Bioactive inorganic materials/alginate composite microspheres with controllable drug-delivery ability

Alginate microspheres are considered a promising material as a drug carrier in bone repair due to excellent biocompatibility, but their main disadvantage is low drug entrapment efficiency and non-controllable release. The aim of this study was to investigate the effect of incorporating mesoporous bioglass (MBG), non-mesoporous bioglass (BG) or hydroxyapatite (HAp) into alginate microspheres on their drug-loading and release properties. X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and atomic emission spectroscopy (AES) were used to analyse the composition, structure and dissolution of bioactive inorganic materials and their microspheres. Dexamethasone (DEX)-loading and release ability of four microspheres were tested in phosphate buffered saline with varying pHs. Results showed that the drug-loading capacity was enhanced with the incorporation of bioactive inorganic materials into alginate microspheres. The MBG/Alginate microspheres had the highest drug loading ability. DEX release from alginate microspheres correlated to the dissolution of MBG, BG and HAp in PBS, and that the pH was an efficient factor in controlling the DEX release; a high pH resulted in greater DEX release, whereas a low pH delayed DEX release. In addition, MBG/alginate, BG/alginate and HAp/alginate microspheres had varying apatite-formation and dissolution abilities, which indicate that the composites would behave differently with respect to bioactivity. The study suggests that microspheres made of a composite of bioactive inorganic materials and alginate have a bioactivity and degradation profile which greatly improves their drug delivery capacity, thus enhancing their potential applications as bioactive filler materials for bone tissue regeneration.

Advanced Bioactive Inorganic Materials for Bone Regeneration and Drug Delivery

Bioceramics play an important role in repairing and regenerating bone defects. Annually, more than 500,000 bone graft procedures are performed in the United states and approximately 2.2 million are conducted worldwide. The estimated cost of these procedures approaches $2.5billion per year. Around 60% of the bone graft substitutes available on the market involve bioceramics. It is reported that bioceramics in the world market increase by 9% per year. For this reason, the research of bioceramics has been one of the most active areas during, the past several years. Considering the significant importance of bioceramics, our goal was to compile this book to review the latest research advances in the field of bioceramics. The text also summarizes our work during the past 10 years in an effort to share innovative concepts, design of bioceramisc, and methods for material synthesis and drug delivery. We anticipate that this text will provide some useful information and guidance in the bioceramics field for biomedical engineering researchers and material scientists. Information on novel mesoporous bioactive glasses and silicate-based ceramics for bone regeneration and drug delivery are presented. Mesoporous bioactive glasses have shown multifunctional characteristics of bone regeneration and drug delivery due to their special mesopore structures,whereas silicated-based bioceramics, as typical third-generation biomaterials,possess significant osteostimulation properties. Silica nanospheres with a core-shell structure and specific properties for controllable drug delivery have been carefully reviewed-a variety of advanced synthetic strategies have been developed to construct functional mesoporous silica nanoparticles with a core-shell structure, including hollow, magnetic, or luminescent, and other multifunctional core-shell mesoporous silica nanoparticles. In addition, multifunctional drug delivery systems based on these nanoparticles have been designed and optimized to deliver the drugs into the targeted organs or cells,with a controllable release fashioned by virtue of various internal and external triggers. The novel 3D-printing technique to prepare advanced bioceramic scaffolds for bone tissue engineering applications has been highlighted, including the preparation, mechanical strength, and biological properties of 3D-printed porous scaffolds of calcium phosphate cement and silicate bioceramics. Three-dimensional printing techniques offer improved large-pore structure and mechanical strength. In addition , biomimetic preparation and controllable crystal growth as well as biomineralization of bioceramics are summarized, showing the latest research progress in this area. Finally, inorganic and organic composite materials are reviewed for bone regeneration and gene delivery. Bioactive inorganic and organic composite materials offer unique biological, electrical, and mechanical properties for designing excellent bone regeneration or gene delivery systems. It is our sincere hope that this book will updated the reader as to the research progress of bioceramics and their applications in bone repair and regeneration. It will be the best reward to all the contributors of this book if their efforts herein in some way help reader in any part of their study, research, and career development.

Nanocrystalline Janus films of inorganic materials prepared at the liquid-liquid interface

The interface between toluene and water has been employed to prepare ultrathin Janus nanocrystalline films of metal oxides, metal chalcogenides and gold, wherein the surface on the organic-side is hydrophobic and the aqueous-side is hydrophilic. We have changed the nature of the metal precursor or capping agent in the organic layer to increase the hydrophobicity. The strategy employed for this purpose is to increase the length of the alkane chain in the precursor or use a perfluroalkane derivative as precursor or as a capping agent. The hydrophobicity and hydrophilicity of the Janus films have been determined by contact angle measurements. The morphology of hydrophobic and hydrophilic sides of the film have been examined by field emission scanning electron microscopy.

ChemInform Abstract: Chemical Design of Solid Inorganic Materials

Newer strategies for the synthesis of inorganic solids have made a great impact on present-day materials chemistry. In this article, typical case studies of synthesis involving new methods and soft chemical routes are discussed besides recent results from nebulized spray pyrolysis and synthesis of nanoscale metal and alloy particles.

Ba(3)(P(1-x)Mn(x)O(4))(2): Blue/green inorganic materials based on tetrahedral Mn(V)

We describe a blue/green inorganic material, Ba(3)(P(1-x)-Mn(x)O(4))(2) (I) based on tetrahedral MnO(4)(3-):3d(2) chromophore. The solid solutions (I) which are sky-blue and turquoise-blue for x <= 0.25 and dark green for x >= 0-50, are readily synthesized in air from commonly available starting materials, stabilizing the MnO(4)(3-) chromophore in an isostructural phosphate host. We suggest that the covalency/ionicity of P-O/Mn-O bonds in the solid solutions tunes the crystal field strength around Mn(V) such that a blue colour results for materials with small values of x. The material could serve as a nontoxic blue/green inorganic pigment.

The relevance of metal organic frameworks (MOFs) in inorganic materials chemistry

The metal organic frameworks (MOFs) have evolved to be an important family and a corner stone for research in the area of inorganic chemistry. The progress made since 2000 has attracted researchers from other disciplines to actively engage themselves in this area. This cooperative synergy of different scientific believes have provided important edge and spread to the chemistry of metal-organic frameworks. The ease of synthesis coupled with the observation of properties in the areas of catalysis, sorption, separation, luminescence, bioactivity, magnetism, etc., are a proof of this synergism. In this article, we present the recent developments in this area.

Dibenzodioxin adsorption on inorganic materials

Dibenzodioxin adsorption/desorption on solid surfaces is an important issue associated with the formation, adsorption, and emission of dioxins. Dibenzodioxin adsorption/desorption behaviors on inorganic materials (amorphous/mesoporous silica, metal oxides, and zeolites) were investigated using in situ FT-IR spectroscopy and thermogravimetric (TG) analysis. Desorption temperatures of adsorbed dibenzodioxin are very different for different kinds of inorganic materials: similar to 200 degrees C for amorphous/mesoporous silica, similar to 230 degrees C for metal oxides, and similar to 450 degrees C for NaY and mordenite zeolites. The adsorption of dibenzodioxin can be grouped into three categories according to the red shifts of the IR band at 1496 cm(-1) of the aromatic ring for the adsorbed dibenzodioxin: a shift of 6 cm-1 for amorphous/mesoporous silica, a shift of 10 cm(-1) for metal oxides, and a shift of 14 cm(-1) for NaY and mordenite, suggesting that the IR shifts are proposed to associated with the strength of the interaction between adsorbed dibenzodioxin and the inorganic materials. It is proposed that the dibenzodioxin adsorption is mainly via the following three interactions: hydrogen bonding with the surface hydroxyl groups on amorphous/mesoporous silica, complexation with Lewis acid sites on metal oxides, and confinement effect of pores of mordenite and NaY with pore size close to the molecular size of dibenzodioxin.

Thermal evaporation furnace with improved configuration for growing nanostructured inorganic materials

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

Integration Principles of Russian and Japanese Databases on Inorganic Materials

The methods and software for integration of databases (DBs) on inorganic material and substance properties have been developed. The information systems integration is based on known approaches combination: EII (Enterprise Information Integration) and EAI (Enterprise Application Integration). The metabase - special database that stores data on integrated DBs contents is an integrated system kernel. Proposed methods have been applied for DBs integrated system creation in the field of inorganic chemistry and materials science. Important developed integrated system feature is ability to include DBs that have been created by means of different DBMS using essentially various computer platforms: Sun (DB "Diagram") and Intel (other DBs) and diverse operating systems: Sun Solaris (DB "Diagram") and Microsoft Windows Server (other DBs).