الزجاج النشط بيولوجيًا

الزجاج النشط بيولوجيًا كما يُرى من خلال المجهر الإلكتروني [ 1 ]

الزجاج الحيوي النشط هو مجموعة من المواد الحيوية الزجاجية الخزفية ذات التفاعل السطحي، ويشمل الزجاج الحيوي النشط الأصلي، المعروف باسم "بيو جلاس" . وقد أدى التوافق الحيوي والنشاط الحيوي لهذه الأنواع من الزجاج إلى استخدامها كأجهزة زرع في جسم الإنسان لإصلاح واستبدال العظام المريضة أو التالفة . [ 2 ] معظم أنواع الزجاج الحيوي النشط هي زجاج سيليكاتي قابل للتحلل في سوائل الجسم، ويمكن أن يعمل كناقل للأيونات المفيدة للشفاء. يتميز الزجاج الحيوي النشط عن مواد ترقيع العظام الاصطناعية الأخرى (مثل هيدروكسي أباتيت ، وفوسفات الكالسيوم ثنائي الطور، وكبريتات الكالسيوم) بكونه الوحيد الذي يمتلك خصائص مضادة للعدوى ومحفزة لتكوين الأوعية الدموية . [ 3 ]

تاريخ

الاكتشاف والتطوير

قام لاري هينش وزملاؤه في جامعة فلوريدا بتطوير هذه المواد لأول مرة عام 1969 [ 4 ] ، ثم قام فريقه البحثي في ​​إمبريال كوليدج لندن وباحثون آخرون حول العالم بتطويرها لاحقًا. بدأ هينش عملية التطوير بتقديم فرضية مقترحة إلى قيادة البحث والتطوير الطبي التابعة للجيش الأمريكي عام 1968، استنادًا إلى نظريته القائلة بأن الجسم يرفض المواد المعدنية أو البوليمرية ما لم يتمكن من تكوين طبقة من هيدروكسيباتيت الموجود في العظام. [ 5 ] حصل هينش وفريقه على تمويل لمدة عام، وبدأوا العمل على ما سيصبح لاحقًا تركيبة 45S5. [ 5 ] سجلت جامعة فلوريدا اسم "الزجاج الحيوي" كعلامة تجارية لتركيبة 45S5 الأصلية. لذا، يجب استخدامه فقط للإشارة إلى تركيبة 45S5 وليس كمصطلح عام للزجاج الحيوي النشط. [ 6 ]

من خلال استخدامنا2يا-كاو-SiO2{\displaystyle {\ce {Na2O-CaO-SiO2}}}مخطط الطور، اختار هينش تركيبة بنسبة 45%SiO2{\displaystyle {\ce {SiO2}}}24.5%نا2يا{\displaystyle {\ce {Na2O}}}24.5%كاو{\displaystyle {\ce {CaO}}}و6%P2يا5{\displaystyle {\ce {P2O5}}}للسماح بكمية كبيرة منكاو{\displaystyle {\ce {CaO}}}وبعضP2يا5{\displaystyle {\ce {P2O5}}}فيSiO2-نا2يا{\displaystyle {\ce {SiO2-Na2O}}}[ 5 ] تم تجميع الزجاج وصهره وصبّه في قوالب مستطيلة صغيرة لزرعها في عظم الفخذ للفئران لمدة ستة أسابيع، وفقًا للطريقة التي طورها الدكتور تيد غرينلي من جامعة فلوريدا. [ 5 ] بعد ستة أسابيع، أفاد الدكتور غرينلي: "لن تخرج هذه الغرسات الخزفية من العظم. إنها ملتصقة في مكانها. يمكنني الضغط عليها، ودفعها، وضربها، ولن تتحرك. أما الغرسات الضابطة فتنزلق بسهولة." [ 5 ] شكلت هذه النتائج أساس أول ورقة بحثية حول الزجاج الحيوي 45S5 في عام 1971، والتي لخصت أن التجارب المخبرية في محلول يفتقر إلى أيونات الكالسيوم والفوسفات أظهرت طبقة متطورة من هيدروكسيباتيت مشابهة لهيدروكسيباتيت الذي لاحظه الدكتور غرينلي لاحقًا في الجسم الحي .

التجارب على الحيوانات

في عام 1986، قام علماء في أمستردام بهولندا بزرع مكعبات من الزجاج الحيوي في عظام قصبة الساق لفئران غينيا. [ 7 ] بعد 8 و12 و16 أسبوعًا من الزرع، تم قتل فئران غينيا واستئصال عظام قصبة الساق. [ 7 ] ثم خضعت الغرسات وعظام قصبة الساق لاختبار قوة القص لتحديد الخصائص الميكانيكية لحدود الغرسة مع العظم، حيث وُجد أن قوة القص تبلغ 5  نيوتن/مم² . [ 7 ] أظهر الفحص المجهري الإلكتروني وجود بقايا عظمية ملتصقة بقوة بالغرسات الخزفية. [ 7 ] وكشف الفحص المجهري الضوئي عن نمو خلايا عظمية وأوعية دموية داخل منطقة الغرسة، مما يُعد دليلًا على التوافق الحيوي بين العظم والغرسة. [ 7 ]

كان الزجاج النشط بيولوجيًا أول مادة تم اكتشاف قدرتها على تكوين رابطة قوية مع أنسجة العظام الحية. [ 8 ]

بناء

أثبتت مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للحالة الصلبة فائدتها الكبيرة في تحديد بنية المواد الصلبة غير المتبلورة . وقد دُرست الزجاجيات النشطة بيولوجيًا باستخدام مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للحالة الصلبة بتقنية MAS NMR لنظيري السيليكون -29 والفوسفور -31 . ويشير الانزياح الكيميائي الناتج عن مطيافية MAS NMR إلى نوع المركبات الكيميائية الموجودة في الزجاج. وأظهرت مطيافية MAS NMR للسيليكون -29 أن الزجاج الحيوي 45S5 ذو بنية من النوع Q2 مع كمية ضئيلة من النوع Q3؛ أي سلاسل سيليكات ذات روابط متقاطعة قليلة. وكشفت مطيافية MAS NMR للفوسفور -31 عن وجود مركبات من النوع Q0 بشكل رئيسي؛ أي PO₄³⁻ ؛ وأظهرت قياسات مطيافية MAS NMR اللاحقة أن روابط Si-OP أقل من مستويات الكشف [ 9 ].

المؤلفات

ظهرت العديد من التعديلات على التركيبة الأصلية التي وافقت عليها إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) وأطلقت عليها اسم "الزجاج الحيوي". تُعرف هذه التركيبة باسم "الزجاج الحيوي 45S5" . وتشمل هذه التركيبات ما يلي:

التركيب الجزيئي للزجاج الحيوي [ 10 ]

بيوجلاس 45S5

تم اختيار التركيبة في الأصل لأنها كانت تقريبًا يوتكتيكية . [ 11 ]

يشير اسم 45S5 إلى الزجاج الذي يحتوي على 45% وزناً من ثاني أكسيد السيليكون ونسبة مولية 5:1 من الكالسيوم إلى الفوسفور. لا ترتبط النسب المنخفضة من الكالسيوم إلى الفوسفور بالعظام. [ 12 ]

تتمثل السمات الرئيسية لتكوين الزجاج الحيوي في أنه يحتوي على أقل من 60  مول% من SiO2 ، ومحتوى عالٍ من Na2O و CaO، ونسبة عالية من CaO/P2O5 ، مما يجعل الزجاج الحيوي شديد التفاعل مع الوسط المائي ونشطًا بيولوجيًا.

تُعدّ الفعالية الحيوية العالية الميزة الرئيسية للزجاج الحيوي، بينما تشمل عيوبه الضعف الميكانيكي، وانخفاض مقاومة الكسر نتيجة لشبكته الزجاجية ثنائية الأبعاد غير المتبلورة . تتراوح قوة انحناء معظم أنواع الزجاج الحيوي بين 40 و60 ميجا باسكال ، وهي غير كافية لتطبيقات تحمل الأحمال. يبلغ معامل يونغ الخاص به 30-35 جيجا باسكال، وهو قريب جدًا من معامل يونغ للعظم القشري ، ما قد يُعتبر ميزة. يمكن استخدام غرسات الزجاج الحيوي في تطبيقات لا تتطلب تحمل الأحمال، كغرسات مدفونة تتعرض لأحمال خفيفة أو ضغط. كما يمكن استخدام الزجاج الحيوي كمكون حيوي في المواد المركبة أو كمسحوق، ويمكن استخدامه لإنشاء حاجز اصطناعي لعلاج الثقوب الناتجة عن تعاطي الكوكايين. ليس له آثار جانبية معروفة. [ 11 ]  

كان أول استخدام جراحي ناجح لـ Bioglass 45S5 في استبدال عظيمات الأذن الوسطى ، كعلاج لفقدان السمع التوصيلي . وتكمن ميزة 45S5 في عدم ميله لتكوين نسيج ليفي. ومن الاستخدامات الأخرى صناعة مخاريط تُزرع في الفك بعد خلع الأسنان . ويمكن استخدام مواد مركبة مصنوعة من Bioglass 45S5 وعظم المريض نفسه لإعادة بناء العظام. [ 11 ]

الزجاج الحيوي لين نسبياً مقارنةً بأنواع الزجاج الأخرى. يمكن تشكيله آلياً ، ويفضل استخدام أدوات ماسية، أو طحنه إلى مسحوق. يجب تخزين الزجاج الحيوي في بيئة جافة، لأنه يمتص الرطوبة بسهولة ويتفاعل معها. [ 12 ]

يُصنع زجاج Bioglass 45S5 بتقنية صناعة الزجاج التقليدية، باستخدام بوتقات من البلاتين أو سبائك البلاتين لتجنب التلوث. إذ قد تتداخل الملوثات مع التفاعلات الكيميائية داخل الكائنات الحية. وتُعدّ عملية التلدين خطوةً أساسيةً في تشكيل الأجزاء الكبيرة، نظرًا لتمدد المادة الحراري العالي.

تؤدي المعالجة الحرارية للزجاج الحيوي إلى تقليل محتوى أكسيد الفلز القلوي المتطاير وترسيب بلورات الأباتيت في مصفوفة الزجاج. تتميز المادة الزجاجية الخزفية الناتجة، والتي تُسمى سيرافيتال، بقوة ميكانيكية أعلى ونشاط حيوي أقل. [ 13 ]

بيوجلاس S53P4

طُوِّرت تركيبة S53P4 لأول مرة في أوائل التسعينيات في توركو، فنلندا، في جامعة آبو أكاديمي وجامعة توركو . وحصلت على ترخيص المنتج لاستخدامها في حشو تجاويف العظام لعلاج التهاب العظم والنقي المزمن في عام 2011. وتُعدّ S53P4 من بين أكثر أنواع الزجاج الحيوي النشط دراسةً في السوق، حيث نُشرت عنها أكثر من 150 دراسة.

عند وضع الزجاج الحيوي S53P4 في تجويف العظم، يتفاعل مع سوائل الجسم لتنشيطه. وخلال فترة التنشيط هذه، يمر الزجاج الحيوي بسلسلة من التفاعلات الكيميائية، مما يهيئ الظروف المثالية لإعادة بناء العظم من خلال عملية التوصيل العظمي.

  • يتم إطلاق أيونات الصوديوم والسيليكون والكالسيوم والفوسفور.
  • تتشكل طبقة من هلام السيليكا على سطح الزجاج النشط بيولوجيًا.
  • يتبلور فوسفات الكالسيوم، مكوناً طبقة من هيدروكسي أباتيت على سطح الزجاج النشط بيولوجياً.

بمجرد تكوّن طبقة الهيدروكسي أباتيت، يتفاعل الزجاج الحيوي مع مكونات بيولوجية، مثل بروتينات الدم وعوامل النمو والكولاجين. بعد هذا التفاعل، تساعد عمليات التوصيل العظمي والتحفيز العظمي على نمو العظم الجديد على وبين هياكل الزجاج الحيوي. [ 14 ]

  • يرتبط الزجاج النشط بيولوجيًا بالعظام - مما يسهل تكوين عظام جديدة.
  • تبدأ عملية تحفيز تكوين العظام عن طريق تحفيز الخلايا العظمية لزيادة معدل إعادة تشكيل العظام.
  • تتيح جودة الزجاج الحيوي عالي الكثافة الإشعاعية إجراء التقييم بعد العملية الجراحية.

في المرحلة التحويلية النهائية، تستمر عملية تجديد العظام وإعادة تشكيلها. ومع مرور الوقت، تتجدد العظام بالكامل، مما يعيد للمريض بنيته التشريحية الطبيعية.

  • يحدث التئام العظام.
  • يستمر الزجاج الحيوي S53P4 في إعادة تشكيل نفسه إلى عظم على مدى سنوات.

يُعدّ الزجاج الحيوي S53P4 حاليًا الزجاج الحيوي الوحيد في السوق الذي ثبتت فعاليته في تثبيط نمو البكتيريا. وتستمدّ خصائص تثبيط نمو البكتيريا في S53P4 من عمليتين كيميائيتين وفيزيائيتين متزامنتين، تحدثان عند تفاعل الزجاج الحيوي مع سوائل الجسم. إذ ينطلق الصوديوم (Na) من سطح الزجاج الحيوي، مما يؤدي إلى زيادة الرقم الهيدروجيني (بيئة قلوية)، وهي بيئة غير مواتية للبكتيريا، وبالتالي تثبيط نموها. وتؤدي أيونات الصوديوم والكالسيوم والسيليكون والفوسفور المنطلقة إلى زيادة الضغط الأسموزي نتيجة ارتفاع تركيز الأملاح، أي بيئة لا تستطيع البكتيريا النمو فيها. [ 15 ] [ 16 ]

بيوجلاس 8625

زجاج بيوجلاس 8625، المعروف أيضًا باسم شوت 8625، هو زجاج صودا-جير يُستخدم لتغليف الأجهزة المزروعة . يُستخدم بيوجلاس 8625 بشكل شائع في أغلفة أجهزة الإرسال والاستقبال بتقنية RFID المستخدمة في زراعة الشرائح الدقيقة في الإنسان والحيوان . وهو مُسجّل ببراءة اختراع ويتم تصنيعه من قِبل شركة شوت إيه جي . [ 17 ] كما يُستخدم بيوجلاس 8625 في بعض عمليات ثقب الجسم .

لا يلتصق زجاج Bioglass 8625 بالأنسجة أو العظام، بل يُثبَّت في مكانه بواسطة تغليف الأنسجة الليفية . بعد الزرع، تتشكل طبقة غنية بالكالسيوم على السطح الفاصل بين الزجاج والنسيج. وبدون طبقة إضافية مضادة للهجرة، يكون عرضة للهجرة داخل النسيج. الطبقة المضادة للهجرة هي مادة تلتصق بكل من الزجاج والنسيج. غالبًا ما يُستخدم الباريلين ، وخاصةً من النوع C، كبديل لهذه المادة. [ 18 ]

يحتوي زجاج Bioglass 8625 على نسبة عالية من الحديد ، مما يُمكّنه من امتصاص الأشعة تحت الحمراء ، ويسمح بإحكام إغلاقه باستخدام مصدر ضوئي، مثل ليزر Nd:YAG أو مصباح بخار الزئبق . [ 17 ] يُؤدي محتوى Fe₂O₃ إلى امتصاص عالٍ يصل إلى ذروته عند 1100 نانومتر، ويُكسب الزجاج لونًا أخضر. يُساعد  استخدام الأشعة تحت الحمراء بدلًا من اللهب أو التسخين المباشر على منع تلوث الجهاز. [ 19 ]

بعد عملية الزرع، يتفاعل الزجاج مع البيئة على مرحلتين، خلال فترة أسبوعين تقريبًا. في المرحلة الأولى، تُرشح أيونات المعادن القلوية من الزجاج وتُستبدل بأيونات الهيدروجين ؛ كما تنتشر كمية ضئيلة من أيونات الكالسيوم من المادة. خلال المرحلة الثانية، تخضع روابط Si-O-Si في مصفوفة السيليكا للتحلل المائي ، مما ينتج عنه طبقة سطحية هلامية غنية بمجموعات Si-OH. تتشكل طبقة تخميل غنية بفوسفات الكالسيوم تدريجيًا على سطح الزجاج، مانعةً المزيد من الترشيح.

يُستخدم في الرقائق الإلكترونية الدقيقة لتتبع أنواع عديدة من الحيوانات، ومؤخراً في بعض الغرسات البشرية. وقد وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) على استخدام مادة Bioglass 8625 في البشر عام 1994.

الزجاج النشط بيولوجيًا 13-93

ابتكرت الدكتورة ماريا برينك في جامعة آبو أكاديمي الزجاج الحيوي النشط 13-93 عام 1993. ويشير اسم 13-93 إلى الزجاج رقم 13 ضمن سلسلة تضم أكثر من 40 تركيبة زجاجية جديدة. ومن بين أنواع الزجاج الحيوي النشط الأخرى المهمة في هذه السلسلة الزجاج 9-93 والزجاج 17-93. وبالمقارنة مع الزجاج الحيوي النشط 45S5، يتكون الزجاج الحيوي النشط السيليكاتي 13-93 من نسبة أعلى من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) ويحتوي على أكسيد البوتاسيوم (K₂O ) وأكسيد المغنيسيوم (MgO). وهو متوفر تجاريًا من شركة Mo-Sci Corp.، أو يمكن تحضيره مباشرةً عن طريق صهر خليط من كربونات الصوديوم ( Na₂CO₃ ) ، وكربونات البوتاسيوم ( K₂CO₃ ) ، وكربونات المغنيسيوم (MgCO₃ ) ، وكربونات الكالسيوم (CaCO₃ )، وثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ )، وفوسفات ثنائي هيدروجين الصوديوم (NaH₂PO₄ ·2H₂O ) في بوتقة بلاتينية عند درجة حرارة 1360 درجة مئوية، ثم صبه في قالب من الجرافيت. [ 20 ] 

حصل زجاج 13-93 على موافقة للاستخدام الحيوي في الولايات المتحدة وأوروبا. يتميز هذا الزجاج بسيولة لزجة أفضل وميل أقل للتبلور عند سحبه إلى ألياف. يمكن تشتيت مسحوق زجاج 13-93 الحيوي في مادة رابطة لصنع حبر لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الروبوتات أو الطباعة المباشرة بالحبر. وقد دُرست الخصائص الميكانيكية للهياكل المسامية الناتجة في العديد من الدراسات المنشورة. [ 21 ]

تم تجفيف الهيكل الزجاجي الحيوي المطبوع 13-93 في دراسة ليو وآخرون في الهواء المحيط، ثم تم تسخينه عند 600  درجة مئوية تحت جو من الأكسجين لإزالة إضافات المعالجة، ثم تم تلبيده في الهواء لمدة ساعة واحدة عند 700  درجة مئوية. في العينة الأصلية، كانت قوة الانحناء (11  ± 3  ميجا باسكال) ومعامل الانحناء (13  ± 2  ميجا باسكال) مماثلة للقيمة الدنيا للعظام الإسفنجية ، بينما كانت قوة الضغط (86  ± 9  ميجا باسكال) ومعامل الضغط (13  ± 2  جيجا باسكال) قريبة من قيم العظام القشرية . ومع ذلك، كانت مقاومة الكسر للهيكل المصنّع 0.48  ± 0.04  ميجا باسكال·م¹ ، مما يشير إلى أنه أكثر هشاشة من العظام القشرية البشرية التي تتراوح مقاومة كسرها بين 2 و12  ميجا باسكال·م¹ . بعد غمر العينة في سائل محاكٍ لسوائل الجسم (SBF) أو زرعها تحت الجلد في ظهر الفئران، انخفضت قوة الضغط ومعامل المرونة بشكل حاد خلال الأسبوعين الأولين، ثم بشكل تدريجي بعد ذلك. يُعزى هذا الانخفاض في الخواص الميكانيكية إلى التحول الجزئي للخيوط الزجاجية في الدعامات إلى طبقة تتكون أساسًا من مادة مسامية شبيهة بالهيدروكسيباتيت. [ 22 ]

في دراسة أخرى أجراها كولان وزملاؤه، استُخدم التلبيد الانتقائي بالليزر بدلاً من المعالجة الحرارية التقليدية. بعد تحسين قدرة الليزر وسرعة المسح ومعدل التسخين، تراوحت قوة الضغط للهياكل الملبدة من 41  ميجا باسكال لهيكل ذي مسامية 50% تقريبًا إلى 157  ميجا باسكال للهياكل الكثيفة. أظهرت الدراسة المخبرية باستخدام محلول SBF انخفاضًا في قوة الضغط، لكن القيمة النهائية كانت مماثلة لقوة الضغط في العظم التربيقي البشري. [ 23 ] [ 24 ]

في تقرير فو وآخرون، تم تصنيع هياكل زجاجية مسامية (13-93) باستخدام طريقة نسخ رغوة البولي يوريثان. دُرست علاقة الإجهاد والانفعال من خلال اختبار الضغط باستخدام ثماني عينات ذات  مسامية 85 ± 2%. أظهر المنحنى الناتج تدهورًا تدريجيًا في بنية الهيكل، وبلغ متوسط ​​قوة الضغط 11  ± 1  ميجا باسكال، وهو ضمن نطاق قوة العظم التربيقي البشري، وأعلى من المواد النشطة بيولوجيًا المنافسة المستخدمة في ترميم العظام، مثل هياكل هيدروكسي أباتيت ذات المسامية نفسها، ومركبات البوليمر والسيراميك المُحضّرة بطريقة فصل الطور المُحفّز حراريًا (TIPS). [ 20 ]

توليف

تم تصنيع الزجاج الحيوي النشط باستخدام طرق متنوعة، منها الصهر التقليدي ، والتبريد السريع ، وعملية سول-جل ، والتصنيع باللهب، والتشعيع بالميكروويف . وقد استعرضت مجموعات بحثية مختلفة عملية تصنيع الزجاج الحيوي، حيث تُعدّ عملية سول-جل من أكثر الطرق استخدامًا لإنتاج مركبات الزجاج الحيوي، لا سيما في تطبيقات هندسة الأنسجة . كما طُوّرت طرق أخرى لتصنيع الزجاج الحيوي، مثل التصنيع باللهب والميكروويف، إلا أنها أقل شيوعًا في الأبحاث.

زجاج معدني حيوي نشط

الزجاج المعدني النشط بيولوجيًا هو نوع فرعي من الزجاج النشط بيولوجيًا، حيث تتكون مادته الأساسية من ركيزة معدنية زجاجية مغطاة بطبقة من الزجاج النشط بيولوجيًا لجعلها نشطة بيولوجيًا. والهدف من إضافة القاعدة المعدنية هو إنتاج مادة أقل هشاشة وأكثر متانة، تُزرع بشكل دائم داخل الجسم. يتميز الزجاج المعدني بمعامل يونغ أقل وحدود مرونة أعلى من الزجاج النشط بيولوجيًا، [ 25 ] مما يسمح بتشوه أكبر للمادة قبل حدوث الكسر. وهذا أمر مرغوب فيه للغاية، إذ يجب أن يكون الزرع الدائم خاليًا من التفتت داخل جسم المريض. تشمل المواد الشائعة التي تُكوّن المادة المعدنية الأساسية الزركونيوم والتيتانيوم، بينما من الأمثلة على المعادن الرئيسية القليلة التي لا يُنصح باستخدامها كمواد أساسية: الألومنيوم والبريليوم والنيكل. [ 26 ]

التكسية بالليزر

في حين أن المعادن ليست بالضرورة نشطة بيولوجيًا بطبيعتها، فإن الطلاءات الزجاجية النشطة بيولوجيًا التي يتم تطبيقها على الركائز المعدنية عبر التكسية بالليزر تُدخل النشاط البيولوجي الذي يعبر عنه الزجاج، ولكنها تتمتع بمزايا إضافية تتمثل في وجود قاعدة معدنية.

التكسية بالليزر هي طريقة يتم من خلالها دفع جزيئات الزجاج الحيوي الدقيقة في تيار باتجاه المادة الأساسية، وتعريضها لحرارة عالية كافية لتنصهر وتشكل طبقة من المادة. [ 25 ]

معالجة سول-جل

يمكن أيضًا تثبيت الزجاج الحيوي على المعادن باستخدام عملية سول-جل ، حيث يُلبّد الزجاج الحيوي على المعادن عند درجة حرارة مضبوطة، تكون عالية بما يكفي لإتمام عملية التلبيد، ومنخفضة بما يكفي لتجنب تغيرات الطور والآثار الجانبية غير المرغوب فيها. وقد أُجريت تجارب بتلبيد زجاج حيوي مزدوج الطبقات قائم على السيليكا على ركائز من الفولاذ المقاوم للصدأ عند 600  درجة مئوية لمدة 5 ساعات. [ 27 ] أثبتت هذه الطريقة قدرتها على الحفاظ على بنية غير متبلورة إلى حد كبير مع احتوائها على العناصر البلورية الأساسية، كما أنها تحقق مستوىً مشابهًا بشكل ملحوظ من النشاط الحيوي للزجاج الحيوي.

آلية النشاط

خضعت الآليات الأساسية التي تُمكّن الزجاج الحيوي من العمل كمواد لإصلاح العظام للدراسة منذ العمل الأول الذي قام به هينش وزملاؤه في جامعة فلوريدا . وقد وُجّه الاهتمام مبكراً إلى التغيرات التي تطرأ على سطح الزجاج الحيوي. ويُعتقد عموماً أن خمس مراحل من التفاعلات غير العضوية تحدث عند غمر الزجاج الحيوي في بيئة فسيولوجية: [ 28 ]

  1. صورة توضح خطوة بخطوة عملية دمج الزجاج النشط بيولوجيًا مع العظام [ 29 ]
    التبادل الأيوني الذي يتم فيه تبادل الكاتيونات المعدلة (معظمها Na + ) في الزجاج مع أيونات الهيدرونيوم في المحلول الخارجي.
  2. التحلل المائي الذي يتم فيه كسر جسور Si-O-Si، مما يؤدي إلى تكوين مجموعات Si-OH silanol، وتفكك الشبكة الزجاجية.
  3. تكثيف السيلانولات حيث تغير الشبكة الزجاجية المعطلة شكلها لتشكل طبقة سطحية تشبه الهلام، مستنفدة من أيونات الصوديوم والكالسيوم.
  4. الترسيب الذي تترسب فيه طبقة من فوسفات الكالسيوم غير المتبلور على الهلام.
  5. التمعدن الذي تتحول فيه طبقة فوسفات الكالسيوم تدريجياً إلى هيدروكسيباتيت بلوري، يحاكي المرحلة المعدنية الموجودة بشكل طبيعي في عظام الفقاريات.

لاحقًا، تبيّن أن مورفولوجيا الطبقة السطحية للهلام عنصرٌ أساسي في تحديد الاستجابة الحيوية. وقد دعمت ذلك دراساتٌ أُجريت على الزجاج الحيوي المُستخلص بتقنية سول-جل . إذ يمكن أن يحتوي هذا الزجاج على تركيزات أعلى بكثير من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ) مقارنةً بالزجاج الحيوي التقليدي المُستخلص من المصهور، مع الحفاظ على نشاطه الحيوي (أي قدرته على تكوين طبقة من هيدروكسي أباتيت مُمعدن على السطح). وقد ذُكرت المسامية المتأصلة في المادة المُستخلصة بتقنية سول-جل كتفسيرٍ مُحتمل لاحتفاظها بنشاطها الحيوي، بل وتعزيزه في كثير من الأحيان، مقارنةً بالزجاج المُستخلص من المصهور.

أتاحت التطورات اللاحقة في تقنية المصفوفات الدقيقة للحمض النووي منظورًا جديدًا تمامًا لآليات النشاط الحيوي في الزجاج الحيوي. سابقًا، كان معروفًا وجود تفاعل معقد بين الزجاج الحيوي والبيولوجيا الجزيئية للزرعة، لكن الأدوات المتاحة لم توفر معلومات كافية لرسم صورة شاملة. باستخدام المصفوفات الدقيقة للحمض النووي، أصبح الباحثون قادرين الآن على تحديد فئات كاملة من الجينات التي تنظمها نواتج تحلل الزجاج الحيوي، مما أدى إلى ما يُعرف بـ"النظرية الجينية" للزجاج الحيوي. أظهرت الدراسات الأولى للمصفوفات الدقيقة على الزجاج الحيوي أن الجينات المرتبطة بنمو وتمايز الخلايا العظمية ، والحفاظ على المصفوفة خارج الخلوية ، وتعزيز التصاق الخلايا ببعضها البعض وبالمصفوفة، قد تم تنظيمها تصاعديًا بواسطة أوساط زراعة الخلايا المُهيأة التي تحتوي على نواتج تحلل الزجاج الحيوي.

الاستخدامات الطبية

استُخدم الزجاج الحيوي S53P4 لأول مرة في بيئة سريرية كبديل لترقيع العظام أو الغضاريف في جراحة ترميم الوجه. [ 30 ] يتميز استخدام المواد الاصطناعية كبدائل عظمية بتعدد استخداماتها مقارنةً بعمليات الزرع الذاتي التقليدية ، فضلاً عن قلة الآثار الجانبية بعد الجراحة. [ 30 ]

توجد أدلة أولية تشير إلى أن الزجاج الحيوي ذو التركيبة S53P4 قد يكون مفيدًا أيضًا في علاج التهابات العظام الطويلة . [ 31 ] ومع ذلك، لا تزال الأدلة الداعمة من التجارب المعشاة ذات الشواهد غير متوفرة حتى عام 2015. [ 32 ]

أظهرت دراسة عشوائية مضبوطة أن مادة نوفامين، وهي مادة مضافة لمعجون الأسنان تحتوي على زجاج حيوي 45S5، تقلل بشكل كبير من حساسية الأسنان. [ 33 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. "المشاع الإبداعي" . بحث إبداعي . تم الاسترجاع في 13 نوفمبر 2020 .
  2. الزجاج النشط بيولوجيًا، المحررون: أ. ر. بوكاتشيني، د. س. براور، ل. هوبا، الجمعية الملكية للكيمياء، كامبريدج 2017، https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-201-7
  3. يونغ، ستيفن، دليل الطبيب للمواد الحيوية المستخدمة في ترقيع العظام الاصطناعية ، شركة مو-ساي، 2018
  4. ساوانت، كشميرا (يناير 2020). "الزجاج النشط بيولوجيًا في طب الأسنان: مراجعة منهجية" . المجلة السعودية لعلوم الفم . 7 : 3-10 . doi : 10.4103/sjos.SJOralSci_56_19 . S2CID 211233588 عبر ResearchGate. 
  5. 1 2 3 4 5 هينش، لاري ل. (2006-11-01). "قصة الزجاج الحيوي®". مجلة علوم المواد: المواد في الطب . 17 (11 ) : 967-978 . doi : 10.1007/s10856-006-0432-z . ISSN 1573-4838 . PMID 17122907. S2CID 45386113 .   
  6. م. نافارو، ت. سيرا، "التمعدن الحيوي للسيراميك والزجاج" في التمعدن الحيوي والمواد الحيوية ، 2016
  7. 1 2 3 4 5 فوغل، دبليو؛ هولاند، دبليو؛ ناومان، ك؛ غوميل، ج. (1986-03-01). "تطوير خزف زجاجي حيوي قابل للتشكيل للاستخدامات الطبية". مجلة المواد الصلبة غير المتبلورة . وقائع الندوة الدولية الثانية للزجاج في بكين. 80 (1): 34-51 . Bibcode : 1986JNCS...80...34V . doi : 10.1016/0022-3093(86)90377-7 . ISSN 0022-3093 . 
  8. باينو، فرانشيسكو (2018-09-01). "الزجاج النشط بيولوجيًا - عندما يلتقي علم وتكنولوجيا الزجاج بالطب التجديدي" . مجلة السيراميك الدولية . 44 (13): 14953-14966 . doi : 10.1016/j.ceramint.2018.05.180 . ISSN 0272-8842 . S2CID 139548073 .  
  9. بيدوني، أ؛ شاربنتييه، ت؛ مالافاسي، ج؛ مينزياني، م.س. (2010). "رؤى جديدة حول البنية الذرية للزجاج الحيوي 45S5 باستخدام مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للحالة الصلبة ومحاكاة دقيقة من المبادئ الأولى". مجلة المواد الكيميائية . 22 (19): 5644-5652 . doi : 10.1021/cm102089c . hdl : 11380/645262 .
  10. فاليت-ريجي، ماريا (1 يناير 2001). "السيراميك للتطبيقات الطبية" . مجلة الجمعية الكيميائية، معاملات دالتون (2): 97-108 . doi : 10.1039/B007852M . ISSN 1364-5447 . 
  11. ١ ٢ ٣ كيمياء المواد الطبية ومواد طب الأسنان، بقلم جون دبليو. نيكلسون، صفحة ٩٢، الجمعية الملكية للكيمياء، ٢٠٠٢، رقم ISBN 0-85404-572-4
  12. 1 2 المواد الحيوية وهندسة الأنسجة، بقلم دونغلو شي، ص 27، سبرينغر، 2004، رقم ISBN 3-540-22203-0
  13. مواد هندسية للتطبيقات الطبية الحيوية، تأليف سوي هين تيو، ص 6-21، دار النشر العالمية، 2004، رقم ISBN 981-256-061-0
  14. دراغو، لورينزو؛ توسكانو، ماركو؛ بوتاجيسيو، مارتا (24 فبراير 2018). "أدلة حديثة على النشاط المضاد للميكروبات والأغشية الحيوية للزجاج النشط بيولوجيًا: مراجعة موجزة" . المواد . 11 (2): 326. Bibcode : 2018Mate...11..326D . doi : 10.3390/ ma11020326 . ISSN 1996-1944 . PMC 5849023. PMID 29495292 .   
  15. ^ ليبارانتا، أوتي؛ فاهتيو، مينا؛ بيلتولا، تيمو؛ تشانغ، دي. هوبا، لينا؛ هوبا، ميكو؛ يلانين، هيمو؛ سالونين، جوكا الأول؛ فيليانين، ماتي ك؛ إيرولا ، إركي (2008-02-01). "التأثير المضاد للبكتيريا للنظارات النشطة بيولوجيا على البكتيريا اللاهوائية ذات الأهمية السريرية في المختبر". مجلة علوم المواد: مواد في الطب . 19 (2): 547-551 . دوى : 10.1007 / s10856-007-3018-5 . ردمك 1573-4838 . بميد 17619981 . S2CID 21444777 .   
  16. ^ تشانغ، دي؛ ليبارانتا، أوتي؛ مونوكا، إيفيلينا؛ يلانين، هيمو؛ فيليانين، ماتي ك؛ إيرولا، إركي؛ هوبا، ميكو؛ هوبا، لينا (2010). "التأثيرات المضادة للبكتيريا وسلوك الذوبان لستة كؤوس نشطة بيولوجيا" . مجلة أبحاث المواد الطبية الحيوية الجزء أ . 93 أ (2): 475– 483. دوى : 10.1002/jbm.a.32564 . ISSN 1552-4965 . بميد 19582832 .  
  17. 1 2 "زجاج جهاز الإرسال والاستقبال" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 27-01-2021 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 08-05-2017 .
  18. ثيفيسن، ب. و.؛ بولمان، ج.؛ دي كومن، م.؛ بويرز، ر.؛ ويليمز، ج. (2006). "زرع شريحة تعريف بترددات الراديو في الأضراس البشرية لتقليل الجهد المبذول في تحديد الهوية الجنائية. الجزء الأول: مبدأ العمل" (ملف PDF) . مجلة العلوم الجنائية الدولية . 159 (ملحق 1): ص33-39. doi : 10.1016/j.forsciint.2006.02.029 . PMID 16563681 . 
  19. شركة شوت لتغليف الإلكترونيات
  20. 1 2 فو، كيو؛ رحمان، إم إن؛ سوني بال، بي؛ براون، آر إف؛ داي، دي إي (2008). "الأداء الميكانيكي والمخبري لهياكل الزجاج الحيوي 13-93 المُحضّرة بتقنية نسخ رغوة البوليمر" . أكتا بيوماتيريليا . 4 (6): 1854-1864 . doi : 10.1016/j.actbio.2008.04.019 . PMID 18519173 . 
  21. كور، جي؛ كومار، في؛ باينو، إف؛ ماورو، جيه؛ بيكريل، جي؛ إيفانز، آي؛ بريتكانو، أو (2019). "الخواص الميكانيكية للزجاج الحيوي، والسيراميك، والسيراميك الزجاجي، والمواد المركبة: مراجعة لأحدث التقنيات والتحديات المستقبلية" . علم وهندسة المواد: ج . 104 109895. doi : 10.1016/j.msec.2019.109895 . PMID 31500047. S2CID 197610461 .  
  22. ليو، إكس؛ رحمان، إم إن؛ هيلمس، جي إي؛ سوني بال، بي (2013). "الخواص الميكانيكية لهياكل الزجاج الحيوي (13-93) المصنعة بتقنية الترسيب الآلي لإصلاح العظام الهيكلي" . مجلة أكتا بيوماتيريليا . 9 (6): 7025-7034 . doi : 10.1016 / j.actbio.2013.02.026 . PMC 3654023. PMID 23438862 .  
  23. كولان، ك؛ ليو، م؛ هيلمس، ج. إي؛ براون، ر. ف؛ فيليز، م (2011). " تصنيع سقالات من الزجاج الحيوي 13-93 لهندسة أنسجة العظام باستخدام التلبيد الانتقائي غير المباشر بالليزر" . Biofabrication . 3 (2) 025004. Bibcode : 2011BioFa...3b5004K . doi : 10.1088/1758-5082/3/2/025004 . PMID 21636879. S2CID 21067522 .  
  24. كولان، ك؛ ليو، م؛ هيلمس، ج. إي؛ فيليز، م (2012). "تأثير المادة، ومعايير العملية، وسوائل الجسم المحاكية على الخواص الميكانيكية لهياكل زجاجية مسامية حيوية 13-93 مصنوعة بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر" . مجلة السلوك الميكانيكي للمواد الطبية الحيوية . 13 : 14-24 . doi : 10.1016/j.jmbbm.2012.04.001 . PMID 22842272 . 
  25. 1 2 ليو، ز.؛ تشان، ك.س.؛ ليو، ل.؛ غو، س.ف. (2012-09-01). "طلاءات تيتانات الكالسيوم النشطة بيولوجيًا على زجاج معدني ضخم قائم على الزركونيوم باستخدام التكسية بالليزر" . رسائل المواد . 82 : 67-70 . Bibcode : 2012MatL...82...67L . doi : 10.1016/j.matlet.2012.05.022 . ISSN 0167-577X . 
  26. ^ سوجياما، ناوتا؛ شو، هايان؛ أونوكي، تاكاماسا؛ هوشيكاوا، ياسوتو؛ واتانابي، تومواكي؛ ماتسوشيتا، نوبوهيرو؛ وانغ، شينمين؛ تشين، فنغشيانغ؛ فوكوهارا، ميكيو؛ تسوكاموتو، ماساهيرو؛ آبي، نوبويوكي؛ كوميزو، يويتشي؛ إينوي، أكيهيسا؛ يوشيمورا ، ماساهيرو (مايو 2009). "القارئ المحسن إلسفير" . اكتا المواد الحيوية . 5 (4): 1367–1373 . دوى : 10.1016/j.actbio.2008.10.014 . بميد 19022712 . تم الاسترجاع بتاريخ 2022-05-05 . 
  27. بورهاشم، س.؛ أفشار، أ. (2014-01-01). "طلاءات زجاجية حيوية-سيليكا مزدوجة الطبقة على الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بطريقة سول-جل" . سيراميكس إنترناشونال . 40 (1، الجزء أ): 993-1000 . doi : 10.1016/j.ceramint.2013.06.096 . ISSN 0272-8842 . 
  28. ربيعي، س.م.؛ نازبارفار، ن.؛ عزيزيان، م.؛ فاشائي، د.؛ طيبي، ل. (يوليو 2015). "تأثير استبدال الأيونات على خصائص الزجاج الحيوي: مراجعة". سيراميكس إنترناشونال . 41 (6): 7241-7251 . doi : 10.1016/j.ceramint.2015.02.140 .
  29. فيليز، ستيفن أيوت جون (16 أبريل 2016)، الإنجليزية: تُظهر الصورة اندماج الزجاج الحيوي مع العظم. ويُبين التفاعل مع السائل الفيزيولوجي المحيط على سطح الزجاج الحيوي في الخطوتين الأوليين، بينما يُبين تكوين عظم جديد في المرحلتين الأخيرتين. (تم الاطلاع بتاريخ 13 نوفمبر 2020)
  30. 1 2 فان جيستل، ن.أ.ب؛ جورتس، ج.؛ هولسن، د.ج.و؛ فان ريتبرجن، ب.؛ هوفمان، س.؛ آرتس، ج.ج. (2015). "التطبيقات السريرية للزجاج الحيوي S53P4 في التئام العظام وعلاج التهاب العظم والنقي: مراجعة أدبية" . مجلة BioMed Research International . 2015 684826. doi : 10.1155/2015/684826 . ISSN 2314-6133 . PMC 4609389. PMID 26504821 .   
  31. أوريجان، جيه سي؛ بيغيه، تي (ديسمبر 2015). "الزجاج النشط بيولوجيًا لعلاج عدوى العظام الطويلة: مراجعة منهجية". الإصابة . 46 (ملحق 8): S3-7. doi : 10.1016/s0020-1383(15)30048-6 . PMID 26747915 . 
  32. فان جيستل، ن.أ؛ جورتس، ج؛ هولسن، د.ج؛ فان ريتبرجن، ب؛ هوفمان، س؛ آرتس، ج.ج (2015). "التطبيقات السريرية للزجاج الحيوي S53P4 في التئام العظام وعلاج التهاب العظم والنقي: مراجعة أدبية" . مجلة BioMed Research International . 2015 684826. doi : 10.1155/2015/684826 . PMC 4609389. PMID 26504821 .  
  33. ^ راي، جيث جاناردان؛ شاتورفيدي، سوراب؛ جوخالي، شانكار؛ ناجات، راغافيندرا؛ القحطاني، سعد. مجبول، محمد؛ بافابيدو، شاشيت؛ العجب، محمد؛ فينكاتارام، فاتسالا؛ تشاتورفيدي، موديتا (4 فبراير 2023). "فعالية التطبيق الجانبي لكرسي واحد لـ NovaMin® [ فوسفوسيليكات الصوديوم والكالسيوم ] في علاج فرط الحساسية لعاج الأسنان بعد القياس بالموجات فوق الصوتية - تجربة عشوائية محكومة" . مواد . دوى : 10.3390/ma16041329 . بمك 9963720 .