Tailored Bioactive Glass Coating: Navigating Devitrification Toward a Superior Implant Performance

材料科学 去玻璃化 涂层 硼硅酸盐玻璃 热膨胀 无定形固体 生物活性玻璃 结晶 复合材料 溶解 热稳定性 化学工程 化学 结晶学 工程类
作者
Anustup Chakraborty,Subhadip Bodhak,Indrajit Tah,Shashi Kant,Debolina Saha,Krishna Kishor Dey,Neelima Gupta,Manasi Ghosh,Sucheta Tripathy,Amarnath R. Allu,Kaushik Biswas
出处
期刊:ACS Biomaterials Science & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (8): 5300-5312
标识
DOI:10.1021/acsbiomaterials.4c01032
摘要

The development of well-adherent, amorphous, and bioactive glass coatings for metallic implants remains a critical challenge in biomedical engineering. Traditional bioactive glasses are susceptible to crystallization and exhibit a thermal expansion mismatch with implant materials. This study introduces a novel approach to overcome these limitations by employing systematic Na2O substitution with CaO in borosilicate glasses. In-depth structural analysis (MD simulations, Raman spectroscopy, and NMR) reveals a denser network with smaller silicate rings, enhancing thermal stability, reducing thermal expansion, and influencing dissolution kinetics. This tailored composition exhibited optimal bioactivity (in vitro formation of bone-like apatite within 3 days) and a coefficient of thermal expansion closely matching Ti-6Al-4V, a widely used implant material. Furthermore, a consolidation process, meticulously designed with insights from crystallization kinetics and the viscosity-temperature relationship, yielded a crack-free, amorphous coating on Ti-6Al-4V substrates. This novel coating demonstrates excellent cytocompatibility and strong antibacterial action, suggesting superior clinical potential compared with existing technologies.
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