Modern approaches to the development of efficient systems of SiO2-CaO bioglasses doped with iron(III) and zinc(II) compounds
Authors: Гусева Е.В. , Та А.Т. , Буй С.В. , Фесик Е.В. 
Published: August 2024

Представлены результаты сравнительной оценки условий синтеза, физико-химических характеристик и биоактивности стеклообразных систем вида 60SiO2–(40–x)CaO–xFe2O3 (x = 0, 1, 3, 5% мол.) и 70SiO2–(30–x)CaO–xZnO (x = 1, 3, 5% мол.). Установлено, что температура спекания для получения цинксодержащих порошков составляет 700°C; для железосодержащих порошков ‒ 750°C. Найдено, что на аморфную природу стеклообразных железо- и цинксодержащих систем влияет содержание Fe2O3 и ZnO. Железосодержащие системы являются аморфными при допировании Fe2O3 в количестве x = 0 и 1% мол.; цинксодержащие ‒ при допировании ZnO в количестве x = 1, 3, 5% мол. Показано, что железо- и цинксодержащие системы являются биостеклами (БС) и их биоактивность подтверждается наличием пиков минеральных слоев гидроксиапатита при 2θ = 26° (002), 32° (211) в спектрах рентгеновской дифракции после выдерживания образцов в растворе SBF. С увеличением содержания Fe2O3 или ZnO от 0÷1% мол. до 5% мол. биоактивность снижается, что подтверждается уменьшением или исчезновением одного из пиков гидроксиапатита в системах 60Si37Ca3Fe, 70Si35Ca5Zn. Наиболее активное формирование слоев гидроксиапатита наблюдается для 60Si39Ca1Fe, 70Si39Ca1Zn. Результаты исследований магнитных, термических и текстурных свойств показывают, что ионы Fe(III) и Zn(II) являются модификаторами стекловидной сетки, замещая ионы кальция и кремния в ней. При этом установлено, что добавки ионов Fe(III) индуцируют магнитные свойства систем с сохранением их биоактивности. Магнитные свойства усиливаются с увеличением содержания Fe2O3. Увеличение содержания ZnO от 1 до 5% мол. в системах вызывает снижение температуры фазового перехода и вызывает уменьшение пористости. Добавление ионов вышеуказанных элементов придает БС полезные свойства, при этом БС растворяются в организме без следа, не образуя токсичных химических соединений.

The results of a comparative assessment of the synthesis conditions, physicochemical characteristics, and bioactivity of glassy systems of the form 60SiO2–(40–x)CaO–xFe2O3 (x = 0, 1, 3, 5% mol.) and 70SiO2–(30–x)CaO– xZnO (x = 1, 3, 5% mol.). It has been established that the sintering temperature for obtaining zinc-containing powders is 700°C; for iron-containing powders – 750°C. It was found that the content of Fe2O3 and ZnO affects the amorphous nature of glassy iron- and zinc-containing systems. Iron-containing systems are amorphous when Fe2O3 is doped in an amount x = 0 and 1 mol.%; zinc-containing - with ZnO doping in the amount of x = 1, 3, 5% mol. It has been shown that iron- and zinc-containing systems are bioglasses (BG) and their bioactivity is confirmed by the presence of peaks of mineral layers of hydroxyapatite at 2θ = 26° (002), 32° (211) in the X-ray diffraction spectra after keeping the samples in the SBF solution. With an increase in the content of Fe2O3 or ZnO from 0÷1% mol. to 5% mol., the bioactivity decreases, which is confirmed by the decrease or disappearance of one of the peaks of hydroxyapatite in the systems 60Si37Ca3Fe, 70Si35Ca5Zn. The most active formation of hydroxyapatite layers is observed for 60Si39Ca1Fe, 70Si39Ca1Zn. The results of studies of magnetic, thermal, and textural properties show that Fe (III) and Zn (II) ions are vitreous network modifiers, replacing calcium and silicon ions in it. It was found that the addition of Fe (III) ions induces the magnetic properties of systems while maintaining their bioactivity. The magnetic properties increase with increasing Fe2O3 content. An increase in the content of ZnO from 1 to 5% mol. in systems causes a decrease in the phase transition temperature and causes a decrease in porosity. The addition of ions of the above elements gives BG useful properties, while BG dissolves in the body without a trace, without forming toxic chemical compounds.