게르마늄 산화물이 생리활성 규산염 유리의 구조적 측면과 생리활성에 미치는 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9582(2023) 이 기사 인용

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삼원 규산염 유리(69SiO2-27CaO-4P2O5)는 졸-겔 경로로 합성되었으며, 다양한 비율의 산화 게르마늄 GeO2(6.25, 12.5, 25%)와 폴리아크릴산(PAA)이 첨가되었습니다. DFT 계산은 분자 모델링을 위한 B3LYP/LanL2DZ 이론 수준에서 수행되었습니다. 구조적 특성에 대한 GeO2/PAA의 영향을 연구하기 위해 X선 분말 회절(XRPD)이 사용되었습니다. 샘플은 DSC, ART-FTIR 및 기계적 테스트를 사용하여 추가로 특성화되었습니다. 생물학적 시스템과의 생체적합성에 대한 GeO2의 영향을 추적하기 위해 생체 활성 및 항균 테스트를 평가했습니다. 모델링 결과는 분자 정전기 전위(MESP)가 연구된 모델의 전기 음성도 향상을 나타냄을 보여줍니다. 총 쌍극자 모멘트와 HOMO/LUMO 에너지는 모두 P4O10 분자의 반응성 증가를 반영합니다. XRPD 결과는 샘플 형성을 확인하고 결정성과 특성 사이의 상관 관계를 밝혀내며, 결정성 수산화인회석(HA)이 가장 높은 비율의 GeO2에서 명확하게 형성되어 25%가 의료 응용을 위한 강력한 후보임을 제안합니다. 이는 다음의 결과와 일치합니다. 기계적 특성 및 나머지 특성화 결과. 모의 체액(SBF) 시험관 내 실험에서는 유망한 생체 적합성을 보여주었습니다. 샘플은 25%에서 가장 강력한 효과로 놀라운 항균 및 생체 활성을 나타냈습니다. 본 연구의 실험 결과는 구조적 특성, 생체 활성, 항균 특성 및 기계적 특성 측면에서 GeO2를 유리에 포함시키는 것이 생의학 분야, 특히 치과 응용 분야에 유리하다는 것을 보여주었습니다.

생체 활성 유리는 규산염/인산염의 3차원 네트워크로 구성되며, 대부분은 Na2O, CaO, P2O5 및 SiO2를 기반으로 하며 뼈와 강한 화학 결합을 형성하는 생물학적 시스템에서 구현될 수 있습니다1,2. 이는 다양한 생체의학 응용 분야를 위해 다른 생체 재료 중심으로 사용됩니다2,3. 최근 바이오글래스 시멘트(BGC)는 접착성, 방사선 불투명성 및 내구성으로 인해 공극 및 균열 설치를 채우는 데 사용됩니다. 글라스 아이오노머와 수용성 폴리아크릴산(PAA) 사이의 산-염기 반응을 통해 화학적으로 뼈에 결합할 수 있습니다4. 또한 뼈에 화학적으로 결합하는 능력 외에도 장력에 취약하므로 임신한 골절을 안정화하는 데 사용이 줄어듭니다5. BGC는 귀, 코, 목(ENT) 및 치과 응용 분야 모두에 사용되었습니다6,7,8,9,10,11. 치과에서 BGC를 사용하면 생체 적합성, 생체 활성, 높은 치수 안정성, 응집 파괴에 대한 우수한 저항성, 설치 시 무시할 수 있는 수축 등 많은 장점이 있습니다. 이러한 물질을 개선하고 생체의학 응용 분야에 사용하려는 노력이 이루어졌습니다. 게르마늄 산화물은 BGC에서 그 특성을 개선하기 위해 사용될 때 중요한 역할을 할 수 있는 무기 화합물이며, 유리 네트워크에서 Si를 대체할 수 있는 이론적 능력을 가지고 있습니다15,16. 이전 연구에서 GeO2가 붕산염 기반 유리 이오노머(BGG)에 통합된 것으로 보고되었습니다. Ge를 통합한 결과 이러한 유리에서 공식화된 설정 및 작업 시간(취급 특성)이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 유리 격자의 브리지되지 않은 산소(NBO)의 수를 줄여 설정을 감소시키기 때문입니다. 그리고 근무 시간19. Dickey 등20은 Ge 기반 이온 유리를 언급했지만 이 시멘트가 척추 안정화에 사용하기 위해 주사 가능한지 여부를 평가하는 데 성공하지 못했습니다. 다른 한편으로는 다양한 수준의 이론에서의 분자 모델링을 활용하여 많은 시스템과 화합물의 분자 구조를 밝히는 실험적 노력을 수행할 수 있습니다. 이러한 의미에서 물리적 및 화학적 특성을 설명하기 위해 활성 양이온을 모방하는 다양한 요인을 조사하기 위해 MD 시뮬레이션을 사용하여 유리 모델을 생성했습니다. 다양한 유리 물리적 매개변수를 조사하기 위해 ab initio 경로를 통해 또 다른 접근 방식이 활용되었습니다. DFT는 환원된 그래핀 산화물 rGO23으로 변형된 폴리프로필렌 복합재의 구조-성능 관계를 조사하기 위해 활용되었습니다. 활성화 에너지 계산에 DFT가 성공적으로 사용되었다고 합니다. 또한 유리와 수산화인회석 모두에 대한 물리적, 화학적, 생물학적 상호작용을 조사하기 위해 계산 방법을 적용할 수 있다고 명시되어 있습니다. 이는 시험관 내 생체활성, 수산화인회석의 분자 및 기계적 특성에 대한 온도와 같은 물리적 매개변수의 영향을 설명하기 위해 다른 특성화 도구와 함께 활용되었습니다. 생물학적 활성과 독특한 분자 특성을 바탕으로 다양한 생물 의학 응용 분야에 이러한 종류의 화합물을 사용했습니다.