Effect of Nb-addition in bioactive borate glasses : from characterization to application

Abstract

Resumo: A presente tese investiga a incorporação de pentóxido de nióbio (Nb2O5) em vidros bioativos à base de borato sintetizados pelo método de fusão e choque térmico, com o objetivo de elucidar seu papel estrutural e seu impacto nas suas propriedades com foco em aplicações biomédicas. Considerando a reconhecida bioatividade dos vidros de borato e o comportamento dual do nióbio, como formador e modificador de rede, este estudo avalia como diferentes teores de Nb2O5 (0, 2,5, 5, 7,5 e 10 wt.%) afetam a estrutura vítrea, a reatividade, a bioatividade, a citocompatibilidade e a resposta hemostática. Para isso, medidas de densidade, radiopacidade, fator de empacotamento atômico e espectroscopia Raman foram realizadas e confirmaram a incorporação de Nb na estrutura vítrea. A difração de raios X indicou a natureza amorfa dos materiais, enquanto a espectroscopia no infravermelho com reflectância total atenuada por transformada de Fourier (ATR-FTIR) indicou uma conversão de unidades BO4 para BO3 com o aumento do teor de Nb, o que se correlacionou com a diminuição da dureza e do módulo de elasticidade. As análises de sorção dinâmica de vapor (DVS) e espectrometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES) demonstraram uma redução na reatividade e nas taxas de liberação iônica com o aumento do teor de Nb, bem como uma menor taxa de formação de camada apatitica quando imersos em fluido corporal simulado (SBF). A citocompatibilidade com células-tronco mesenquimais derivadas de tecido adiposo humano foi demonstrada na presença dos produtos de dissolução iônica dos vidros, resultando em taxas de proliferação maiores na presença de maior teor de Nb. Por outro lado, os vidros sem Nb apresentaram desempenho hemostático superior, o que sugere que, nos vidros com adição de Nb, a formação de complexos de niobato pode interferir na troca iônica e nas vias de coagulação. De modo geral, a incorporação de Nb em vidros boratos bioativos permite ajustar suas propriedades e pode aprimorar sua funcionalidade para aplicações biomédicas.

Abstract: This thesis investigates the incorporation of niobium pentoxide (Nb2O5) into bioactive borate-based glasses synthesized by the melt-quenching method, with the aim of elucidating its structural role and its impact on the properties of these materials, focusing on biomedical applications. Considering the well-known bioactivity of borate glasses and the dual behavior of niobium, as both a network former and modifier, this study evaluates how different Nb2O5 contents (0, 2.5, 5, 7.5 and 10 wt.%) affect the glass structure, reactivity, bioactivity, cytocompatibility and hemostatic response. For this purpose, measurements of density, radiopacity, atomic packing factor, and Raman spectroscopy were carried out and confirmed the incorporation of Nb into the glass structure. X-ray diffraction verified the amorphous nature of the materials, while attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) indicated a conversion from BO4 to BO3 units with increasing Nb content, which is correlated with a decrease in hardness and elastic modulus. Dynamic vapor sorption (DVS) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) demonstrated a reduction in reactivity and ionic release rates with increasing Nb content, as well as a lower rate of apatite layer formation When immersed in simulated body fluid (SBF). Cytocompatibility with human adipose-derived mesenchymal stem cells was demonstrated, in the presence of the glasses ionic dissolution products, increase proliferation rates in the presence of higher Nb content. On the other hand, Nb-free glasses exhibited superior hemostatic performance, which suggests that, in Nb-addition glasses, the formation of niobate complexes may interfere with ion Exchange and coagulation pathways. Overall, the incorporation of Nb into bioactive borate glasses allows for tuning their properties and may enhance their functionality for biomedical applications.