Efeito do óxido de germânio nos aspectos estruturais e na bioatividade do vidro bioativo de silicato

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9582 (2023) Citar este artigo

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Vidro de silicato ternário (69SiO2–27CaO–4P2O5) foi sintetizado pela rota sol-gel, e diferentes porcentagens de óxido de germânio GeO2 (6,25, 12,5 e 25%) e ácido poliacrílico (PAA) foram adicionados. Os cálculos de DFT foram realizados no nível teórico B3LYP/LanL2DZ para modelagem molecular. A difração de raios X em pó (XRPD) foi utilizada para estudar o efeito do GeO2/PAA nas propriedades estruturais. As amostras foram ainda caracterizadas usando DSC, ART-FTIR e testes mecânicos. Testes de bioatividade e antibacterianos foram avaliados para rastrear a influência do GeO2 na biocompatibilidade com sistemas biológicos. Os resultados da modelagem demonstram que o potencial eletrostático molecular (MESP) indicou um aumento da eletronegatividade dos modelos estudados. Embora tanto o momento dipolo total quanto a energia HOMO/LUMO reflitam o aumento da reatividade da molécula P4O10. Os resultados de XRPD confirmaram a formação das amostras e revelaram a correlação entre a cristalinidade e as propriedades, mostrando que a hidroxiapatita cristalina (HA) é claramente formada nas maiores porcentagens de GeO2, propondo 25% como um forte candidato para aplicações médicas, consistente com os resultados de propriedades mecânicas e o restante dos resultados da caracterização. Experimentos in vitro com fluido corporal simulado (SBF) mostraram biocompatibilidade promissora. As amostras mostraram notável atividade antimicrobiana e bioatividade, com o efeito mais forte em 25%. Os resultados experimentais deste estudo revelaram que a incorporação de GeO2 no vidro em termos de características estruturais, bioatividade, propriedades antimicrobianas e propriedades mecânicas é vantajosa para as áreas biomédicas e especialmente para aplicações odontológicas.

O vidro bioativo é composto por redes tridimensionais de silicato/fosfato, a maioria delas baseadas em Na2O, CaO, P2O5, e SiO2 poderia ser implementado em sistema biológico formando fortes ligações químicas com ossos1,2. É dedicado, entre outros biomateriais, a diferentes aplicações biomédicas2,3. Recentemente, o cimento de biovidro (BGC) tem sido utilizado para preencher vazios e fraturas na instalação, devido à sua natureza adesiva, radio-opacidade e durabilidade. Através da reação ácido-base entre o ionômero de vidro e o ácido poliacrílico aquoso (PAA), ele pode se ligar quimicamente ao osso4. Além disso, além da capacidade de se ligarem quimicamente aos ossos, são frágeis em tensão, o que reduz seu uso na estabilização de uma fratura gestante5. O BGC tem sido utilizado em aplicações de ouvido, nariz e garganta (ORL) e odontológicas6,7,8,9,10,11. As vantagens do uso de BGC em odontologia são muitas, incluindo biocompatibilidade, bioatividade, alta estabilidade dimensional, boa resistência à falha coesiva e encolhimento insignificante na instalação. Esforços têm sido feitos para melhorar esses materiais e utilizá-los em aplicações biomédicas12,13,14. O óxido de germânio é um composto inorgânico que pode ter um papel importante quando utilizado em BGC para melhorar suas propriedades, pois tem a capacidade teórica de substituir o Si na rede vítrea . A partir de pesquisas anteriores, foi relatado que o GeO2 foi incorporado ao ionômero de vidro à base de borato (BGG) . verificou-se que há um aumento na pega e no tempo de trabalho (propriedades de manuseio) formulados a partir desses vidros como resultado da incorporação de Ge, pois isso reduz o número de oxigênios não-pontes (NBOs) na estrutura do vidro, resultando em configuração reduzida e horários de trabalho19. Dickey et al.20 mencionaram vidros iônicos à base de Ge e não conseguiram avaliar se esse cimento era injetável ou não para uso na estabilização da coluna vertebral. Por outro lado, a modelagem molecular em diferentes níveis de teoria poderia ser utilizada para cumprir os esforços experimentais que elucidam as estruturas moleculares de muitos sistemas e compostos. Nesse sentido, modelos de vidro foram gerados utilizando simulações MD para investigar diferentes fatores que mimetizam a atividade dos cátions para elucidar propriedades físicas e químicas . Outra abordagem foi utilizada via ab initio para investigar diversos parâmetros físicos do vidro . O DFT foi utilizado para investigar a relação estrutura-desempenho para compósitos de polipropileno modificados com óxido de grafeno reduzido rGO23. Afirma-se que a DFT foi empregada com sucesso para calcular a energia de ativação. Afirma-se também que métodos computacionais poderiam ser aplicados para investigar interações físicas, químicas e biológicas tanto para o vidro quanto para a hidroxiapatita. Foi utilizado com outras ferramentas de caracterização para elucidar o efeito de parâmetros físicos como temperatura na bioatividade in vitro, propriedades moleculares e mecânicas da hidroxiapatita24,25,26. Com base na atividade biológica e nas propriedades moleculares únicas, foram posteriormente dedicadas tais classes de compostos para diversas aplicações biomédicas .