Bioaktiivisten lasikuitujen valmistus sooli-geeli-menetelmällä
Biomateriaalit ovat olleet monin tavoin jo pitkään käytössä lääketieteessä. Biomateriaaleista on hyödytty vaurioituneiden kehon osien, kuten luiden ja nivelien, korvaamisessa ja esimerkiksi haavojen ompelussa. Viime vuosikymmeninä on tapahtunut edistystä materiaalien valmistuksessa sooli-geeli-menetelmällä. Tämän myötä esimerkiksi bioaktiivisten lasien valmistus kyseisellä menetelmällä ja niiden jatkokäsittely kuiduiksi on ollut tutkimuksen kohteena. Pyrkimyksenä bioaktiivisten lasien ja niiden kuitujen tutkimuksessa on kehittää materiaaleja, joilla voidaan edistää esimerkiksi luiden ja pehmytkudosten vaurioiden hoitamista.
Biomateriaalit ja bioaktiiviset lasit
Biomateriaalit ovat materiaaleja, joita hyödynnetään lääketieteellisissä hoidoissa ja diagnooseissa. Nämä materiaalit tulevat olemaan vuorovaikutuksessa biologisten systeemien kanssa, joten ne eivät saa olla haitallisia. Biomateriaalit voidaan jakaa metalleiksi, keraameiksi, polymeereiksi, komposiiteiksi ja biologista alkuperää oleviksi materiaaleiksi. Biomateriaaleilla on useita käyttökohteita, kuten metalliset implantit luiden tukemiseen ja korvaamiseen tai polymeereistä valmistetut nivelproteesit ja ommelmateriaalit. (Törmälä ym. 2003.)
Bioaktiiviset lasit ovat yksi biokeraamien ryhmä. Niiden pinnoille muodostuu hydroksyylikarbonaattiapatiitti kerros. Kerros on kemiallisesti ja rakenteellisesti erittäin lähellä kovaa luukudosta, joten bioaktiiviset lasit pystyvät sitoutumaan luuhun. Sitoutuminen tapahtuu luukudoksessa esiintyviin kollageenisäikeisiin. (Migonney 2014, 45.)
Bioaktiiviset lasit stimuloivat kantasoluja, jotka osallistuvat luukudoksen muodostumiseen vapauttamalla ympäristöön piitä ja kalsiumioneja (Poologasundarampillai ym. 2014). Lisäksi biokeraameilla on hyvä bioyhteensopivuus, korroosion ja kulumisen kesto, puristusvahvuus sekä kovuus. Näiden ominaisuuksien vuoksi bioaktiivisia laseja hyödynnetään luiden vaurioiden hoitamisessa. Keraamien haurauden vuoksi ne eivät kuitenkaan sovellu käyttöön luissa, joihin kohdistuu suurempia voimia. (Migonney 2014, 40–41.)
Sooli-geeli-menetelmä
Sooli-geeli-menetelmä on yksi tavoista valmistaa keraameja. Menetelmä on yksinkertainen, koska ei tarvita erikoisia aineita tai laitteita ja se tapahtuu huoneenlämmössä. Soolien ominaisuuksia voidaan säädellä käytetyillä lähtöaineilla ja reaktio-olosuhteilla. (Youth 2006.)
Valmistusprosessi aloitetaan tekemällä sooli. Tämä tapahtuu metallialkoksidien hydrolyysi- ja kondensaatioreaktioilla, joissa muodostuu monomeerejä. Näistä monomeereistä muodostuu polymerisaatiolla polymeerejä. (Brinker & Scherer 1990, 3–5 .) Lopulliseen sooliin voidaan vaikuttaa prosessin parametreillä. Näillä parametreillä sooli saadaan muokattua sopivaksi kuitujen valmistukseen. Lisäksi soolin pitää ikääntyä, jotta sen viskositeetti on kuidun vetämiseen sopivalla tasolla. Yksi vaihtoehto on myös sidosaineen lisääminen sooliin.
Pieni veden määrä reaktioissa vähentää monomeereissä avautuvien funktionaalistenryhmien määrää, mikä johtaa lineaarisiin polymeereihin (Brinker & Scherer 1990, 5). Alhaisella pH-arvolla voidaan rajoittaa polymeerien kasvua, jolloin saadaan aikaiseksi lyhyempiä polymeerejä (Jokinen ym. 2013). Kuitua vetäessä nämä lyhyet lineaariset polymeerit järjestäytyvät pitkittäisesti mahdollistaen kuidun muodostumisen.
Bioaktiivisen lasin kuidut ja niiden valmistus
Sooleja voidaan valmistaa useaa käyttötapaa varten. Yksi näistä on kuitujen valmistus. Kuidut antavat niistä tehdyille rakenteille paljon pinta-alaa tilavuutta kohden. Tämä nopeuttaa materiaalissa olevien ionien liukenemista, mikä parantaa sen bioaktiivisuutta ja nopeuttaa mahdollisesti rakenteeseen sisällytettyjen lääkeaineiden annostelua. Huokoiset rakenteet mahdollistavat solujen liikkumisen rakenteen sisälle ja verisuonten kehittymisen niihin. Pinta-ala ja huokoisuus parantavat proteiinien adsorptiota ja solujen kiinnittymistä kuiturakenteisiin. Näiden ominaisuuksien katsotaan olevan edullisia useisiin käyttötarkoituksiin, kuten luuston ja haavojen hoitoon, solujen kasvatusalustoihin ja lääkeaineiden annosteluun. (Nagrath ym. 2019.)
Bioaktiivisten lasien kuituja on valmistettu useissa tutkimuksissa hyödyntäen sooli-geeli-menetelmää. Yleisin menetelmä näiden kuitujen valmistukseen on jännitekehräys (engl. electrospinning), jossa kuitua vedetään jännitteen avulla soolista. Tämä on yksinkertainen ja halpa menetelmä, jolla käsitellään polymeerien ja bioaktiivisten lasien komposiitteja sekä polymeerejä. Jännitekehräyksellä valmistetut kuidut ovat kokoluokaltaan mikro- ja nanokuituja. (Nagrath ym. 2019; Liverani ym. 2022.) Lisäksi kuituja voidaan vetää yksinkertaisesti lasisauvalla tai kuivakehräyksellä (engl. dry spinning), jossa materiaali kuivataan lämmitetyllä kaasulla vetäessä. (Xu ym. 2000; Peltola ym. 2001).
Högmander, M. 2023. Sooli-geelikuidutuksen kehittäminen S53P4-koostumukselle. Opinnäytetyö. Kemiantekniikka. Turun ammattikorkeakoulu.
Lähteet
Brinker, C. J. & Scherer, G. W. 1990. Sol-Gel Science; The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. San Diego: Academic Press.
Jokinen, M.; Jalonen, H.; Forsback, A.-P. & Koskinen, M. 2013. Method for preparing silica compositions, silica compositions and uses thereof. Patenttinumero US20140057996A1.
Liverani, L.; Reiter, T.; Zheng, K.; Neščáková, Z. & Boccaccini, A. R. 2022. Copper-doped cotton-like malleable electrospun bioactive glass fibers for wound healing applications. Materials Letters: X. Vol 14. Viitattu 30.5.2023. https://doi.org/10.1016/j.mlblux.2022.100133.
Migonney, V. 2014. Biomaterials. John Wiley & Sons, Inc. E-kirja ProQuest Ebook Central. Vaatii kirjautumisen. Viitattu 30.5.2023. https://ebookcentral.proquest.com/lib/turkuamk-ebooks/detail.action?docID=1816328#.
Nagrath, M.; Alhalawani, A.; Yazdi, A. R. & Towler M. R. 2019. Bioactive glass fiber fabrication via a combination of sol-gel process with electro-spinning technique. Materials science & Engineering C. Vol 101, 521–538. Viitattu 30.5.2023. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.04.003.
Peltola, T.; Jokinen, M.; Veittola, S.; Rahiala, H. & Yli-Urpo, A. 2001. Influence of sol and stage of spinnability on in vitro bioactivity and dissolution of sol-gel-derived SiO2 fibers. Biomaterials. Vol 22, issue 6, 589–598. Viitattu 30.5.2023. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(00)00219-2.
Poologasundarampillai, G.; Wang, D.; Li, S.; Nakamura, J.; Bradley, R.; Lee, P. D.; Stevens, M. M.; McPhail, D. S.; Kasuga, T. & Jones, J. R. 2014. Cotton-wool-like bioactive glasses for bone regeneration. Acta Biomaterialia. Vol 10, No 8, 3733–3746. Viitattu 30.5.2023. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2014.05.020.
Törmälä, P., ym. 2003. Yleiskatsaus terveydenhuollon laitteissa ja tarvikkeissa käytettyihin biomateriaaleihin. Lääkelaitoksen julkaisusarja. Helsinki: Lääkelaitos. Viitattu 30.5.2023. https://www.fimea.fi/documents/160140/753095/19686_Biomateriaalijulkaisut_1_Yleiskatsaus.pdf.pdf.
Xu, Y.; Zhou, W.; Zhang, L. & Cheng, L. 2000. Spinnability and crystallizability of silica glass fiber by the sol-gel method. Journal of Materials Processing Technology. Vol 101, 44–46. Viitattu 30.5.2023. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(99)00450-1.
Young, S. K. 2006. Sol-Gel Science for Ceramic Materials. Material Matters. Viitattu 30.5.2023. https://www.sigmaaldrich.com/FI/en/technical-documents/technical-article/materials-science-and-engineering/solid-state-synthesis/sol-gel-science-for.