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Bioactive Silicon Oxycarbide Based Glasses & Glass-ceramics

Xie, Fangtong (2020):
Bioactive Silicon Oxycarbide Based Glasses & Glass-ceramics.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011545,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bioactive Silicon Oxycarbide Based Glasses & Glass-ceramics
Language: English
Abstract:

The present work introduces a detailed study related to the synthesis of novel silicon oxycarbide based glasses and glass-ceramics as well as their in vitro bioactivity, i.e., their ability to induce surface mineralization of hydroxyapatite upon exposure to simulated body fluid (SBF). The focus of the work was to rationalize the correlations between the structural features of the prepared silicon oxycarbide based materials and their bioactivity. Thus, the effect of the glass network architecture, of secondary phases as well as of the specific surface area and porosity on the bioactivity of silicon oxycarbide was investigated. This was achieved upon modification of the silicon oxycarbide glass network with additional elements, i.e., B, Ca, Sr, which were shown to affect both the glass network architecture and the phase composition of the prepared silicon oxycarbides. Moreover, the specific surface area of the prepared materials was modulated upon adjusting their synthetic procedure, as shown exemplarily in the present work for Ca-modified silicon oxycarbide glasses. The incorporation of additional B, Ca and/or Sr elements into silicon oxycarbide modified its microstructure in three different ways: (i) by forming minor soluble secondary calcium silicate and/or strontium silicate phases as for Ca and Sr modification, (ii) by introducing Q3 units (silicon tetrahedra with one non-bridging-oxygen) into silicon oxycarbide amorphous network as for Ca modification and (iii) by reducing network carbon content as for B modification. The dissolution of crystalline silicate phases during bioactivity assessment of prepared silicon oxycarbide materials in SBF solution resulted in increased Si release, which was beneficial for apatite formation. On the other hand, both the formation of Q3 units and the decrease of carbon content in the glassy network decreased its network connectivity (NC). The less connected network architecture was responsible for the improved bioactivity of the investigated silicon oxycarbide materials. Furthermore, the slight network depolymerization effect upon Q3 formation was found to have a higher influence on the silicon oxycarbide bioactivity than network carbon content. Thus, slight network depolymerization in silicon oxycarbide based glasses is sufficient to achieve high bioactivity. The specific surface area and the porosity of silicon oxycarbide were modulated in a case study on sol-gel based Ca-modified silicon oxycarbide glasses. Thereafter, the introduction of Ca into the oxycarbide glass was shown to have significant effects on the structural features of the prepared xerogels as well as the resulting Ca-containing silicon oxycarbide glasses. Moderate content of Ca modifier was shown to generate mesoporosity in the xerogel and stabilize it against collapse; while higher content resulted in a significantly reduced surface area and porosity in the xerogel. Moreover, two main effects were observed in the resulting oxycarbide glasses: (i) moderate Ca content led to high surface area and amorphous glasses and (ii) high Ca content induced the formation of calcium silicate secondary phase. It was shown in this case study that high specific surface area, which was provided by relatively large fractions of mesoporosity, is highly beneficial for achieving high bioactivity.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit wird eine detaillierte Studie vorgestellt, die sich mit der Synthese neuartiger Siliziumoxycarbid-basierter Gläser und Glaskeramiken sowie mit ihrer in vitro Bioaktivität befasst, d. h. mit ihrer Fähigkeit, eine Oberflächenmineralisierung von Hydroxylapatit bei ihrer Aussetzung in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) zu induzieren. Der Schwerpunkt der Arbeit lag daran, die Korrelationen zwischen den Strukturmerkmalen der hergestellten Siliziumoxycarbid-basierten Materialien und ihrer Bioaktivität zu rationalisieren. Dementsprechend wurde der Einfluss der Glasnetzwerkarchitektur, der Sekundärphasen sowie der spezifischen Oberfläche und Porosität auf die Bioaktivität von Siliziumoxycarbid untersucht. Dies wurde erreicht durch Modifikation des Siliziumoxycarbid-Glasnetzwerks mit zusätzlichen Elementen, d. h. B, Ca, Sr. Es wurde gezeigt, dass sie sowohl die Glasnetzwerkarchitektur als auch die Phasenzusammensetzung der hergestellten Siliziumoxycarbide beeinflussten. Darüber hinaus wurde die spezifische Oberfläche der hergestellten Materialien durch das Einstellen ihres Syntheseverfahrens moduliert, wie dies beispielhaft in der vorliegenden Arbeit für Ca-modifizierte Siliziumoxycarbid-Gläser gezeigt wurde. Der Einbau zusätzlicher B, Ca und / oder Sr Elemente in Siliziumoxycarbid modifizierte seine Mikrostruktur auf drei verschiedene Arten: (i) durch Bildung von geringfügigen löslichen sekundären Kalziumsilikat- und / oder Strontiumsilikat-Phasen wie bei der Ca- und Sr-Modifikation, (ii) durch Einführen von Q3-Einheiten (Siliziumtetraeder mit einem nicht-brückenden-Sauerstoff) in das amorphe Siliziumoxycarbid-Netzwerk wie bei der Ca-Modifikation und (iii) durch Verringern des Netzwerkkohlenstoffgehalts wie bei der B-Modifikation. Die Auflösung kristalliner Silikat-Phasen während der Bioaktivitätsauswertung von hergestellten Siliziumoxycarbid-Materialien in SBF-Lösung führte zu einer erhöhten Si-Freisetzung, die für die Apatit-Bildung von Vorteil war. Andererseits verringerten sowohl die Bildung von Q3-Einheiten als auch die Abnahme des Kohlenstoffgehalts im glasartigen Netzwerk die Netzwerkkonnektivität (NC). Die weniger vernetzte Netzwerkarchitektur war für die verbesserte Bioaktivität der untersuchten Siliziumoxycarbid-Materialien verantwortlich. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die leichte Netzwerk-Depolymerisation bei der Q3-Bildung einen höheren Einfluss auf die Bioaktivität von Siliziumoxycarbid als der Netzwerkkohlenstoffgehalt hatte. Eine leichte Depolymerisation des Glasnetzwerks von Siliziumoxycarbid ist daher ausreichend, um eine hohe Bioaktivität zu erzielen. Die spezifische Oberfläche und die Porosität von Siliziumoxycarbid wurden in einer Fallstudie an Sol-Gel abgeleiteten Ca-modifizierten Siliziumoxycarbid-Gläsern moduliert. Demnach wurde es gezeigt, dass die Einführung von Ca in das Oxycarbid-Glas bedeutende Auswirkungen auf die Strukturmerkmale der hergestellten Xerogele sowie der sich daraus ergebenen Ca-haltigen Siliziumoxycarbid-Gläser hatte. Es wurde gezeigt, dass ein mäßiger Gehalt an Ca-Modifikator Mesoporosität im Xerogel erzeugte und sie gegen Kollaps stabilisierte; während ein höherer Gehalt zu deutlich verringerter Oberfläche und Porosität im Xerogel führte. Darüber hinaus wurden bei den resultierenden Oxycarbid-Gläsern zwei Haupteffekte beobachtet: (i) ein mäßiger Ca-Gehalt führte zu einer hohen Oberfläche und amorphen Gläsern und (ii) ein hoher Ca-Gehalt induzierte die Bildung der Kalziumsilikat-Sekundärphase. In dieser Fallstudie wurde gezeigt, dass eine hohe spezifische Oberfläche, die durch relativ große Anteile an Mesoporosität bereitgestellt wurde, für eine verbesserte Bioaktivität von großem Vorteil ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Dispersive Solids
Date Deposited: 25 Mar 2020 12:42
Last Modified: 25 Mar 2020 12:42
DOI: 10.25534/tuprints-00011545
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115458
Referees: Ionescu, PD Dr. Emanuel and Boccaccini, Prof. Dr. Aldo R.
Refereed: 6 March 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11545
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