Aging in bioactive glass and glass-ceramic : impact on sintering and scaffold properties

Bioactive glasses have been used for many years as bone graft substitutes, to fill defects and augment bone structures. These materials are commercialized in the form of powders, granules, putties, and pastes. Research activities have been conducted on 3D bioactive glass porous structures to provide structural support during bone ingrowth. Recent studies have shown that these materials might react with humidity and atmospheric CO2 and form carbonates. The kinetics of carbonates formation as well as their impact on powder sintering and scaffold properties are, however, not well documented. The first part of this study presents the evolution of 45S5 bioglass powder (24.5Na2O-24.5CaO-6P2O5-45SiO2 wt%) after accelerated aging treatments (90% relative humidity, 5% CO2, 37 °C). The results clearly show that 45S5 powder reacts with the atmosphere and forms various carbonates (CaCO3, Na2CO3 and NaHCO3) on its surface. The amount and variety of carbonates present on the powder evolves with time. Some of these carbonates quickly dissolve when immersed in water, thus affecting the pH of the solution. The carbonate species and adsorbed humidity affect the sintering process, even if they are decomposed during sintering and leave no residues. The second part presents the effect of aging on bioglass scaffold properties and structure. CaCO3 has been detected for all the samples, despite the aging time, while a shift from NaHCO3 to Na2CO3 has been observed after the second week. Dissolution tests, performed to study the pH evolution in time, have shown a pH decrease related to the presence of NaHCO3. A reduction of porosity has been observed as the aging time increases, resulting in higher mechanical properties. Nucleation tests in simulated body fluid (SFB) have shown a bioactivity reduction for the aged scaffolds during the first few hours of immersion. Conversely, a greater nucleation of hydroxyapatite has been detected for the same ones after 7 dd of immersion. In conclusion, the aging caused by environmental factors has been observed to influence the 45S5 Bioglass® composition and properties. In particular, the high powder reactivity results in carbonates nucleation and relative humidity increase, factors able to bias the scaffold reproducibility. Nevertheless, a controlled aging performed on the scaffold allows to obtain an increase of its mechanical properties, a pH reduction in dissolution, and a greater bioactivity in the short period.

I vetri bioattivi sono impiegati da diversi anni come materiali da innesto per il riempimento di lacune di grandi dimensioni e per l’accrescimento delle strutture ossee. Questi sono commercializzati sotto forma di polvere, granuli, mastice e pasta. Numerose attività di ricerca sono state condotte su scaffold 3D di biovetro porosi in grado di fornire un supporto strutturale durante la rigenerazione del tessuto osseo. Studi recenti hanno mostrato che questi possono reagire con l’umidità e la CO2 atmosferica, portando alla formazione di carbonati. La cinetica di formazione dei carbonati, così come il loro impatto sul processo di sinterizzazione e sulle proprietà degli scaffold sono, tuttavia, non ben documentate. La prima parte di questo studio riporta l’evoluzione della polvere di biovetro 45S5 (24.5Na2O-24.5CaO-6P2O5-45SiO2 wt%) dopo un trattamento di invecchiamento accelerato (90% umidità relativa, 5% CO2, 37 °C). I risultati ottenuti mostrano chiaramente che la polvere di biovetro 45S5 reagisce con l’atmosfera, portando alla formazione di vari carbonati (CaCO3, Na2CO3 e NaHCO3) sulla sua superficie. Il quantitativo e la varietà dei carbonati presenti evolve con il tempo. Alcuni di questi si dissolvono velocemente una volta immersi in acqua, comportando un’alterazione del pH della soluzione. I carbonati e l’umidità assorbita influenzano il processo di sinterizzazione, nonostante questi si decompongano durante la sinterizzazione senza lasciare residui. La seconda parte riporta gli effetti dell’invecchiamento sulle proprietà e sulla struttura degli scaffold di biovetro. La presenza di CaCO3 è stata rilevata su tutti i campioni, indipendentemente dal tempo di invecchiamento, mentre è stata osservata una conversione da NaHCO3 a Na2CO3 dopo la seconda settimana. Test di dissoluzione, eseguiti per studiare l’evoluzione del pH nel tempo, hanno mostrato come la presenza di NaHCO3 comporti una diminuzione del pH. Una riduzione della porosità è stata, inoltre, riscontrata al crescere del tempo di invecchiamento, risultando in un aumento delle proprietà meccaniche dello scaffold. Test di nucleazione in simulated body fluid (SBF) hanno mostrato una minore bioattività degli scaffold invecchiati durante le prime ore di immersione. Al contrario, è stata rilevata una maggiore nucleazione di idrossiapatite per gli stessi campioni dopo 7 gg di immersione. In conclusione, è stato osservato come l’invecchiamento, causato dai fattori ambientali, sia in grado di influenzare la composizione e le proprietà del biovetro 45S5. In particolare, l’alta reattività delle polveri comporta la nucleazione dei carbonati e l’aumento dell’umidità relativa, fattori in grado di pregiudicare la riproducibilità dello scaffold. Tuttavia, un invecchiamento controllato, eseguito sullo scaffold, permette di ottenere migliori proprietà meccaniche, una riduzione del pH in dissoluzione ed un incremento della bioattività nel breve periodo.