Bioactive Glasses in Bone Tissue Engineering/ Bioaktivna stakla u inženjerstvu koštanih tkiva

SUMMARY Bioactive glasses are often used nanomaterials in tissue engineering of bone and soft tissue. Many newly synthesized materials for applications in medicine and dentistry are based on these bioactive substances. Bioactive glass is usually used as a scaffold or as an implant coating on implants and it allows fast formation of apatite layer with positive effect on osteoblasts proliferation. These biomaterials play an important role in dentistry and endodontics. This study is mostly part of the monograph titled “Nanomedicine, the Greatest Challenge of the 21st Century”, that for two years has received attention from professional and scientific community in various fields. Information presented in this paper highlight structural characteristics of bioactive glasses that have a significant role in bone tissue engineering KRATAK SADRŽAJ Bioaktivna stakla su nanomaterijali koji se dosta često koriste u inženjerstvu koštanih i mekih tkiva. Brojni novosintetisani materijali za primenu u medicini i stomatologiji se baziraju upravo na ovim bioaktivnim supstancama. Bioaktivno staklo se najčešće koristi kao skafold ili prevlaka na implantatima, i omogućava brzo formiranje apatitnog sloja, odnosno povoljno utiče na proliferaciju osteoblasta. Značaj ovih biomaterijala za primenu u stomatologiji i endodonciji zaslužuje posebno mesto, pa će im zato u okviru ovog rada biti posvećena posebna pažnja. I ovaj rad je najvećim delom sastavni deo monografije pod nazivom „Nanomedicina, najveći izazov 21. veka“, koja je već dve godine u žiži interesovanja stručne i naučne javnosti iz različitih oblasti. Informacije predstavljene u radu su vrlo značajne za teorijsko osvetljavanje značaja i strukturnih odlika bioaktivnih stakala, koji su od neprocenjivog značaja za inženjerstvo koštanih tkiva.


INTRODUCTION
Newly synthesized nanomaterials can mimic character istics of natural tissue, they are cytocompatible and bio compatible and exhibit excellent characteristics for use in tissue engineering and regenerative medicine.The goal of bone engineering is to develop scaffold (matrix) that would provide cellular support and guide formation of bone tissue.Calcium phosphate ceramics and hydroxy apatite are the most studied materials as they generate mineral component of calcified tissue of vertebrates, bio ceramic materials and bioactive glasses.

BIOACTIVE GLASSES
In the early 1970s Hench et al. [1] showed that glasses of composition SiO 2 CaONa 2 OP 2 O 5 do not form fibrous tis sue in contact with living tissue.Instead, they form chemi cal bond.Primary requirements for these materials were not to contain toxic elements for living organisms and to contain calcium and phosphorus that are the main con stituents of the mineral phase of bone.Silicon was used to build a stable network for glass allowing the develop ment of phosphate glasses with silicon rich matrices.First bioactive glass developed by Hench and Walker [2] was bioglass 45S5.This glass was highly active and easily formed bond even with soft tissues.This glass was made up of 45% SiO 2 , 24.4% CaO, 24.5% Na 2 O and 6% P 2 O 5 .Bioglass 45S5 was based on SiO 2 CaONa 2 OP 2 O 5 system.Its composition was close to the composition of the cor responding eutectic system of SiO 2 CaONa 2 O, and signifi cantly different from the typical composition of sodium glass, which contains more SiO 2 [2,3,4].The composition of bioactive glass 45S5 has three microstructural forms (amorphous, partially crystalline and crystalline).This glass was studied by a number of studies in vitro and in vivo.In some of these studies done on rat femur, 45S5 was used in different forms.It was shown that all implants, re gardless of the form, attached to femur during 6 weeks [1].
Starting from bioactive glass 45S5, Hench and Walker [2] developed series of glasses based on the quaternary system CaOSiO 2 Na 2 OP 2 O 5 , with all containing 6% P 2 O 5 (Figure 1).Bioactive glass can be classified into two large groups, based on the composition: a) rich in alkali (devel oped by Hench et al.), containing more than 20% of alkali oxides or b) poor in alkali, with less than 5% of such ox ides.Level of bioactivity depends on different composition; therefore they can have different clinical applications [58].

PREPARATION OF BIOACTIVE GLASSES
Bioactive glasses are prepared from pure materials, which quality determines the quality of bioactive glasses.Basic materials are pure quartz or SiO 2 sand, sodium or potas sium carbonate with reactive purity, calcium phosphates that do not contain bound water, or in some rare cases highly pure pseudowollastonite (CaSiO 3 ).Bioglass syn thesis is sensitive process that starts with precisely mea sured constituents mixture melt in Pt or Pt/Rh container.It is important that melt is homogeneous and mixed care fully in order not to lose volatile components such as Na 2 O and P 2 O 5 .
Solgel process, often used for bioglass synthesis is based on inorganic and organic soluble salts of constitu Address for correspondence: Vukoman JOKANOVIĆ, Institute of Nuclear Sciences "Vinča", Mike Petrovića Alasa 12-14, 11000 Belgrade, Serbia; vukoman@vinca.rsents.Melting temperature is between 1200 and 1450°C depending on the composition of a given glass.The melt is then poured into a graphite or steel mould, which neither contaminates nor adheres to the glass [8].

THE MECHANISM OF BINDING BIOACTIVE GLASS TO A LIVING TISSUE
When bioactive glass is bound to bone tissue, biologically active layer of carbonated hydroxyapatite is formed on the surface of implanted material.The ability to bind to bone tissue is associated with chemical reactivity of bioactive glasses in physiological media [8,9].Andersson and Kan gasniemi [6] found that basic condition for bioactivity of glass is the ability to form a layer of amorphous silica on their surface.Silica gel provides large number of sites with optimal distance between oxygen ions (OO), which fa vours the process of chelation.Accordingly, chelation of phosphate ions to silica gel should be the initial step, fol lowed by calcium ions, and new phosphate ions to satisfy electroneutrality.Later, Andersson and Kangasniemi [6] modified hypothesis of chelation suggesting that active site must contain two phosphate ions attached to two sepa rated silicon atoms, bonded previously with calcium ions.
Surface of implanted bioactive material goes through number of steps regardless of the type of tissue.A series of additional interfacial reaction is needed to complete the process of bioactive glass binding to tissue, however, they are not fully explained yet.According to Hench [5] and Andersson and Kangasniemi [6], the following reactions occur on the interface of tissuebioactive glass: a) adsorp tion of biological components on the layer of carbonate hydroxyapatite; b) reaction of macrophages; c) binding of stem cells; d) differentiation of stem cells; e) matrix production; and f) matrix mineralization.Based on the analysis of the interface of bioactive glass and tissue per formed by Wilson et al., it was concluded that relation ship between bioactive glass and tissue occurs as result of various chemical and mechanical factors [10].In fact, collagen fibres form scaffold for micronucleation of hy droxyapatite crystals, inside the collagen fibres and at the collagen surface.Hydroxyapatite crystals grow epitaxially through the interface of the implant and bone, meaning that hydroxyapatite crystals are oriented along the col lagen fibres [811].
Mechanical strength at the interface of bioactive glass and living tissue decreases with increasing thickness of the interface.In addition, the thickness of this layer is proportional to the bioactive index (I B ) of the material.45S5 bioactive glasses that have high I B , form 200 μm thick interface with relatively low strength of cohesion.In contrast to bioglass 45S5, glass ceramic Cerabone (A/ W®) with medium I B produces interfacial layer of lower thickness (2025 μm) but with higher strength [11].
Interfacial strength is time and morphological factors dependent such as changes in surface and interface mor phology over time.It affects the degree of mineralization of interfacial tissue and increases modulus of elasticity of a given material with time.In many cases, the interfacial adhesive strength is comparable or even higher than the strength of biological material or bone itself.Therefore, if breakage occurs, bone or implant would break but in terface would be rarely affected.Hench [11] found that if bioactive implants are immobilized for the critical time period with tissue they will show strength identical to healthy cortical bone.Biomechanical measurements of femoral implants in primates showed that attachment be tween ceramic implants covered with bio glass 45S5 and bone is very strong.Fracture that occurs due to torsional force occurs mainly through the implant or surrounding bone without breaking the interface between them [811].

BIOACTIVE GLASS-CERAMICS
Glassceramics is obtained using an appropriate heat treatment of the glass that results in the nucleation and growth of specific crystalline phase with the part of resid ual vitreous phase.In the first step a variety of inexpensive glass techniques, including casting, blowing, pressing or rolling is used to obtain glass.Through the subsequent crystallization, glassceramic gets fine microstructure with little or no residual pores that provides good me chanical properties of the end product.
Nucleation of crystallites is critical step for obtaining glassceramics with good features.Temperature must in crease slowly, usually less than 50°C/min, to avoid strain ing through volume changes during crystallisation that can cause cracks or even fracture.Slow warming prevents propagation of stresses within viscous residual glass; mate rial becomes increasingly harder with the progression of crystallization.After completion of heating process final product should be cooled to room temperature.Depending on the composition of glass, crystallization may start on the surface that will result in a product of poor strength.
Brömer et al. [12] developed the first glassceramics (Ceravital) for clinical use in 1973.Ceravital showed ex cellent properties even when used for heavily loaded parts of bones and teeth.The modulus of fracture is below 160 MPa (that corresponds to modulus of fracture of human cortical bone) and similar modulus of fracture to densely sintered hydroxyapatite ceramics (115 MPa).In addition, long term in vivo tests showed that the weakest point of this material is its stability.Bioactivity of ceravital (5.6) has a value approximately half of bioactive glass 45S5 bio activity (12.5).Ceravital implants are exclusively used as a substitute for ossicle chain in middle ear, where even materials with inadequate mechanical properties are ac ceptable.
Ceramics based on the system of hydroxyapatite/ wollastonite (A/W) has been shown more suitable than ceravital in clinical applications.This ceramic consists of two crystalline phases: oxyfluorapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (O, F 2 ) and wollastonite (α CaSiO 3 ) while the rest is glassy phase.This glassceramic was developed by Kokubo et al. [13,14] and in commercial application is known as Cerabone A/W.Special structure of glassceramics pro vides mechanical properties significantly better than Figure 2. The formation mechanism of carbonated hydroxyapatite layer on A/W glass-ceramics according to Kokubo [16].Slika 2. Mehanizam formiranja sloja karbonatnog hidroksiapatita na A/W staklo-keramici prema Kokubu [16] hydroxyapatite (modulus of fracture of 220 MPa which is two times higher than dense sintered hydroxyapatite) and modulus of fracture higher than that of cortical bone (160 MPa).In addition, their cohesiveness (strength) is 2.0 MPa, and hardness by Vickers is 680 HV.Similarly to bio active glass, in simulated physical medium hydroxyapatite layer is formed on the surface of the glassceramics A/W providing bond between glassceramics A/W and bone tissue.Chemical and structural properties of this layer allow osteoblasts proliferation [13,14].
However, unlike bioactive glass, there is no amorphous layer between the silicon carbonated hydroxyapatite and A/W glassceramics as shown in some studies using high performance electron microscopy.Kokubo et al. [13,14] explained that silanol groups formed on glassceramic surface are responsible for the formation of carbonated hydroxyapatite, which provides area for nucleation and bone growth (Figure 2) [15,16].
After implantation into the bone defect, A/W glass ceramics form Ca and Prich layers that allow binding to bone.Bond between these two is that strong that break age (due to bending) never happens on the A/W bone interface but always occurs within the bone [7].Good biocompatibility, bioactivity and mechanical properties of glassceramics facilitate its processing using diamond discs and burs encouraging its use for reconstruction of iliac peaks, vertebral discs and intervertebral discs and in granular form for filling defects.These applications are available in clinical practice since 1980.
De Aza et al. [7] have developed a type of apatite/ wol lastonite glassceramics called Ilmaplant.It is different from A/W glassceramics by a higher content of CaF 2 , SiO 2 and P 2 O 5 and lower CaO content.Due to poor mechanical properties the application of this glassceramics is limited to maxillofacial implants.
Vogel and Höland [17,18] at the University of Jena in 1983 developed a series of bioactive glassceramics, called Bioverit® I.They are obtained from silicatephos phate glasses of complex composition, belonging to Al 2 O 3 MgONa 2 OK 2 OFCaOP 2 O 5 system.After the first series of bioiverit glassceramics, the same authors have developed another family of machine workable glass ceramics, bioverit® II.Later one contained significantly less P 2 O 5 compared to bioverit® I. Bioverit® II also contains fluorflogopite, talclike structure (which crystals show curved morphology not found in any natural mineral) and other crystalline compounds, including cordierite (Mg 2 [Si 5 Al 4 O 4 ]).Furthermore, the same authors devel oped a family of glassceramics called bioverit® III that contained phosphate glass but with no SiO 2 [17,18].
The composition of crystalline phase in the glassy ma trix bioverit® glassceramics can be modified by chang ing the composition of ingredients to transform physical properties and bioactivity of the system.Translucency of material is a function of crystalline phase whereas mechanical workability depends on the content of talc (bioverit® II is more workable than bioverit® I).Addition ally, the color of material can be modified using small amounts of oxides, such as NiO, Cr 2 O 3 , MnO, FeO, Fe 2 O 3 etc.By nineties of the last century more than 1,000 im plants were made of these glassceramics and success fully applied in various medical applications, including orthopedic surgery (acetabulum reconstruction, orbital base repair, reconstruction of the cranial base, rhinoplasty, etc.) [7,17,18].

BIOACTIVE GLASS COATINGS AND COMPOSITES
As mentioned previously the greatest obstacle to wider use of bioactive glasses and glassceramics is related to their poor mechanical properties, especially in areas exposed to mechanical loading.This disadvantage was partially overcome using various methods to increase the strength of these materials.One of proposed solutions was to use bioactive glass as a coating on materials with high mechanical strength.This method is used with number of substrates, such as dense alumina, various types of stainless steel, chromium and cobalt alloys and titanium alloys.Titanium alloys are particularly attractive because of its high strength, low modulus of elasticity and good biocompatibility [19].
Coating is prepared by dipping into melted glass or solution suspension or gel (dipping technique), electro phoresis of solution or suspension (covering metal that works as an electrode), biomimetic growth of coatings or flame and plasma spraying.Methods of spraying are often used for deposition of bioactive glass on metal surface.Another application of bioactive glass is for producing composite for reinforcement of bioactive glass with sec ond phase.Such reinforcing phase can be " bioglass fibers" and alumina, organic polymers and metal fibers.Alumina fibers are not the best choice due to negative effect on tissue [20].Materials reinforced with metal fibers have the greatest potential.Metal fibers reinforce bioglasses and improve their deformability.The most widely used procedure for production of these materials is hot press ing.Ducsheyne and Hench [21] showed composites that consist of 45S5 bioglass and metal fibers AISI 316L of stainless steel.They are obtained by dipping metal fibers into the glass melt.Such composits exhibit improved mechanical strength and ductility with Young's modulus comparable to modulus of human cortical bone.
Other glassbased composites are ceravital reinforced with titanium particles and A/W glassceramics rein forced with partially stabilized ZrO 2 or polyethylene.They can be used as dental implants or can have ortho pedic applications due to low modulus of elasticity, good deformability, tensile and fracture resistance as well as good workability [21].Bioactive glasess are commonly used as ossicle implants in the middle ear of patients with chronic otitis.Merwin et al. demonstrated longterm sta bility of ossicle implants due to their proper attachment to the tympanic membrane [20].Ossicular chain transmits sound vibrations from the tympanic membrane to the oval windows.The chain consists of malleus, incus and stapes.Reck et al. showed that ceravital serves the best for complete reconstruction of ossicular chain [22].
Using A/W glassceramic reconstruction for iliac hump gave acceptable radiological and clinical results.Animal tests demonstrated that bioglass coating is useful for hip replacement due to its mechanical strength and bioactiv ity, with no need for bone cement to attach implant to the bone.Various applications of glassceramics are presented in Table 1 [2].

CONCLUSION
Bioactive glasses are nanomaterials that are often used in tissue engineering of bone and soft tissue and this ma terials are usually used as a scaffold or as a coating on implants.Bioactive glasses allow fast formation of apatite layer with positive effect on osteoblasts and they are usu ally used in dentistry and endodontics.

KRATAK SADRŽAJ
Bi o ak tiv na sta kla su na no ma te ri ja li ko ji se do sta če sto ko ri ste u in že njer stvu ko šta nih i me kih tki va.Broj ni no vo sin te ti sa ni ma te ri ja li za pri me nu u me di ci ni i sto ma to lo gi ji se ba zi ra ju upra vo na ovim bi o ak tiv nim sup stan ca ma.Bi o ak tiv no sta klo se naj če šće ko ri sti kao ska fold ili pre vla ka na im plan ta ti ma, i omo gu ća va br zo for mi ra nje apa tit nog slo ja, od no sno po volj no uti če na pro li fe ra ci ju osteo bla sta.Zna čaj ovih bi o ma te ri ja la za pri me nu u sto ma to lo gi ji i en do don ci ji za slu žu je po seb no me sto, pa će im za to u okvi ru ovog ra da bi ti po sve će na po seb na pa žnja.I ovaj rad je naj ve ćim de lom sa stav ni deo mo no gra fi je pod na zi vom "Na no me di ci na, naj ve ći iza zov 21. ve ka", ko ja je već dve go di ne u ži ži in te re so va nja struč ne i na uč ne jav no sti iz raz li či tih obla sti.In for ma ci je pred sta vlje ne u ra du su vr lo zna čaj ne za te o rij sko osve tlja va nje zna ča ja i struk tur nih od li ka bi o ak tiv nih sta ka la, ko ji su od ne pro ce nji vog zna ča ja za in že njer stvo ko šta nih tki va.Ključ ne re či: bi o ak tiv na sta kla; in že njer stvo tki va; na no me di ci na

UVOD
No vo sin te ti sa ni na no ma te ri ja li mo gu da opo na ša ju svoj stva pri rod nih tki va, iz ra zi to su ci to kom pa ti bil ni i bi o kom pa ti bil ni i po ka zu ju od lič na svoj stva za pri me nu u in že njer stvu tki va i re ge ne ra tiv noj me di ci ni.U ovoj obla sti se naj da lje oti šlo u ko šta nom tkiv nom in že nje rin gu, gde je pa žnja is tra ži va nja usme re na ka raz vo ju ska fol da (ma trik sa) ko ji tre ba da obez be di će lij sku po dr šku i vo đe nje for mi ra nja ko šta nog tki va.U tom smi slu se od ma klo s is tra ži va nji ma kal ci jumfos fat ne ke ra mi ke i hi drok si a pa ti ta, ko ji či ni mi ne ral nu kom po nen tu kal ci fi ko va nih tki va kič me nja ka, od no sno bi o ke ra mič kih ma te ri ja la i bi o ak tiv nih sta ka la.

BIOAKTIVNA STAKLA
Henh (Hench) i sa rad ni ci [1] su ra nih se dam de se tih go di na dva de se tog ve ka po ka za li da pri ko ri šće nju sta ka la sa sta va SiO 2 CaONa 2 OP 2 O 5 ne do la zi do stva ra nja fi bro znog tki va u kon tak tu sa ži vim tki vi ma.Ume sto to ga, for mi ra ju se he mij ske ve ze.Pri mar ni zah tev u od no su na ove ma te ri ja le bio je da ne sa dr že tok sič ne ele men te za ži ve or ga ni zme, već da sa dr že kal ci jum i fos for, kao glav ne kon sti tu en te mi ne ral nih fa za ko šta nih tki va.Kao sta bil ni for mi rač mre že sta ka la iza bran je si li ci jum, što je omo gu ći lo raz voj fos fat nih sta ka la s ma tri ca ma bo ga tim si li ci ju mom.Pr vo bi o ak tiv no sta klo ko je su raz vi li Henh (Hench) i Vo ker (Wal ker) [2] na zva no je bi o sta klo 45S5.Ta kvo sta klo bi lo je vi so ko ak tiv no i la ko je for mi ra lo ve ze čak i sa me kim tki vi ma.To sta klo se sa sto ja lo od: 45% SiO 2 , 24,4% CaO, 24,5% Na 2 O i 6% P 2 O 5 .Bi o sta klo 45S5 se za sni va na si ste mu SiO 2 CaONa 2 OP 2 O 5 .Nje gov sa stav sli čan je sa sta vu ko ji od go va ra eutek tič koj tač ki si ste ma SiO 2 CaONa 2 O i zna čaj no se raz li ku je od ti pič nog sa sta va na tri ju mo vog sta kla, ko je sa dr ži mno go vi še SiO 2 [2,3,4].Bi o sta klo 45S5 po se du je tri mi kro struk tur ne for me (amorf nu, de li mič no kri stal nu i kri stal nu).Ta kvo sta klo iz u ča va no je u broj nim is tra ži va nji ma u uslo vi ma in vi tro i in vi vo.U ne ki ma od tih is tra ži va nja ura đe nih na fe mu ru pa co va ko ri šće na su bi o sta kla ti pa 45S5, ne za vi sno od to ga da li se na la ze u sta kla stoj ili kri stal noj for mi.Po ka za no je da su se svi im plan ta ti, ne za vi sno od ob li ka ta kvog bi o sta kla, ve za li za fe mur pa co va to kom šest ne de lja [1].
Po la ze ći od bi o sta kla 45S5, Henh i Vo ker [2] su raz vi li ve li ku se ri ju sta ka la za sno va nu na kvar ter nom si ste mu SiO 2 CaO Na 2 OP 2 O 5 , pri če mu su sva ona sa dr ža va la 6% P 2 O 5 (Sli ka 1).Bi o ak tiv na sta kla mo gu se kla si fi ko va ti u dve ve li ke gru pe za vi sno od to ga da li su: a) bo ga ta al ka li ja ma (sta kla ko ja je raz vio Henh sa svo jim sa rad ni ci ma), ko ja sa dr že vi še od 20% al kal nih ok si da; ili b) si ro ma šna al ka li ja ma, sa ma nje od 5% ta kvih ok si da.Ta kvim sta kli ma od go va ra ju raz li či te vred no sti bi o ak tiv no sti, što uka zu je i na nji ho ve mo gu će spe ci fič ne pri me ne ve za ne za raz li či te kli nič ke po tre be [58].

PRIPREMA BIOAKTIVNIH STAKALA
Bi o ak tiv na sta kla se pri pre ma ju iz vi so ko či stih si ro vi na, či ji kva li tet ima pre su dan uti caj na kva li tet bi o sta kla.Osnov ni ma te ri ja li za pro iz vod nju bi o sta ka la su či sti kvarc ili SiO 2 pe sak, na tri jum ili ka li jumkar bo nat re ak tiv ne či sto će, kal ci jumfos fa ti ko ji ne sa dr že ve za nu vo du, ili u ne kim re đim si tu a ci ja ma i vi so ko či sti pse u do vo la sto nit (Ca SiO 3 ).Sam pro ces do bi ja nja bi o sta ka la od vi ja se ta ko što se pr vo tač no od me re ne ko li či ne da tih si ro vin skih sme sa to pe u Pt ili Pt/Rh lon či ću; pri to me, ve o ma je va žno da ras top bu de ho mo gen i da se pa žlji vo me ša, ka ko se ne bi iz gu bi le is par lji ve kom po nen te, kao što su Na 2 O i P 2 O 5 .
Solgel pro ces, ko ji se če sto ko ri sti u pro iz vod nji bi o sta ka la, za sni va se na pri me ni or gan skih i neo r gan skih ras tvor nih so li kao si ro vi na.Tem pe ra tu ra to plje nja si ro vin ske sme se je iz me đu 1200 i 1450°C, za vi sno od sa sta va da tog sta kla.Ras top se po tom iz li va u gra fit ni ili če lič ni ka lup, ko ji ne mo že da ga kon ta mi ni ra ili da na nje mu pri a nja sta klo [8].

MEHANIZAM VEZIVANJA BIOAKTIVNOG STAKLA ZA ŽIVA TKIVA
Kod ve zi va nja bi o ak tiv nog sta kla za ko šta no tki vo bi o lo ški ak tiv ni sloj kar bo nat nog hi drok si a pa ti ta se stva ra na po vr ši ni im plan ti ra nog ma te ri ja la.Spo sob nost da se bi o ak tiv na sta kla ve žu za ko šta na tki va po ve za na je s nji ho vom he mij skom re ak tiv no šću u fi zi o lo škom me di ju mu [8,9].
An der son (An der sson) i Kan ga sni e mi (Kan ga sni e mi) [6] su za klju či li da je osnov ni uslov za bi o ak tiv nost sta kla ve zan za for mi ra nje slo ja amorf nog si li ci jumdi ok si da na nji ho voj po vr ši ni.Na osno vu to ga za klju če no je da si li ka gel obez be đu je ve li ki broj me sta sa op ti mal nim raz da lji na ma iz me đu jo na ki se o ni ka (-OO), ko ja fa vo ri zu ju pro ces he la ta ci je.Sa gla sno to me, he la ta ci ja fos fat nih jo na sa si li ka ge lom tre ba lo bi da bu de po la zni ko rak, ko ji po tom sle de kal ci ju mo vi jo ni, po vla če ći za so bom no ve fos fat ne jo ne, da bi bio za do vo ljen kri te ri jum elek tro ne u tral no sti na e lek tri sa nja.Ka sni je su An der son i Kan ga sni e mi [6] mo di fi ko va li hi po te zu he la ta ci je i uka za li na to da ak tiv no me sto mo ra da sa dr ži dva fos fat na jo na ve za na sa dva raz dvo je na ato ma si li ci ju ma, ko ja su pret hod no ve za na sa kal ci ju mo vim jo ni ma.
Po vr ši na im plan ti ra nog bi o ak tiv nog ma te ri ja la pro la zi kroz niz već opi sa nih ko ra ka ne za vi sno o ko jim je tki vi ma reč.Za ve zi va nje bi o ak tiv nog sta kla za tki vo neo p hod na je se ri ja do dat nih me đu po vr šin skih re ak ci ja, ko je zbog ne do volj nog raz u me va nja bi o lo gi je još ni su ade kvat no opi sa ne.Sa gla sno Hen hu [5] i An der so nu i Kan ga sni e mi ju [6], na ta kvim me đu po vr ši na ma de ša va ju se sle de će re ak ci je: a) ad sorp ci ja bi o lo ških kom po ne na ta na slo ju kar bo nat nog hi drok si a pa ti ta; b) re ak ci ja ma kro fa ga; c) ve zi va nje ma tič nih će li ja; d) di fe ren ci ja ci ja ma tič nih će li e) pro iz vod nja (ge ne ra ci ja) ma trik sa; i f) mi ne ra li za ci ja ma trik sa.Na osno vu ana li ze me đu po vr ši ne bi o sta kla i tki va Vil so na (Wil son) i sa rad ni ka, za klju če no je da ve za iz me đu bi o sta ka la i tki va na sta je kao po sle di ca kom bi na ci je raz li či tih he mij skih i me ha nič kih fak to ra [10].Pri to me, iz gle da da ko la gen ska vlak na obez be đu ju ska fold s me sti ma neo p hod nim za mi kro nu kle a ci ju hi drok si a pa tit nih kri sta la, ko ji za u zi ma ju me sta unu tar vla ka na ko la ge na na po vr ši ni ko la ge na.Hi drok si a pa tit ni kri sta li ra stu epi tak si jal no kroz me đu po vr ši nu im plan ta ta i ko sti, što zna či da su kri sta li hi drok si a pa ti ta ori jen ti sa ni duž ko la gen skih vla ka na [811].
Me ha nič ka čvr sto ća na me đu po vr ši ni iz me đu bi o ak tiv nog sta kla i ži vog tki va se sma nju je s po ve ća njem de blji ne me đu po vr ši ne.Po red to ga, de blji na to ga slo ja pro por ci o nal na je vred no sti bi o ak tiv nog in dek sa (I B ) tog ma te ri ja la.Bi o sta kla 45S5, či ji je I B vi sok, for mi ra ju me đu po vr ši nu de be lu 200 μm s re la tiv no sla bom čvr sto ćom ko he zi je.Na su prot bi o sta klu 45S5, sta klo ke ra mi ka Ce ra bo ne (A/W®) sa sred njim vred no sti ma I B , stva ra me đu po vr šin ski sloj znat no ma nje de blji ne (20-25 μm), ko ji je ve o ma čvrst [11].
Me đu po vr šin ska čvr sto ća je funk ci ja za vi sna od vre me na i mor fo lo ških fak to ra, kao što su pro me na po vr ši ne i mor fo lo gi je me đu po vr šin ske obla sti sa vre me nom.Ona uti če na ste pen mi ne ra li za ci je me đu po vr šin skog tki va i po ve ća nje mo du la ela stič no sti da tog ma te ri ja la sa vre me nom.U mno gim slu ča je vi ma me đu po vr šin ska ad he zi o na čvr sto ća upo re di va je ili je čak ve ća od čvr sto će bi o lo škog ma te ri ja la ili sa me ko sti, ta ko da se lom de ša va ili kroz kost ili kroz im plan tat, a ve o ma ret ko kroz me đu po vr ši nu.Henh [11] je utvr dio da, ako se im plan ta ti bi o sta kla imo bi li zu ju u ne kom kri tič nom vre me nu nji ho ve ve ze sa bli skim tki vi ma, po ka zu ju čvr sto ću ve ze isto vet nu zdra voj kor ti kal noj ko sti.Bi o me ha nič ka me re nja fe mo ral nih im plan ta ta kod pri ma ta po ka zu ju da je ve za iz me đu ke ra mič kog im plan ta ta pre kri ve nog bi o sta klom 45S5 i ko sti ja ka, a da se lom pod dej stvom tor zi o nih si la de ša va uglav nom kroz im plan tat ili okol nu kost bez ki da nja me đu po vr ši ne ko sti i im plan ta ta [811].

BIOAKTIVNA STAKLO-KERAMIKA
Sta kloke ra mi ka se do bi ja ko ri ste ći od go va ra ju ću ter mič ku ob ra du sta kla či ji su re zul tat nu kle a ci ja i rast spe ci fič nih kri stal nih fa za, uz deo za o sta le sta kle ne fa ze.U pr vom ko ra ku pro ce sa do bi ja se sta klo ko ri šće njem raz li či tih jef ti nih teh ni ka, uklju ču ju ći li ve nje, du va nje, pre so va nje ili va lja nje.Kroz efe kat na knad ne kri sta li za ci je sta kla, sta kloke ra mi ka za do bi ja fi nu mi kro struk tu ru, ko ja sa dr ži ma lo ili ni ma lo za o sta lih po ra, što sve da je kao re zul tat do bre me ha nič ke oso bi ne kraj njeg pro iz vo da.
Ko rak nu kle a ci je kri sta li ta uvek je kri ti čan za do bi ja nje sta kloke ra mi ke do brih svoj sta va.Tem pe ra tu ra se mo ra po ve ća va ti la ga no, naj če šće ma nje od 5°C u mi nu ti, da bi se iz be glo na pre za nje to kom za pre min ske pro me ne sta kloke ra mič kog si ste ma usled kri sta li za ci je, ko je mo že da iza zo ve na sta ja nje pu ko ti na ili do ve de do lo mlje nja ma te ri ja la.Spo ro za gre va nje olak ša va su zbi ja nje ta kvog na pre za nja kroz vi sko zni tok pre o sta log sta kla, pri če mu ma te ri jal po sta je sve tvr đi sa po ra stom ste pe na nje go ve kri sta li za ci je.Na kon za vr še nog pro ce sa za gre va nja da ti pro iz vod hla di se na sob noj tem pe ra tu ri.U za vi sno sti od da tog sa sta va sta kla, kri sta li za ci ja mo že da za poč ne na po vr ši ni, što za po sle di cu ima pro iz vod sla be čvr sto će.
Za pre min ska kri sta li za ci ja obez be đu je že lje na mi kro struk tur na svoj stva uz do da tak od go va ra ju ćih adi ti va (nu kle a ci o nih agen sa), me ta la (Cu, Ag, Au, Pt) ili me tal nih ok si da (SnO 2 , Ce 2 O 3 , TiO 2 ) ko ji pod sti ču he te ro ge nu nu kle a ci ju kri stal nih fa za.Ve ći na bi o ak tiv nih sta kloke ra mi ka za sni va se na sa sta vi ma slič nim Hen ho vim bi o ak tiv nim sta kli ma (bi o sta klo®), ko ja ve ći nom sa dr že ve o ma ma lu kon cen tra ci ju al kal nih ok si da [12].Naj ra ni ju sta kloke ra mi ku za kli nič ku pri me nu raz vi li su Bre mer (Brömer) i sa rad ni ci [12] 1973.go di ne pod ime nom ce ra vi tal.Ce ra vi tal je po ka zao iz u zet ne oso bi ne čak i pri za me ni op te re će nih de lo va ko sti i zu ba.Nje gov mo dul lo ma je is pod 160 MPa (mo du l ko ji od go va ra hu ma noj kor ti kal noj ko sti) i ima slič nu vred nost mo du lu lo ma gu sto sin te ro va ne hi drok si a pa tit ne ke ra mi ke (115 MPa).Po red to ga, u du go traj nim is pi ti va nji ma in vi vo po ka za no je da je naj sla bi ja tač ka ovog ma te ri ja la nje go va sta bil nost.Bi o ak tiv nost ce ra vi ta la ima vred nost pri bli žno jed na ku po lo vi ni bi o ak tiv no sti bi o sta kla 45S5 (5,6 pre ma 12,5).Ce ra vi tal ni im plan ta ti se is klju či vo ko ri ste kao za me na osi ku lar nih la na ca u sred njem uvu, gde su i ma te ri ja li sa neo d go va ra ju ćim me ha nič kim oso bi na ma pri hva tlji vi za pri me nu.
Ke ra mi ka ko ja se po ka za la uspe šni jom od ce ra vi tala u kli nič kim pri me na ma je ona ko ja se za sni va na si ste mu hi drok si a pa tit-vo la sto nit (A/W).Ona se sa sto ji od dve kri stal ne fa ze: ok si flu o ra pa ti ta Ca 10 (PO 4 ) 6 (O, F 2 ) i vo la sto ni ta (α Ca SiO 3 ), dok njen osta tak či ni sta kla sta fa za.Ovu sta kloke ra mi ku raz vi li su Ko ku bo (Ko ku bo) i sa rad ni ci [13,14] i u ko mer ci jal noj pri me ni je pod na zi vom Ce ra bo ne A/W.Po seb ne struk tu re sta kloke ra mi ke ima ju znat no bo lje me ha nič ke oso bi ne od hi drok si a pa ti ta (mo dul lo ma oko 220 MPa, ve ći oko dva pu ta od sin te ro va nog gu stog hi drok si a pa ti ta) ko je pre la ze vred no sti mo du la lo ma za kor ti kal ne ko sti od 160 MPa.Uz to nji ho va ko he ziv nost (ja či na) je 2,0 MPa, a Vi ker so va tvr do ća oko 680 HV.Slič no bi o ak tiv nom sta klu, u si mu li ra nom te le snom me di ju mu stva ra se hi drok si a pa tit ni sloj, kao i na po vr ši ni sta kloke ra mi ke A/W.Upra vo taj for mi ra ni sloj hi drok si a pa ti ta omo gu ću je spa ja nje sta klo ke ra mi ke A/W s ko šta nim tki vom.Za hva lju ju ći he mij skim i struk tur nim od li ka ma ovog slo ja kar bo nat nog hi drok si a pa ti ta, slič no kao i kod ko šta nog tki va, oče ku je se da na me đu po vr ši ni s ko sti ma pro li fe ru ju oste o bla sti [13,14].
Ipak, za raz li ku od bi o ak tiv nog sta kla, ne ma amorf nog si li ci ju mo vog slo ja iz me đu kar bo nat nog hi drok si a pa ti ta i A/W sta kloke ra mi ke, kao što je to u ne kim is tra ži va nji ma po ka za no me to dom vi so ko re zo lu cij ske elek tron ske mi kro sko pi je.Ko ku bo i sa rad ni ci [13,14] sma tra ju da su si la nol ne gru pe for mi ra ne na sta kloke ra mič kim po vr ši na ma od go vor ne za for mi ra nje slo ja kar bo nat nog hi drok si a pa ti ta, ko ji obez be đu je me sta po god na za nu kle a ci ju i rast ko sti (Sli ka 2) [15,16].
Po sle im plan ta ci je u ko šta ni de fekt, A/W sta kloke ra mi ka for mi ra Ca i Pbo ga te slo je ve ko ji ma se ve že sa ko sti ma.Ve zi va nje je ta ko sna žno, da ni kad ne do la zi do lo ma (usled sa vi ja nja) na A/W ko šta noj me đu po vr ši ni, ne go se lom uvek de ša va unu tar ko sti [7].Do bra bi o kom pa ti bil nost, bi o ak tiv nost i me ha nič ke oso bi ne ove sta kloke ra mi ke olak ša va ju nje nu ob ra du di ja mant skim dis ko vi ma i bu še nje, i na taj na čin pod sti ču nje nu pri me nu u re kon struk ci ji ili jač nih vr ho va, pr šlje no va i me đu pr šlje nih di sko va i u ob li ku gra nu la za pu nje nje de fe ka ta.Ta kve pri me ne su za stu plje ne u kli nič koj prak si od 1980.go di ne.
De Aza i sa rad ni ci [7] su raz vi li vr stu apa titvo la stonit ne sta kloke ra mi ke pod na zi vom Il ma plant.Od A/W sta klo ke ra mi ke raz li ku je se po ve ćem sa dr ža ju CaF 2 , SiO 2 i P 2 O 5 i ma njem sa dr ža ju CaO.Zbog sla bih me ha nič kih oso bi na, pri me na ove sta kloke ra mi ke ogra ni če na je na mak si lo fa ci jal ne im plan ta te.
Fo gel (Vo gel) i He land (Höland) [17,18] su 1983.go di ne na Uni ver zi te tu u Je ni raz vi li se ri ju bi o ak tiv nih sta kloke ra mi ka ko je su na zva ne bi o ve rit® I. Ta kve sta kloke ra mi ke do bi je ne su iz si li kat nofos fat nih sta ka la kom plek snog sa sta va, ko ja pri pa da ju si ste mu Al 2 O 3 MgONa 2 OK 2 OFCaOP 2 O 5 .Na da te pr ve se ri je bi ve rit nih sta kloke ra mi ka, isti auto ri su raz vi li dru gu fa mi li ju ma šin ski la ko ob ra di vih sta kloke ra mi ka, ko ju su na zva li bi o ve rit® II.Ta kve sta kloke ra mi ke sa dr že znat no ma nje P 2 O 5 u od no su na bi o ve rit® I. Bi o ve rit® II ta ko đe sa dr ži flu o r flo go pit, struk tu re slič ne tal ku (či ji kri sta li po ka zu ju za kri vlje nu mor fo lo gi ju, ko ja ni je re gi stro va na ni kod jed nog mi ne ra la u pri ro di) uz dru ga kri stal na je di nje nja, me đu ko ji ma po se ban zna čaj ima kor di je rit (Mg 2 [Si 5 Al 4 O 4 ]).Na kra ju, raz vi li su fa mi li ju sta kloke ra mi ka na zva nu bi o ve rit® III, iz fos fat nog sta kla ko je ne sa dr ži SiO 2 [17,18].
Sa stav kri stal ne fa ze u sta kla stoj ma tri ci sta kloke ra mi ke bi o ve rit® mo že se mo di fi ko va ti pro me nom sa sta va, da bi se na taj na čin mo di fi ko va li fi zič ke oso bi ne i bi o ak tiv nost si ste ma.Tran slu cen ci ja ovih ma te ri ja la je funk ci ja ude la kri stal nih fa za, dok ma šin ska ob ra di vost za vi si od sa dr ža ja tal ka (bi o ve rit® II se mo že bo lje ob ra di ti od bi o ve rit® I).Uz to bo ja ma te ri ja la mo že se mo di fi ko va ti ma lim ko li či na ma ok si da, kao što su NiO, Cr 2 O 3 , MnO, FeO, Fe 2 O 3 itd.Do sre di ne de ve de se tih go di na pro šlog ve ka vi še od 1.000 im plan ta ta je na pra vlje no na ba zi ovih sta kloke ra mi ka i uspe šno pri me nje no u ra znim me di cin skim po stup ci ma, kao što je or to ped ska hi rur gi ja (re kon struk ci ja ace ta bu lu ma, po prav ka or bi tal ne osno ve, re kon struk ci ja kra ni jal ne osno ve, ri no pla sti ka itd.) [7,17,18].

PREVLAKE BIOAKTIVNIH STAKALA I KOMPOZITI
Kao što je pret hod no već re če no, naj ve ća pre pre ka ši rem ko ri šće nju bi o ak tiv nih sta ka la i sta kloke ra mi ke ve za na je za nji ho ve sla be me ha nič ke oso bi ne, po seb no u zo na ma iz lo že nim me ha nič kom op te re će nju.Ovaj ne do sta tak je de li mič no pre va zi đen ko ri šće njem raz li či tih me to da da se po ve ća čvr sto ća ta kvih ma te ri ja la i olak ša nji ho vo ko ri šće nje kao im plan ta ta.Jed no od re še nja je da se ko ri sti bi o ak tiv no sta klo kao pre vla ka za ma te ri ja le vi so ke me ha nič ke čvr sto će.Ova me to da je ko ri šće na s ve li kim bro jem sup stra ta, uklju ču ju ći gu stu alu mi nu, raz ne ti po ve ner đa ju ćih če li ka, le gu re hro ma i ko bal ta i ti ta ni ju mo ve le gu re.Le gu re ti ta ni ju ma su po seb no pri vlač ne zbog svo je vi so ke čvr sto će, ni skog mo du la ela stič no sti i do bre bi o kom pa ti bil no sti [19].
Kod ovih me to da pre vla ka se pri pre ma uma ka njem u ras top sta kla ili ras tvor su spen zi je ili gel (teh ni ka uma ka nja), elek tro fo re zom iz ras tvo ra ili su spen zi je (pre kri va ju ći me tal de lu je kao elek tro da), bi o mi met skim ra stom pre vla ke ili pla me nim i pla zma ras pr ši va njem.Me to de ras pr ši va nja se ve o ma mno go ko ri ste za de po no va nje bi o ak tiv nog sta kla na po vr ši nu me ta la.Dru ga pri me na bi o ak tiv nih sta ka la je u pro iz vod nji kom po zi ta za oja ča nje bi o ak tiv nog sta kla sa dru gom fa zom.Ta kve oja ča va ju će fa ze mo gu bi ti "vlak na bi o sta kla" i alu mi ne, or gan ski po li me ri i me tal na vlak na.Alu mi na vlak na ni su naj po god ni ja, jer uti ču ra za ra ju će na tki va [20].Ma te ri ja li oja ča ni me tal nim vlak ni ma ima ju naj ja či po ten ci jal.Me tal na vlak na oja ča va ju bi o sta kla i po bolj ša va ju nji ho vu de for ma bil nost.Naj ši re se ko ri sti pro ce du ra za pro iz vod nju ovih ma te ri ja la to plim pre so va njem.Di šejn (Duc sheyne) i Henh [21] su po ka za li u svo jim is tra ži va nji ma kom po zi te ko ji se sa sto je od bi o sta kla 45S5 i me tal nih vla ka na AISI 316L ner đa ju ćeg če li ka.Pro ce du ra je iz ve de na uma ka njem me tal nih vla ka na u ras top sta kla.Ta kvi kom po zi ti po ka zu ju bo lju me ha nič ku čvr sto ću i duk til nost, uz Jan gov mo dul upo re div s Jan go vim mo du lom hu ma nih kor ti kal nih ko sti ju.
Dru gi kom po zi ti za sno va ni na sta klu su ce ra vi tal oja čan ti ta ni ju mo vim če sti ca ma i A/W sta klo-ke ra mi ka oja ča na de li mič no sta bi li sa nim ZrO 2 ili po li e ti le nom.Su štin ski zah te vi u od no su na ove ma te ri ja le su da se ko ri ste kao den tal ni im plan ta ti ili u or to ped skim pri me na ma, jer pose du ju ni zak mo dul ela stič no sti, do bru de for ma bil nost, čvr sto ću is te za nja i do bar ot por na udar, pri če mu se uz sve to još i la ko ma šin ski ob ra đu ju [21].
Bi o sta kla se naj če šće ko ri ste kao im plan ta ti s te žnjom da sa ču va ju al ve o lar ni la nac i de li mič no ili pot pu no za me ne osi ku lar ni la nac sred njeg uva pa ci je na ta s hro nič nim oti tisom.Mer vin (Mer win) i sa rad ni ci su po ka za li du go traj nu sta bil nost ovih im plan ta ta ko ja pro iz la zi iz na či na nji ho vog ve zi va nja s tim pa nič nom mem bra nom [20].Osi ku lar ni la nac je ma la kost u sred njem uvu ko ja pra vi la nac ko ji pre no si vi bra ci je zvu ka od tim pa nič ne mem bra ne do ja jo li kog pro zo ra.Taj la nac se sa sto ji od če ki ća, na kov nja i uzen gi je.Po sle du ge kli nič ke pri me ne Rek (Reck) i sa rad ni ci su po ka za li da je ce ra vi tal naj e fi ka sni ji kao pro te za za pot pu nu re kon struk ci ju osi ku lar nog lan ca [22].
Ko ri šće nje A/W sta kloke ra mi ke za re kon struk ci ju ili jač ne gr be da lo je pri hva tlji ve ra di o lo ške i kli nič ke re zul ta te.Te sto vi na ži vo ti nja ma po ka za li su da su pre vla ke bi o sta kla ko ri sne za traj ne pro te ze ku ka, jer kom bi nu ju do bru me ha nič ku čvr sto ću i bi o ak tiv nost, zbog če ga pri nji ho vom ko ri šće nju ni je po treb no pri me ni ti ko šta ne ce men te za ka če nje im plan ta ta za kost.Raz ne mo guć no sti pri me ne sta kloke ra mi ka da te su i u ta be li 1 [2].