ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT -o0o - BÁO CÁO MÔN HỌC: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT LIỆU VÔ CƠ ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP SOL – GEL MỚI TRONG THỦY TINH HOẠT TÍNH SINH HỌC 45S5 SỬ DỤNG ACID HỮU CƠ LÀM CHẤT XÚC TÁC GVHD: TS Nguyễn Xuân Thanh Trâm TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2018 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH MINH HỌA iii DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU iv TÓM TẮT BÁO CÁO Chương GIỚI THIỆU .2 1.1 Tổng quan 1.2 Tình hình nghiên cứu .2 1.3 Mục tiêu Chương VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .4 2.1 Tổng hợp Sol - gel .4 2.2 Tính chất hóa lý đặc điểm cấu trúc .5 2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét phân tích tia X (SEM - EDXS) 2.2.2 Quang phổ hồng ngoại biến đổi Furier (FTIR) 2.2.3 Nhiễu xạ tia X (XRD) 2.2.4 Xác định diện tích bề mặt cụ thể phương pháp BET 2.3 Thử nghiệm hoạt tính sinh học ống nghiệm .7 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .8 3.1 Tối ưu hóa điều kiện thí nghiệm q trình Sol – gel 3.2 Đặc điểm cấu trúc thủy tinh sinh học 3.3 Đặc điểm diện tích bề mặt cụ thể thủy tinh sinh học 12 3.4 Thử nghiệm hoạt tính sinh học ống nghiệm cho thủy tinh sinh học 13 Chương KẾT LUẬN .16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 A new sol–gel synthesis of 45S5 bioactive glass using an organic acid as catalyst 20 DANH SÁCH HÌNH ẢNH MINH HỌA Hình 2.1 Sơ đồ quy trình Sol – gel Hình 3.1 Phổ FTIR sol – gel Bioglass® thương mại 11 Hình 3.2 XRD sol – gel Bioglass® thương mại 11 Hình 3.3 Ảnh chụp hiển vi SEM thủy tinh sol-gel Bioglass® thương mại (độ phóng đại thấp cao) 13 Hình 3.4.Phân tích SEM-EDXS sol – gel Bioglass® thương mại sau thời gian ngâm vào SBF .14 DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.1 Điều kiện thử nghiệm trình Sol – gel Bảng 2.2 Nồng độ ion huyết tương người dung dịch SBF sử dụng để đánh giá hoạt tính sinh học ống nghiệm .7 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố bột sol – gel tổng hợp với axit nitric làm chất xúc tác (dòng in đậm tương ứng với bột tối ưu có tên sol-gel 1) Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố bột sol – gel tổng hợp với axit citric làm chất xúc tác (dòng đậm tương ứng với bột tối ưu có tên sol-gel 2) .8 TÓM TẮT BÁO CÁO Bài báo cáo trình bày phương pháp sol-gel tìm để tổng hợp thủy tinh hoạt tính sinh học 45S5 Chứng minh acid citric sử dụng thay acid nitric để làm chất xúc tác phản ứng sol – gel Sự thay acid nitric axit citric làm giảm mạnh nồng độ dung dịch acid cần thiết để xúc tác thủy phân silicon alkoxide photphat Hai loại bột sol – gel với thành phần hóa học gần với 45S5 tổng hợp cách sử dụng dung dịch acid nitric 2M dung dịch acid citric mM Những loại bột đặc tả so sánh với Bioglass® thương mại Tính chất bề mặt hai loại bột thủy tinh sinh học đánh giá phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) phương pháp Brunauer–Emmett– Teller (BET) FTIR XRD cho biết kết tinh phần liên kết với hình thành pha kết tinh hai loại bột Hoạt tính sinh học ống nghiệm nghiên cứu thời điểm quan trọng ngâm dung dịch mô tế bào SBF Sau bốn chứng minh mức độ hoạt tính sinh học hai bột sol – gel tương tự cao so với Bioglass® thương mại Sự cải thiện hoạt tính sinh học làm tăng độ xốp diện tích bề mặt cụ thể loại bột tổng hợp trình sol – gel Hơn nữa, dùng acid citric thay cho acid nitric hiệu việc xúc tác phản ứng sol – gel mà khơng cần thay đổi hoạt tính sinh học thủy tinh hoạt tính 45S5 Chương GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Thủy tinh hoạt tính sinh học vật liệu có tính chất dẫn xương tạo xương, cho phép có khả chữa lành thay cấu trúc xương bị bệnh bị hư hại Các tính chất nhờ vào phương pháp hòa tan tiến mơi trường sinh lí: mơi trường sinh canxi, photphat; ion natri trải qua trình hình thành lớp apatit, qua tạo liên kết cực mạnh với chuỗi mô xương xung quanh Nhiều thành phần thủy tinh hoạt tính mang mối quan tâm lớn đến natri canxi phosphatsilicat, borosilicate từ 13 đến 93 hợp chất 1.2 Tình hình nghiên cứu Lary Hench phát triển loại Bioglass® 45S5 tiếng có cấu trúc bậc SiO 2– CaO–Na2O–P2O5 với thành phần oxit cho phép liên kết với chuỗi mô cứng mềm (hoạt tính sinh học loại A) Nó sử dụng từ nhiều thập kỉ nhiều thiết bị y tế chỉnh hình điều trị nha khoa Thủy tinh hoạt tính thương mại sản xuất truyền thống q trình nóng chảy – làm lạnh đòi hỏi nhiệt độ cao, giới hạn độ xốp, bề mặt cụ thể loại bột Trong nỗ lực nghiên cứu phát triển phương pháp sol – gel để có loại bột thủy tinh hoạt tính với độ tinh khiết cao đồng Nó mở rộng phạm vi thành phần hóa học so sánh với q trình nóng chảy - làm lạnh truyền thống Những ích lợi làm cho phương pháp sol – gel hiệu tổng hợp thủy tinh hoạt tính 45S5 Mặc dù q trình sol – gel phải thực điều kiện môi trường nồng độ thấp, nhiên phương pháp tổng hợp lại dùng acid mạnh (acid nitric acid hydrocloric) bazơ (ammonia hydroxide) có nồng độ cao (lên tới 1M) để xúc tác phản ứng sol – gel Do cần tìm cách để làm q trình diễn hơn, tránh điều kiện pH cao thấp hay nhiệt độ cao Đã có nhiều báo cáo phương pháp tổng hợp hạt nano thủy tinh hoạt tính sử dụng acid hữu có nồng độ cực thấp ( khoảng 0.01M) để xúc tác phản ứng hóa học Trong số đó, dung dịch acid citric sử dụng phổ biến để xúc tác thủy phân silicon alkoxide Ý tưởng đến từ việc tìm cảm hứng tự nhiên, xét cảm hứng sinh học Tiến hóa học sol – gel hiểu biết trình sinh tổng hợp tảo cát bọt biển thủy tinh Những sinh vật tích trữ acid silicic Si(OH) từ môi trường nhờ hoạt động protein phân tử khác để tạo cấu trúc silica phức tạp Việc giải thích chế tảng chế sinh học dẫn đến tổng hợp silica ống nghiệm điều kiện môi trường sinh lí sử dụng protein, polypeptides, acid amin chủ yếu acid citric để xúc tác phản ứng sol – gel Xét thành phần cụ thể thủy tinh hoạt tính sinh học, đặc biệt hàm lượng canxi photphat, lấy cảm hứng từ hình thái xương việc cần thiết Vì vậy, acid citric dùng để kích thích phản ứng sol – gel trường hợp 1.3 Mục tiêu Mục tiêu xét đến khả thành công tổng hợp sol –gel để chuyển hóa thủy tinh hoạt tính 45S5 dung dịch acid citric nồng độ thấp để xúc tác phản ứng thủy phân Đầu tiên, xác định thông số sol – gel tối ưu để đạt thành phần hóa học 45S5 cách sử dụng acid nitric thông thường acid citric loại làm chất xúc tác Ở phần hai, so sánh tính chất hóa lí hoạt tính sinh học ống nghiệm hai loại bột sol – gel với loại Bioglass® 45S5 thương mại Chương VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Tổng hợp Sol - gel Tổng hợp sol – gel thủy tinh hoạt tính thực theo phương pháp thông thường tổng hợp thủy tinh sinh học 45S5, sử dụng tiền chất hóa học sau: Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 (TEOS), Triethyl phosphate PO(C2H5)3 (TEP), Canxi nitrate tetrahydrate Ca(NO3)2.4H2O Natri nitrate NaNO3 Hai dung dịch acid acid nitric (HNO3) acid citric (C6H8O7) sử dụng để xúc tác phản ứng thủy phân Phản ứng thủy phân ngưng tụ thực thiết bị phản ứng nhiệt để kiểm sốt nhiệt độ phản ứng Tỉ lệ mol TEOS, TEP, NaNO3 Ca(NO3)2.4H2O điều chỉnh theo tỉ lệ SiO 2, P2O5, Na2O CaO 45S5 Để đạt sol tinh khiết, tỉ lệ mol dung dịch acid bốn tiền chất hóa học chỉnh đến 10 Đầu tiên, dung dịch acid (26 ml) khuấy từ gia nhiệt nhiệt độ mong muốn sau TEOS (11.6 ml) TEP (1ml) thêm vào cách nhỏ giọt khuấy đạt dung dịch suốt Sau đó, thêm từ từ bột NaNO3(4.66g) khuấy tan hoàn toàn Cuối thêm từ từ bột Ca(NO3)2.4H2O khuấy để đạt sol suốt Do đó, sol bắt đầu biến đổi thành dạng gel thông qua phản ứng đa trùng ngưng Sau gel giữ 60oC suốt 12 sấy 200oC 700oC khoảng Sau sấy, nghiền gel thành bột mịn Bột nén ép thủ cơng để mơ tả đặc tính thành phần nguyên tố dùng cho kiểm tra độ hoạt tính sinh học Để quan sát tính chất cụ thể hai loại thủy tinh sinh học tổng hợp q trình sol – gel, ta so sánh với loại Bioglass® thương mại tổng hợp q trình nóng chảy – làm lạnh truyền thống Bảng 2.1 Điều kiện thử nghiệm trình Sol – gel Tetraethylorthosilicate (TEOS): Si(OC2H5)4 Natri nitrate: NaNO3 Canxi nitrate tetrahydrat: Ca(NO3)2.4H2O Triethylphosphate (TEP): PO(C2H5)3 20oC, 35oC, 50oC Acid nitric: HNO3 0.5M 2M Acid citric: C6H8O7 0.5mM, 5mM 50mM Tiền chất SiO2 Tiền chất Na2O Tiền chất CaO Tiền chất P2O5 Nhiệt độ phản ứng Xúc tác Hình 2.1 Sơ đồ quy trình Sol – gel 2.2 Tính chất hóa lý đặc điểm cấu trúc 2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét phân tích tia X (SEM - EDXS) Hình thái loại bột quan sát phương pháp SEM sử dụng kính hiển vi điện tử LaB vận hành từ – 30 kV Kính hiển vi liên kết với phổ kế tán xạ 24 PO(C2H5)3 (TEP), calcium nitrate tetrahydrate Ca(NO3)2,4H2O and sodium nitrate NaNO3 Two different aqueous acid solutions prepared with nitric acid (HNO3) or with citric acid (C6H8O7) were used to catalyze the hydrolysis reaction The hydrolysis and condensation reactions were performed within a thermostated reactor to control the reaction temperature The different elaboration parameters tested in this work are listed in Table and the flowchart of the sol–gel 45S5 fabrication process is presented in Fig The molar ratio of TEOS, TEP, NaNO3 and Ca(NO3)2·4H2O were designed according to the molar ratio of SiO2, P2O5, Na2O and CaO in 45S5 To achieve a clear sol the molar ratio between the aqueous acid solution and the four chemical precursors was set to 10 Firstly, the acidic solution (26 mL) was magnetically stirred in the thermostated reactor at the desired temperature and TEOS (11.6 mL) and TEP (1 mL) were added dropwise to the solution and stirred until a clear solution was obtained Next, the NaNO3 powder (4.66 g) was slowly added in the stirred solution until its complete dissolution Finally the Ca(NO3)2,4H2O powder (7.15 g) was added slowly to the solution stirred during h to result in a transparent sol Therefore the sol starts to transform into gel through polycondensation reactions The gel was then kept at 60 °C for 12 h and finally dried at 200 °C and 700 °C for h and h respectively After the drying step the gel was manually crushed to obtain a fine powder Pellets of the obtained powders were then prepared with a manual press for the characterization of the elemental composition and for the bioactivity tests In order to observe the specific properties of the two bioglasses synthesized by the sol–gel process, they were systematically compared to commercial Bioglass® synthesized by the classical melting-quenching process 2.2 Physico-chemical and structural characterizations 2.2.1 Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis (SEM–EDXS) The morphology of the synthesized powders was observed by SEM using a LaB6 electron microscope (JEOL JSM-5400LV) operating at 0–30 kV This microscope is associated to an energy dispersive EDAX spectrometer equipped with an ultra-thin 25 window Si(Li) detector cooled with liquid nitrogen This spectrometer is associated with an acquisition and quantification system GENESIS (Eloïse SARL, France) based on the ZAF method used to determine the elemental concentrations of the analyzed sample [24,25] All the X-ray microanalysis results presented in this work were obtained according to the following method: acquisition and quantification of four spectra on four flat areas of the pellet selected by SEM All the X-ray spectra were obtained with energy of 15 keV and an acquisition time of 100 s The final values of elemental concentrations were obtained after calculation of mean values and dispersions 2.2.2 Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR) Structural characterizations of the powders were performed by FTIR spectroscopy The FTIR spectra were obtained in reflexion mode with a FTIR imaging system (Spotlight, Perkin–Elmer, Courtaboeuf, France) coupled to a spectrometer (Spectrum 300, Perkin–Elmer) in the 400– 2000 cm−1 range with a spectral resolution of cm−1 2.2.3 X-ray diffraction (XRD) 26 The crystallinity of the powders was studied by XRD with a Bruker D8 Advance diffractometer using a monochromatic copper radiation (CuKα) of wavelength λ = 0.15406 nm The diffractograms were recorded in steps of 0.04° with an acquisition time of 12 s in a range of diffraction angles 2θ between 10 and 60° The crystalline phases were then identified by the powder diffraction files of the International Centre for Diffraction Data (ICDD) 2.2.4 Determination of the specific surface area by BET method Nitrogen adsorption measurements were carried out using a Micromeritics ASAP 2010 instrument at 77 K The Brunauer–Emmett– Teller (BET) method was applied to derive the surface area from physisorption isotherm data The isotherm was constructed point-bypoint by the admission and withdrawal of known amounts of gas, with adequate time allowed for equilibration at each relative pressure (P/P0, where P is the equilibrium vapor pressure and P0 is the saturation vapor pressure) The BET method is based on the determination of the monolayer capacity, i.e the nitrogen amount corresponding to the adsorption of a complete monolayer (Vmono) Before analysis, the samples were maintained overnight at 170 °C in an oven Prior to adsorption, they were out-gassed under vacuum at 250 °C for h The surface area is determined from a set of 10 experimental points of the linear range of the BET plot (0.05 b P/P0 b 0.3) The surface area (SBET) is calculated according to: where Vmono is the monolayer capacity (cm3 ·g−1 ) at T = 273 K and P = 101,325 Pa, NA is the Avogadro constant, A is the molecular crosssectional area (for nitrogen, A = 0.162 nm2 at 77 K) and VM is the molar volume (22414 cm3 ·mol−1 ) 2.3 In vitro bioactivity tests To evaluate the bioactivity of the synthesized powders, in vitro tests were performed in Simulated Body Fluid (SBF) This solution is acellular, protein free with a pH of 7.4 buffered with Tris–hydroxymethylaminomethane (TRIS) Table shows 27 the composition of SBF compared to human blood plasma In vitro bioactivity tests were performed by soaking a pellet into SBF for two periods (1 h and h) at 37 °C that correspond to the key times of bioactivity for bioactive glasses The volume of SBF used during the test is calculated according to the procedure described by Kokubo and Takadama [26]: SBF volume (mL) = 10% pellet mass (mg) After the bioactivity test the pellet was extracted from the solution and immersed into acetone for 10 s to remove SBF and stop surface reactions After drying, the pellet surface was analyzed by SEM–EDXS for morphological and chemical composition analysis n Results and discussion 3.1 Optimization of the experimental conditions of the sol–gel process In the first part of this work we aim to determine the optimal experimental conditions to reach the 45S5 composition by varying parameters such as reaction temperature and concentration of the aqueous acid solutions used to catalyze the sol– gel reactions Nitric acid has been tested as a catalyst by combining three temperatures (20 °C, 35 °C and 50 °C) and two concentrations (0.5 M and M) Table presents the 28 results obtained by quantitative EDXS that provides the elemental compositions of the powders synthesized with these process parameters The optimal parameters, which lead to the best composition very close to the theoretical one, are observed at 35 °C and M (this sol–gel powder was named sol–gel1) The citric acid has been also tested as a catalyst by combining two temperatures (20 °C and 35 °C) and three concentrations (0.5 mM, mM and 50 mM) Table presents the results obtained by quantitative EDXS that provides the elemental compositions of the powders synthesized with these experimental parameters In this case, the optimal parameters that provide the best chemical composition are observed at 20 °C and mM (this sol–gel powder was named sol–gel2) The comparison of the two synthesized powders (sol–gel1 and sol– gel2) shows that a lack of silicon and phosphorus is observed in both cases that can be attributed to the incomplete hydrolysis of the precursors and to the incomplete condensation due to unfavorable pH conditions We can also observe a slight improvement of the chemical composition of the bioglass by using citric acid (sol– gel2) This behavior is probably due to the ability of citric acid to chelate calcium and sodium ions with its three carboxylic groups [13, 14,27] Therefore we can conclude that the use of citric acid instead of nitric acid to catalyze the hydrolysis of TEOS and TEP leads to the sol– gel synthesis of the 45S5 bioactive glass with the expected chemical composition 29 3.2 Structural characterization of the bioglasses The FTIR spectra of the two synthesized sol–gel glasses are presented in Fig and compared with the spectrum of the commercial Bioglass® Both spectra of sol– gel1 and sol–gel2 reveal vibration bands similar to that of Bioglass® The two broad bands at 930 cm−1 and 1039 cm−1 correspond to silicate adsorption bands which are respectively Si–O–Si stretching of non-bridging oxygen atoms and Si–O–Si asymmetric stretching of bridging oxygen atoms within the silicate tetrahedron Silicate bands for Si–O–Si bending mode are also observable at 478 cm−1 and 503 cm−1 [28,29] The peak at around 602 cm−1 and 880 cm−1 are attributed to P–O bending of PO4 3− groups [28,29] The weak bands observed at around 1450 cm−1 are related to the presence of residual carbonate groups from the precursors [29] Thus, the FTIR spectra obtained from sol–gel1 and sol–gel2 are very similar and clearly reveal the glassy structure of the two sol–gel powders In addition the comparison with the commercial Bioglass® indicates that a partial crystallization of the two sol–gel glasses occurred during the process The structural characterization has been completed with XRD studies The Bioglass® powder appears to be essentially amorphous due to the melting–quenching synthesis process However the XRD patterns reveal few crystalline peaks probably due to the speed of the quenching step [30] We can also observe that the diffractograms of sol–gel1 and sol–gel2 are very similar (Fig 3) with a more important crystallization than that of Bioglass® Indeed there are several crystalline sodium calcium silicate phases inside the amorphous structure of the bioactive glass Among them, combeite Na2Ca2Si3O9 (ICDD PDF #22.1455) is the most interesting one as it is known to influence the bioactivity The formation of the 30 combeite phase is associated to the heat treatment performed at 700 °C during the drying step used for sol–gel synthesis [31] An accurate comparison of the diffractograms reveals that the formation of the Na2Ca2Si3O9 phase is more pronounced in sol–gel2 This observation is characteristic of the bioactive glasses synthesized by the sol–gel process in comparison with those synthesized by the usual melting– quenching process [32] This may impact the behavior of the bioactive glasses in contact with physiological environment as the chemical properties of the material, such as solubility, are then modified [30–32] 31 3.3 Characterization of the specific surface area of the bioglasses The results obtained from the BET method indicate that the specific surface area of the materials clearly depends on the elaboration process and also on the experimental conditions used to produce the powders Indeed, the specific surface area of sol–gel1, sol–gel2 and Bioglass® powders are respectively 0.6 m2 ·g−1 , 0.9 m2 ·g−1 and 0.4 m2 ·g−1 The SEM micrographs of Fig show that the three powders are constituted by grains with diverse sizes The biggest grains are about 100 μm in size and the smallest ones are less than 10 μm The sol–gel2 powder seems to get more small grains than the sol–gel1 powder which itself seems to have more small grains than the Bioglass® powder The high magnification micrographs carried out on one big grain of each powder provides very interesting information The grain surface of the two sol– gel powders is highly rough and porous whereas for the Bioglass® powder the grain surface appears to be extremely smooth In addition the roughness and porosity observed on the grain surface of sol–gel2 is higher than that of sol–gel1 These SEM observations can be related to the results obtained from the BET method which indicate that the specific surface area of the two sol–gel powders is higher than that of 32 the Bioglass® powder, particularly for sol–gel2 The very low roughness and porosity of the Bioglass® powder is due to the melting–quenching process that uses an extremely quick cooling of the liquid phase during the quenching step [30] However, the original observation highlighted in the present work concerns the specific effect of citric acid which increases the roughness and the porosity of the sol–gel powder Indeed, the surface of the sol–gel2 grain powder is highly porous and made of nanoscale cylinders This specific observation indicates that the use of citric acid as a catalyst of the hydrolysis reaction modifies the surface morphology of the grain powder at a nanometer scale Obviously, these results highlight differences between the exchange surfaces of the powders that could lead to various behaviors in physiological environment 33 3.4 In vitro bioactivity test of the bioglasses SEM micrographs and EDXS spectra of the samples obtained from Bioglass®, sol–gel1 and sol–gel2 powders before and after immersion in SBF solution are shown in Fig After h of immersion, the SEM micrographs reveal that no significant change occurred on the three samples After h of immersion significant changes of the surface morphology and of the chemical composition are observed For the 34 Bioglass® sample a slight dissociation of the pellet surface during immersion in the SBF solution can be observed without any evidence of its mineralization The associated EDXS spectrum demonstrates that the main change in the surface chemical composition is due to a significant decrease in sodium concentration indicating that the bioactivity reactions are just starting during the test [1] For the sol–gel1 and sol–gel2 samples, the SEM micrographs highlight an important mineralization of their surfaces after exposure to SBF associated to the formation of a calcium phosphate deposit [26,32] This surface mineralization is confirmed by the EDXS spectra which clearly show a strong increase of the intensities of the peaks of calcium and phosphorus Thus, the in vitro bioactivity test of the two sol–gel samples clearly indicates that the bioactivity level of the powders obtained by the sol–gel synthesis is much higher than that of the commercial Bioglass® It is usually established that the combeite phase decreases the bioactivity reaction kinetic of the bioactive glasses when they are immersed in physiological environment by transforming it into amorphous calcium phosphate [31] However, in this work, the bioactivity of the sol–gel glasses appears to be higher than the bioactivity of the Bioglass® Indeed, the grains of sol–gel glasses reveal highly rough surfaces and porosity that provide high exchange surface in physiological environment Thus the exchange surface of the sol–gel bioglass is more important than the exchange surface of the Bioglass® synthesized by the melting– quenching process Indeed, the BET measurements confirmed that the specific surface area of the two sol–gel glasses is higher than that of the Bioglass® [33,34] On the other hand, the comparison between sol–gel1 and sol–gel2 indicates that the bioactivity level of the two sol–gel powders seems to be very similar Therefore the use of citric acid instead of nitric acid as catalyst during sol–gel synthesis allows to obtain the bioactive glass 45S5 without alteration of its bioactivity 35 Conclusions In this work we demonstrate that the 45S5 bioactive glass powder can be synthesized by the sol–gel process with a very low concentrated citric acid solution instead the usual highly concentrated nitric acid solution to catalyze the hydrolysis reaction Firstly, we determine the optimal synthesis experimental conditions to reach the 45S5 elemental composition by varying two parameters, the reaction temperature and the concentration of the acid solutions The best chemical composition of the bioactive glass has been obtained either with nitric acid at M and 35 °C or either with citric acid at mM and room temperature The use of citric acid as catalyst for the sol– gel synthesis of a 45S5 powder extremely decreases the acid solution concentration necessary to catalyze the hydrolysis reactions of TEOS and TEP We then compare the two optimal sol–gel powders with the commercial Bioglass® The structural characterizations highlight a partial crystallization of the amorphous sol–gel powders which are made of several sodium calcium silicate phases including the combeite in particular The formation of this highly bioactive crystal phase is associated to the last drying step at 700 °C during the sol–gel process Finally we compare the in vitro bioactivity of the powders by using immersion tests into SBF solution We clearly 36 demonstrate that the bioactivity level of the two sol–gel powders is much higher than that of the commercial Bioglass® Moreover, the bioactivity of the bioactive glasses is mainly influenced by the specific surface area of the synthesized powder rather than the presence of the combeite crystalline phase inside the glass Thus the use of citric acid instead of nitric acid as catalyst during the sol–gel synthesis allows to obtain the bioactive glass 45S5 without altering its bioactivity The development of this new process is very attractive as it uses conditions suitable to add and encapsulate biomolecules (proteins, growth factor, drugs, etc.) that could help speed up the bone growth formation which is not only possible in most protocols owing to the usually extreme pH or high temperature conditions A perspective of this work will then consist in the study of longer immersion time in physiological medium and observations of cell behavior in contact with these prosthetic surfaces Acknowledgment The authors sincerely thank Professor Aldo R Boccaccini from the University of Erlangen-Nuremberg and the Imperial College of London for kindly providing the commercial Bioglass® studied in this work They also express their gratitude to Professor Hassan Oudadesse from the University of Rennes for the BET measurements References [1] L.L Hench, J Am Ceram Soc 81 (1998) 1705–1728 [2] V.J Shirtliff, L.L Hench, J Mater Sci 38 (2003) 4697–4707 [3] L.L Hench, Ceram Int 22 (1996) 493–507 [4] L.L Hench, J Eur Ceram Soc 29 (2009) 1257–1265 [5] Y Gu, G Wang, X Zhang, Y Zhang, C Zhang, X Liu, M.N Rahaman, W Huang, H Pan, Mater Sci Eng C 36 (2014) 294–300 37 [6] X Liu, M.N Rahaman, G.E Hilmas, B.S Bal, Acta Biomater (2013) 7025– 7034 [7] L.L Hench, J Mater Sci Mater Med 17 (2006) 967–978 [8] J.R Jones, E Gentleman, J Polak, Elements (2007) 393–399 [9] J Zhong, D.C Greenspan, J Biomed Mater Res 53 (2000) 694–701 [10] D Arcos, M Vallet-Regi, Acta Biomater (2010) 2874–2888 [11] D Avnir, T Coradin, O Lev, J Livage, J Mater Chem 16 (2006) 1013–1030 [12] B Lei, X Chen, Y.H Koh, J Sol-Gel Sci Technol 58 (2011) 656–663 [13] G.M Luz, J.F Mano, Nanotechnology 22 (2011) 494014 [14] Z Hong, A Liu, L Chen, X Chen, X Jing, J Non-Cryst Solids 335 (2009) 368– 372 [15] B Lei, X Chen, Y Wang, N Zhao, C Du, L Fang, Biomed Mater (2010) 054103 [16] D.J Belton, O Deschaume, C.C Perry, FEBS J 279 (2012) 1710–1720 [17] S.V Patwardhan, Chem Commun 47 (2011) 7567–7582 [18] H.C Schröder, X Wang, W Tremel, H Ushijima, W.E Müller, Nat Prod Rep 25 (2008) 455–474 [19] T Coradin, J Livage, Colloids Surf B: Biointerfaces 21 (2001) 329–336 [20] D Belton, G Paine, S.V Patwardhan, C.C Perry, J Mater Chem 14 (2004) 2231–2241 [21] T Mizutani, H Nagase, N Fujiwara, H Ogoshi, Bull Chem Soc Jpn 71 (1998) 2017–2022 [22] I Cacciotti, M Lombardi, A Bianco, A Ravaglioli, L Montanaro, J Mater Sci Mater Med 23 (2012) 1849–1866 [23] H Pirayesh, J.A Nychka, J Am Ceram Soc 96 (2013) 1643–1650 38 [24] N Dumelie, H Benhayoune, G Balossier, J Phys D Appl Phys 40 (2007) 2124–2131 [25] H Benhayoune, J Phys D Appl Phys 35 (2002) 1526–1531 [26] T Kokubo, H Takadama, Biomaterials 27 (2006) 2907–2915 [27] P.B Wagh, A Venkateswara Rao, D Haranath, J Porous Mater (1997) 295– 301 [28] H.A Elbatal, M.A Azooz, E.M.A Khalil, A Soltan Monem, Y.M Hamdy, Mater Chem Phys 80 (2003) 599–609 [29] A Lucas-Girot, F.Z Mezahi, M Mami, H Oudadesse, A Harabi, M le Floch, J NonCryst Solids 357 (2011) 3322–3327 [30] L Lefebvre, J Chevalier, L Grémillard, R Zenati, G Thollet, D BernacheAssollant, A Govin, Acta Mater 55 (2007) 3305–3313 [31] Q.Z Chen, I.D Thompson, A.R Boccaccini, Biomaterials 27 (2006) 2414–2425 [32] R.L Siqueira, O Peitl, E.D Zanotto, Mater Sci Eng C 31 (2011) 983–991 [33] I Izquierdo-Barba, A.J Salinas, M Vallet-Regi, J Biomed Mater Res 47 (1999) 243–250 [34] R Li, A.E Clark, L.L Hench, J Appl Biomater (1991) 231–239 ... PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 Tổng hợp Sol - gel Tổng hợp sol – gel thủy tinh hoạt tính thực theo phương pháp thông thường tổng hợp thủy tinh sinh học 45S5, sử dụng tiền chất hóa học sau: Tetraethyl orthosilicate... so sánh sol – gel mức độ hoạt tính sinh học loại bột tương tự Do đó, sử dụng acid citric thay acid nitric chất xúc tác suốt trình tổng hợp sol – gel cho phép ta thu thủy tinh sinh học 45S5 mà... độ hoạt tính sinh học 16 Chương KẾT LUẬN Trong chứng minh bột thủy tinh hoạt tính sinh học 45S5 tổng hợp trình sol – gel sử dụng dung dịch acid citric nồng độ cực thấp thay sử dụng dung dịch acid