Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Sep 2024)
α/β-TCP silicate glass-ceramic obtained by sol–gel: Structure and in vitro bioactivity
Abstract
A glass-ceramic in the CaO–P2O5–SiO2 system, which contains two polymorphic modifications of tricalcium phosphate – whitlockite, β-Ca3(PO4)2 and α-Ca3(PO4)2, has been synthesized by the sol–gel method and thermal treatment up to 1200 °C. The phase composition and microstructure of the glass-ceramic were investigated with X-ray diffraction analysis (XRD), Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). An in vitro bioactivity test of the glass-ceramic in a simulated body fluid (SBF) was conducted for up to 21 days. α-Ca3(PO4) dissolved almost completely in SBF after 7 days. The experimental results of XRD, FTIR, SEM and EDS clearly validated the ability of the glass-ceramic samples to form a layer of hydroxyapatite on their surface in an SBF environment. We also studied the cytotoxic effect of the glass-ceramic on murine bone marrow (BM) cells and pre-osteoclasts in vitro. The glass-ceramic reduced the viability of BM cells in a dose-dependent manner being less toxic at concentrations below 0.1 mg/ml. It modestly affected the viability of pre-osteoclasts cultured in osteoclast differentiation media. The obtained sample increased the percentage of pre-osteoclasts expressing the receptors involved in osteoclastogenesis (RANK) and apoptosis (TRAIL). In conclusion, the glass-ceramic showed the potential to affect the survival/differentiation of pre-osteoclasts at early stage of osteoclastogenesis. It might be suitable for tissue engineering including implants coating or scaffold as it can interfere with early stage of osteoclastogenesis which is required for proper bone remodelling and repair upon a long-term application of biomaterials. Resumen: Una vitrocerámica en el sistema CaO-P2O5-SiO2, que contiene dos modificaciones polimórficas de fosfato tricálcico: whitlockita, β-Ca3(PO4)2 y α-Ca3(PO4)2, ha sido sintetizada por el método sol-gel y tratamiento térmico hasta 1.200 °C. La composición de fase y la microestructura de la vitrocerámica se investigaron por análisis de difracción de rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopia electrónica de barrido y espectroscopia por dispersión de energía de rayos X (SEM-EDS). Se realizó una prueba de la bioactividad in vitro de la vitrocerámica por inmersión en un fluido corporal simulado (SBF) durante 21 días. α-Ca3(PO4) se disolvió casi completamente en SBF después de 7 días. Los resultados experimentales de XRD, FTIR, SEM y EDS validaron claramente la capacidad de las muestras de vitrocerámica para formar una capa de hidroxiapatita en su superficie en un entorno SBF. También estudiamos el efecto citotóxico de la vitrocerámica en células de médula ósea murina (MO) y preosteoclastos in vitro. La vitrocerámica redujo la viabilidad de las células de MO de forma dosis-dependiente, siendo menos tóxica a concentraciones inferiores a 0,1 mg/ml. Afectó modestamente a la viabilidad de los preosteoclastos cultivados en medios de diferenciación de osteoclastos. La vitrocerámica aumentó el porcentaje de preosteoclastos que expresan los receptores implicados en la osteoclastogénesis (RANK) y la apoptosis (TRAIL). En conclusión, la vitrocerámica mostró el potencial de afectar la supervivencia/diferenciación de los preosteoclastos en la etapa temprana de la osteoclastogénesis. Podría ser adecuada para la ingeniería de tejidos, incluidos los recubrimientos de implantes o andamios, ya que puede interferir con la etapa temprana de la osteoclastogénesis que se requiere para la remodelación y la reparación ósea adecuada tras la aplicación a largo plazo de biomateriales.
