The effect of Ag incorporation on the characteristics of the polymer derived bioactive silicate phosphate glass-ceramic scaffolds

Abstract

In the bone tissue engineering field (BTE), it is of significant importance to develop bioactive multifunctional scaffolds with enhanced osteoconductivity, osteoinductivity, and antibacterial properties required for lost bone tissue regeneration. In this work, a bioactive glass-ceramic scaffold was manufactured via a novel polymer-derived ceramics (PDC) manufacturing method. To gain antibacterial properties, the silver ions were incorporated in controlled amount along with other precursors in the PDC processing stage. Microstructural and structural properties of the fabricated silicate-phosphate glass-ceramic scaffold were evaluated by scanning electron microscopy (SEM) equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) analysis, respectively. Furthermore, bioactivity, antibacterial, and cytotoxicity evaluation of PDC scaffolds were conducted. The microstructural analysis determined that scaffolds have interconnected porous network with two different pore range size favorable for osteointegration and bone formation. The structural analysis confirmed that fabricated glass-ceramic scaffolds contain bioactive octacalcium phosphate (OCP) phase responsible for enhanced bioactivity and HCA formation during the immersing of scaffolds in simulated body fluid (SBF) for several days. Moreover, PDC scaffolds with Ag nanoparticles showed considerable antibacterial properties against Gram-negative Klebsiella pneumoniae and Gram-positive Staphylococcus aureus bacteria cells. This study has demonstrated that it is possible to develop a novel group of antibacterial and bioactive Ag incorporated silicate-phosphate glass-ceramic scaffolds for BTE applications, such that, it was verified in vivo. Resumen: En el campo de la ingeniería de tejido óseo (BTE), es de gran importancia desarrollar andamios multifuncionales bioactivos con osteoconductividad mejorada, osteoinductividad y propiedades antibacterianas necesarias para la regeneración del tejido óseo perdido. En este trabajo, se fabricó un andamio de vitrocerámica bioactive mediante un nuevo método de fabricación de cerámica derivada de polímeros (PDC). Para obtener propiedades antibacterianas, los iones de plata se incorporaron en una cantidad controlada junto con otros precursores en la etapa de procesamiento de PDC. Las propiedades microestructurales y estructurales del armazón de cerámica de vidrio de silicato-fosfato fabricado se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) equipada con espectroscopía de dispersión de energía (EDS) y análisis de difracción de rayos X (XRD), respectivamente. Además, se llevó a cabo una evaluación de bioactividad, antibacteriana y citotoxicidad de los andamios de PDC. El análisis microestructural determinó que los andamios tienen una red porosa interconectada con dos tamaños de rango de poros diferentes favorables para la osteointegración y la formación de hueso. El análisis estructural confirmó que los andamios de vitrocerámica fabricados contienen una fase de fosfato octacálcico bioactivo (OCP) responsable de la bioactividad mejorada y la formación de HA durante la inmersión de los andamios en fluido corporal simulado (SBF) durante varios días. Además, los andamios de PDC con nanopartículas de Ag mostraron considerable propiedades antibacterianas contra las células de bacterias Gram-negativas Klebsiella pneumoniae y Gram-positivas Staphylococcus aureus. Este estudio ha demostrado que es posible desarrollar un grupo novedoso de andamios de vitrocerámica de silicato-fosfato incorporados en Ag antibacterianos y bioactivos para aplicaciones de BTE, de manera que se verificó in vivo.

Keywords

• Cerámica derivada de polímeros
• vitrocerámica
• Andamios
• Bioactividad
• Incorporación de plata
• Actividad antibacterial