[論文レビュー] Modern Definition of Bioactive Glasses and Glass-Ceramics

Adam Shearer, Maziar Montazerian+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Bone Tissue Engineering Materials被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、生物学的活性を誘発するために設計された非平衡で非結晶性または無機非金属材料としてのバイオアクティブガラス（BGs）およびガラスセラミックス（BGCs）の現代的で拡張された定義を提案する。新しい定義は、骨再生および軟部組織再生、イオン供給、ハイパーサーミア、光線療法、 brachytherapy、および薬物送達を含み、従来の骨接着にとどまらない広範な臨床的・治療的応用を反映している。

ABSTRACT

Bioactive glasses (BGs) and glass-ceramics (BGCs) have become a diverse family of materials being applied for treatment of many medical conditions. The traditional understanding of bioactive glasses and glass-ceramics pins them to bone-bonding capability without considering the other fields where they excel, such as soft tissue repair. We attempt to provide an updated definition of BGs and BGCs by comparing their structure, processing, and properties to those of other biomaterials. The proposed modern definition allows for consideration of all applications where the BGs and BGCs are currently used in the clinic and where the future of these promising biomaterials will grow. The new proposed definition of a bioactive glass is "a non-equilibrium, non-crystalline material that has been designed to induce specific biological activity". The proposed definition of a bioactive glass-ceramic is "an inorganic, non-metallic material that contains at least one crystalline phase within a glassy matrix and has been designed to induce specific biological activity." BGs and BGCs can bond to bone and soft tissues or contribute to their regeneration. They can deliver a specified concentration of inorganic therapeutic ions, heat for magnetic-induced hyperthermia or laser-induced phototherapy, radiation for brachytherapy, and drug delivery to combat pathogens and cancers.

研究の動機と目的

• 従来の定義が骨接着用途に限定されるという限界を是正すること。
• 軟部組織修復、薬物送達、ハイパーサーミアなどの新たな臨床的応用を、定義の根幹に組み込むこと。
• 現在および将来のバイオマテリアル応用の全範囲を反映する、統一的で科学的に厳密なフレームワークを提供すること。
• 材料設計および生物学的機能の進展に合わせて、BGsおよびBGCsの概念的基盤を更新すること。
• 光線療法、放射線療法、イオン供給を含む多様な治療モodalitiesにわたり、定義が常に関連性を保つようにすること。

提案手法

• 他のバイオマテリアルと比較して、BGsおよびBGCsの構造的・プロセッシング的・機能的特性を分析する。
• 機能的意図に基づく定義の洗練：特定の生物学的応答を誘発するために設計された材料。
• イオン放出、熱療法、放射線、薬物送達といった多様な治療メカニズムを、核心的基準に統合する。
• 構造的・組成的基準の使用：BGsについては非平衡で非結晶性であること。BGCsについてはガラス状マトリックスに結晶相を含むこと。
• 既存の臨床用材料および新規応用に新しい定義を適用し、範囲および有用性を検証する。
• 研究結果を統合し、学術的および臨床的採用に適した公式で発表可能な定義を策定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイオアクティブガラスの定義を、骨接着を超えたその拡大した役割を反映するようにどのように更新できるか？
• RQ2 現代の医療的文脈において、材料がバイオアクティブとされるために満たすべき構造的および機能的基準は何か？
• RQ3 BGsおよびBGCsの機能的特性は、軟部組織再生および標的療法へどのように拡張されるか？
• RQ4 イオン供給、ハイパーサーミア、および放射線療法は、「バイオアクティビティ」という概念とどのように整合するか？
• RQ5 現在および将来の応用を網羅する統一的で機能志向の定義を確立できるか？

主な発見

• 現代的定義におけるバイオアクティブガラスとは、特定の生物学的活性を誘発するために設計された非平衡で非結晶性の材料である。
• 現代的定義におけるバイオアクティブガラスセラミックスとは、ガラス状マトリックスに少なくとも1つの結晶相を含む無機的で非金属性の材料であり、特定の生物学的活性を誘発するために設計されたものである。
• BGsおよびBGCsは、骨だけでなく軟部組織に対しても接着可能であると認識され、より広範な再生医療応用が可能となった。
• これらの材料は、治療用イオンを供給でき、ハイパーサーミアのための発熱を生成し、 brachytherapy 用に放射線を放出し、標的薬物送達を可能にする。
• 更新された定義は、光線療法、がん治療、および抗菌療法といった新規応用を支援する。
• 新しいフレームワークにより、科学的整合性が保たれ、今後のバイオマテリアル分野の革新に対しても前向きな適合性が確保される。