores de RMS (velocidade relativa de máquina) desceram de 106,8 % para 95,7 % enquanto os valores de Pt (patamar de trabalho) subiram de 100,6 s para 111,3 s com o aumento de frita. As propriedades físico-químicas dos vidros aditivados com frita indicam viabilidade comercial. Esta inovação tecnológica introduz flexibilidade nos processos industriais vidreiros. A composição química do vidro e por isso as propriedades relacionadas com a trabalhabilidade podem ser entendidas como mais uma variável dos processos de conformação e usadas em função das técnicas de conformação disponíveis, da forma dos objectos a conformar e da engenharia da ferramenta moldante utilizada. Foi observada convergência entre os resultados experimentais e os valores calculados a partir dos modelos de Huff e Fluegel nos principais parâmetros da tecnologia vidreira (RMS e Pt) e nas propriedades dos vidros nomeadamente densidade e coeficiente de dilatação térmico. Uma parte importante deste trabalho decorreu em ambiente industrial. Em temas relacionados com a investigação do processamento vidreiro industrial, a prática de desenvolver trabalho experimental integrado no próprio ambiente industrial está claramente documentada na bibliografia publicada em revistas e jornais de referência internacional. ABSTRACT: The research on the causes of major defects that occur in glass tableware products produced by automatic processes and the development of new glasses and technologies for increasing the production efficiency, or the flexibility of operation were the objectives of the Thesis project. Viscosity influences the flexibility of glass forming. Lower drop temperatures, high product wall thicknesses, or low areas of heat transfer facilitate the occurrence of defects, mainly mechanical and surface born. We identified the products of glass tableware showing the greatest difficulties in forming, designated as complex shape products. The effect of the amount of recycled glass used in the preparation of glass batches on the conformation of products of complex shapes and on glass workability is discussed. The amount of recycled glass affects the volatilization of glass modifiers which in turn have an effect on the glass properties and workability. New glasses which become compatible with the use of oxygen burners were formulated, tested and developed to the industrial use, oxygen enrichment being used to reduce the mechanical and surface defects in pressed glass tableware. Compatibility glass / technology was achieved with a modified system of tuning of the glass. The modified glasses have physical and chemical properties similar to the original glass and therefore are commercially viable. The technology of the colouring channels was used to change glass workability of a glass base by the introduction of up to 5 % Li2O rich in colourless frit. The values of RMS (relative machine speed) fell from 106.8 % to 95.7 % while the values of Pt (cooling time) increased from 100.6 s to 111.3 s by the introduction of glass frits. The physico-chemical properties of the modified glass show commercial viability. This technology introduces flexibility in industrial processes of glass. The chemical composition of glass and therefore the properties related to workability can be understood as another variable of the glass forming processes and used according to the available forming techniques, the shape of objects and the engineering tools used for the moulds. Convergence was observed between experimental and predicted from Huff and Fluegel models in studying the properties of glasses. An important part of this work was done inside the industrial environment. On issues related to the investigation of the glass processing inside the industry, the practice of developing experimental work integrated in the industrial environment is clearly documented and referenced in the published literature in international journals and periodicals.

Avaliação do desempenho in vivo do biovidro FastOs™

O conceito de bioatividade surgiu com a descoberta, no início década de 70, de que algumas composições vítreas (ex.: 45S5 Bioglass®), tinham a capacidade de estabelecer uma ligação direta e estável com os tecidos vivos. Desde então, este grupo de biomateriais tem vindo a receber uma atenção cada vez maior por parte dos investigadores, tendo como motivação principal a busca de novas composições com propriedades mais adequadas para a regeneração óssea do que as composições comercialmente disponíveis. Na presente tese, avaliou-se o desempenho in vivo de duas composições de biovidro do sistema diopsite (CaMgSi2O6) - fluorapatite (Ca5(PO4)3F) - fosfato tricálcico (3CaO•P2O5) aplicados em defeitos ósseos de tamanho não crítico em carneiros, tendo também sido avaliada a biocompatibilidade dos biomateriais através da aplicação subcutânea de placas dos mesmos vidros. O trabalho realizado também incluiu a avaliação dos materiais in vitro, através de estudos de biomineralização em fluido corporal simulado e estudos de degradação. Os biomateriais foram comparados com o biovidro 45S5 Bioglass®, sendo que em termos de bioatividade in vitro, as duas composições investigadas apresentaram um maior potencial bioativo, levando à formação de uma camada superficial de hidroxiapatite carbonatada, em contraste com a formação de calcite na composição comercial, sob condições idênticas. Os testes de degradação in vitro também apresentaram resultados melhores para as duas novas composições, traduzidos por variações de pH e taxas de degradação menores do que os observados no caso do 45S5 Bioglass®. A avaliação in vivo dos implantes subcutâneos permitiu apurar a biocompatibilidade dos biovidros testados, tendo sido considerados ligeiramente irritantes. Os resultados relativos à aplicação dos pós de vidro bioativo nos defeitos ósseos não foram obtidos em tempo útil de modo a poderem ser incluídos na presente tese. Considerando o desempenho in vitro e a biocompatibilidade dos materiais estudados, estes podem apontar-se como materiais promissores para aplicações em engenharia de tecidos, particularmente na regeneração do tecido ósseo.

A actividade sintética de hMSCs em contacto com vidros bioativos

Os vidros bioativos constituem um material apropriado para o preenchimento de defeitos ósseos, como alternativa a enxertos autólogos, uma vez que, quando expostos a fluidos fisiológicos promovem a formação de uma ligação com o tecido ósseo sob a forma de uma camada de hidroxiapatite carbonatada. No presente trabalho caracterizaram-se vidros bioativos sem conteúdo alcalino, cuja composição incide no sistema binário de diópsido (CaMgSi2O6) e fosfato de tricálcio (3CaO·P2O5), em função da sua molhabilidade, carga superficial, perfil de degradação, carácter bioativo em fluido fisiológico simulado e do seu comportamento in vitro em contacto com células estaminais mesenquimais humanas (hMSCs). A medição do ângulo de contacto inicial de água sobre os vidros demonstrou o carácter hidrofílico dos vidros investigados. A determinação do potencial zeta mostrou que a carga superficial dos vidros é negativa, sendo mais negativa na composição Di-70. O estudo da biodegradação dos vidros, efetuado através da sua imersão em Tris-HCl, permitiu concluir que a perda de peso dos vidros foi reduzida. A caraterização in vitro em meio acelular foi efetuada através da imersão dos vidros numa solução de fluido fisiológico simulado (SBF) e verificou-se que estes possuem capacidade de formar uma camada de hidroxiapatite carbonatada à sua superfície após 7 dias, detetável por XRD, FTIR e SEM/EDS, sugerindo que este conjunto de vidros é potencialmente bioativo, e poderá estimular a proliferação e diferenciação celular. A resposta das hMSCs em cultura aos vidros bioativos foi avaliada em termos de atividade metabólica, morfologia, viabilidade, proliferação e diferenciação osteogénica e conclui-se que os biovidros Di-60 e Di-70 poderão constituir um suporte viável para a proliferação e diferenciação de hMSCs.