แก้วไบโอแอคทีฟเป็นกลุ่มของวัสดุชีวภาพเซรามิกแก้ว ที่มีปฏิกิริยาบนพื้นผิว และรวมถึงแก้ว ไบโอแอ คทีฟ ดั้งเดิมอย่างไบโอกลาส ความเข้ากันได้ ทางชีวภาพและกิจกรรมทางชีวภาพของแก้ว เหล่านี้ ทำให้มีการนำไปใช้เป็นอุปกรณ์ฝังในร่างกายมนุษย์เพื่อซ่อมแซมและทดแทนกระดูกที่เป็นโรคหรือเสียหาย[ ^{2 ] แก้ว}ไบโอแอคทีฟส่วนใหญ่เป็นแก้วซิลิเกตที่สามารถย่อยสลายได้ในของเหลวในร่างกายและสามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำส่งไอออนที่เป็นประโยชน์ต่อการรักษา แก้วไบโอแอคทีฟแตกต่างจากวัสดุชีวภาพปลูกถ่ายกระดูกสังเคราะห์อื่นๆ (เช่นไฮดรอกซีอะพาไทต์ แคลเซียมฟอสเฟตแบบสองเฟส แคลเซียมซัลเฟต) ตรงที่เป็นวัสดุเพียงชนิดเดียวที่มี คุณสมบัติต้านการติดเชื้อและกระตุ้นการสร้างหลอดเลือด^{[ 3 ]}

Larry Henchและเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยฟลอริดาได้พัฒนาวัสดุเหล่านี้ขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1969 ^{[ 4 ]}และได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมโดยทีมวิจัยของเขาที่Imperial College Londonและนักวิจัยอื่นๆ ทั่วโลก Hench เริ่มการพัฒนาโดยการยื่นสมมติฐานข้อเสนอต่อกองบัญชาการวิจัยและพัฒนาทางการแพทย์ของกองทัพบกสหรัฐฯ ในปี 1968 โดยอิงจากทฤษฎีของเขาที่ว่าร่างกายจะปฏิเสธวัสดุที่เป็นโลหะหรือพอลิเมอร์ เว้นแต่จะสามารถสร้างชั้นเคลือบไฮดรอกซีอะพาไทต์ซึ่งพบได้ในกระดูก^{[ 5 ]} Hench และทีมของเขาได้รับเงินทุนเป็นเวลาหนึ่งปี และเริ่มพัฒนาสิ่งที่ต่อมาจะกลายเป็นองค์ประกอบ 45S5 ^{[ 5 ]}ชื่อ "Bioglass" ได้รับการจดทะเบียนเครื่องหมายการค้าโดยมหาวิทยาลัยฟลอริดาเป็นชื่อสำหรับองค์ประกอบ 45S5 ดั้งเดิม ดังนั้นจึงควรใช้เฉพาะในการอ้างอิงถึงองค์ประกอบ 45S5 เท่านั้น และไม่ควรใช้เป็นคำทั่วไปสำหรับแก้วชีวภาพ^{[ 6 ]}

จากการใช้แผนภาพเฟส เฮนช์เลือกองค์ประกอบ 45% , 24.5% , 24.5% และ 6% เพื่อให้มีปริมาณมากและบางส่วนอยู่ในเมทริกซ์^{[ 5 ]}แก้วถูกผสม หลอม และหล่อเป็นรากฟันเทียมรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดเล็กเพื่อใส่เข้าไปในกระดูกต้นขาของหนูเป็นเวลาหกสัปดาห์ตามที่ ดร.เท็ด กรีนลี แห่งมหาวิทยาลัยฟลอริดาได้พัฒนา^{[ 5 ]}หลังจากหกสัปดาห์ ดร.กรีนลีรายงานว่า "รากฟันเทียมเซรามิกเหล่านี้จะไม่หลุดออกจากกระดูก พวกมันยึดติดอยู่กับที่ ฉันสามารถกดพวกมันได้ ฉันสามารถดันพวกมันได้ ฉันสามารถตีพวกมันได้ และพวกมันก็ไม่ขยับ ตัวควบคุมสามารถเลื่อนออกได้ง่าย" ^{[ 5 ]}ผลการค้นพบเหล่านี้เป็นพื้นฐานของเอกสารฉบับแรกเกี่ยวกับแก้วชีวภาพ 45S5 ในปี พ.ศ. 2514 ซึ่งสรุปว่า การทดลอง ในหลอดทดลองในสารละลายที่ขาดไอออนแคลเซียมและฟอสเฟตแสดงให้เห็นชั้นไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่พัฒนาแล้วคล้ายกับไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่สังเกตได้ในร่างกาย ในภายหลัง โดย ดร. กรีนลี ${\displaystyle {\ce {Na2O-CaO-SiO2}}}$${\displaystyle {\ce {SiO2}}}$${\displaystyle {\ce {Na2O}}}$${\displaystyle {\ce {CaO}}}$${\displaystyle {\ce {P2O5}}}$${\displaystyle {\ce {CaO}}}$${\displaystyle {\ce {P2O5}}}$${\displaystyle {\ce {SiO2-Na2O}}}$

ในปี 1986 นักวิทยาศาสตร์ในอัมสเตอร์ดัม ประเทศเนเธอร์แลนด์ ได้นำก้อนแก้วชีวภาพมาฝังลงในกระดูกหน้าแข้งของหนูตะเภา^{[ 7 ]}หลังจากฝังเป็นเวลา 8, 12 และ 16 สัปดาห์ หนูตะเภาจะถูกทำการุณยฆาตและเก็บกระดูกหน้าแข้ง^{[ 7 ]}จากนั้นจึงนำวัสดุฝังและกระดูกหน้าแข้งไป ทดสอบ ความแข็งแรงเฉือนเพื่อหาคุณสมบัติทางกลของวัสดุฝังกับกระดูก โดยพบว่ามีความแข็งแรงเฉือน 5 N/mm² ^{[ 7 ]}กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงให้เห็นว่าวัสดุฝังเซรามิกมีเศษกระดูกยึดติดแน่น^{[ 7 ]}นอกจากนี้ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงยังเผยให้เห็นการเจริญเติบโตของเซลล์กระดูกและหลอดเลือดภายในบริเวณที่ฝัง ซึ่งเป็นหลักฐานแสดงถึง^ความเข้ากันได้ทางชีวภาพระหว่างกระดูกและวัสดุฝัง^{[ 7 ]}

กระจกชีวภาพเป็นวัสดุชนิดแรกที่ค้นพบว่าสามารถสร้างพันธะที่แข็งแรงกับเนื้อเยื่อกระดูกที่มีชีวิตได้^{[ 8 ]}

สเปกโทรสโกปี NMR ของสถานะของแข็งมีประโยชน์อย่างมากในการกำหนดโครงสร้างของของแข็งอสัณฐานแก้วชีวภาพได้รับการศึกษาโดย สเปกโทรสโกปี MAS NMR ของสถานะของแข็ง²⁹ Si และ³¹ P ค่าการเลื่อนทางเคมีจาก MAS NMR บ่งชี้ถึงชนิดของสารเคมีที่มีอยู่ในแก้ว สเปกโทรสโก ^{ปี 29} Si MAS NMR แสดงให้เห็นว่า Bioglass 45S5 มีโครงสร้างแบบ Q2 โดยมี Q3 อยู่เล็กน้อย กล่าวคือ โซ่ ซิลิเกตที่มีการเชื่อมโยงข้ามเพียงเล็กน้อย สเปกโทรสโก^{ปี 31} P MAS NMR เผยให้เห็นว่าส่วนใหญ่เป็นชนิด Q0 กล่าวคือ PO ₄ ³⁻การวัดสเปกโทรสโกปี MAS NMR ในภายหลังแสดงให้เห็นว่าพันธะ Si-OP อยู่ต่ำกว่าระดับที่ตรวจจับได้^{[ 9 ]}

มีการดัดแปลงส่วนประกอบดั้งเดิมที่ได้ รับการอนุมัติจาก สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา (FDA) และเรียกว่าไบโอกลาส (Bioglass) อยู่หลายรูปแบบ ส่วนประกอบนี้รู้จักกันในชื่อไบโอกลาส 45S5ส่วนประกอบต่างๆ ได้แก่:

• 45S5 : ซิลิกา 45% โดย_{น้ำหนัก} , แคลเซียมออกไซด์ 24.5% โดยน้ำหนัก , โซเดียมออกไซด์_24.5 % โดยน้ำหนัก และ ฟอสฟอรัสออกไซด์ 6.0% โดยน้ำหนัก_ไบโอกลา_ส
• S53P4 : ซิลิกา₂ 53% โดยน้ำหนัก , โซเดียม 23% โดย_{น้ำหนัก} , แคลเซียมออกไซด์20% โดยน้ำหนัก และ ฟอสฟอรัส_2O5 4%โดย_{น้ำหนัก}
• 58S : ซิลิกา₂ 58% โดยน้ำหนัก, แคลเซียมออกไซด์ 33% โดยน้ำหนัก และ ฟอสฟอรัส₂โอ₅ 9% โดยน้ำหนัก
• 70S30C : ซิลิกา 70% โดยน้ำหนัก , _{แคลเซียมออกไซด์} 30% โดยน้ำหนัก
• 13-93 : 53 wt% SiO ₂ , 6 wt% Na ₂ O , 12 wt% K ₂ O , 5 wt% MgO , 20 wt% CaO , 4 wt% P ₂ O ₅ .

องค์ประกอบนี้ได้รับการเลือกตั้งแต่แรกเนื่องจากมีลักษณะใกล้เคียงกับยูเทคติก^{[ 11 ]}

ชื่อ 45S5 หมายถึงแก้วที่มี SiO2 45% โดยน้ำหนัก_และอัตราส่วนโมลาร์ของแคลเซียมต่อฟอสฟอรัส 5:1 อัตราส่วน Ca/P ที่ต่ำกว่าจะไม่ยึดเกาะกับกระดูก^{[ 12 ]}

คุณสมบัติองค์ประกอบที่สำคัญของไบโอกลา สคือ มีปริมาณ SiO2 น้อยกว่า 60 โมลเปอร์เซ็นต์_{มีปริมาณNa2O} และ CaO สูง และมีอัตราส่วน CaO/P2O5 สูง_ซึ่งทำให้ไบโอกลาสมีปฏิกิริยาสูงกับตัวกลางที่เป็นน้ำและมีฤทธิ์ทางชีวภาพ

ไบโอแก้วมีกิจกรรมทางชีวภาพสูง ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบหลัก ในขณะที่ข้อเสียได้แก่ ความอ่อนแอทางกล ความต้านทานการแตกหักต่ำเนื่องจาก โครงข่ายแก้ว 2 มิติแบบ อสัณฐาน ความแข็งแรงในการดัดงอของไบโอแก้วส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 40–60  MPaซึ่งไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานที่ต้องรับน้ำหนัก ค่าโมดูลัสของยัง ( Young's modulus)อยู่ที่ 30–35 GPa ซึ่งใกล้เคียงกับกระดูกชั้น นอกมาก ซึ่งอาจเป็นข้อได้เปรียบ ไบโอแก้วสามารถใช้ในงานที่ไม่ต้องรับน้ำหนักได้ เช่น การปลูกถ่ายที่ฝังไว้และรับน้ำหนักเพียงเล็กน้อยหรือแรงกด ไบโอแก้วยังสามารถใช้เป็นส่วนประกอบทางชีวภาพในวัสดุคอมโพสิตหรือเป็นผง และสามารถใช้สร้างผนังกั้นเทียมเพื่อรักษาแผลทะลุที่เกิดจากการใช้โคเคนในทางที่ผิด ไม่มีผลข้างเคียงที่ทราบ^{[ 11 ]}

การใช้ Bioglass 45S5 ในการผ่าตัดที่ประสบความสำเร็จครั้งแรกคือการทดแทนกระดูกหูชั้นกลางเพื่อรักษาภาวะสูญเสียการได้ยินแบบนำเสียงข้อดีของ 45S5 คือไม่มีแนวโน้มที่จะสร้างเนื้อเยื่อเส้นใย การใช้งานอื่นๆ ได้แก่ การใช้เป็นกรวยเพื่อฝังในขากรรไกรหลังจากการถอนฟันวัสดุผสมที่ทำจาก Bioglass 45S5 และกระดูกของผู้ป่วยเองสามารถใช้สำหรับการสร้างกระดูกใหม่ได้^{[ 11 ]}

ไบโอกลาสค่อนข้างอ่อนเมื่อเทียบกับแก้วชนิดอื่น สามารถขึ้นรูปได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้วยเครื่องมือเพชร หรือบดเป็นผง ไบโอกลาสต้องเก็บไว้ในที่แห้ง เนื่องจากดูดซับความชื้นได้ง่ายและทำปฏิกิริยากับความชื้น^{[ 12 ]}

ไบโอกลาส 45S5 ผลิตขึ้นด้วยเทคโนโลยีการผลิตแก้วแบบดั้งเดิม โดยใช้เบ้าหลอมแพลทินัมหรือโลหะผสมแพลทินัม เพื่อหลีกเลี่ยงการป นเปื้อน สารปนเปื้อนจะรบกวนปฏิกิริยาทางเคมีในร่างกายการอบอ่อนเป็นขั้นตอนสำคัญในการขึ้นรูปชิ้นส่วนขนาดใหญ่ เนื่องจากวัสดุนี้ มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน สูง

การบำบัดด้วยความร้อนของไบโอกลาสช่วยลดปริมาณออกไซด์ของโลหะอัลคาไลที่ระเหยได้และตกผลึกอะพาไทต์ในเมทริกซ์แก้ว วัสดุแก้วเซรามิกที่ได้ซึ่งเรียกว่าเซราวิตัลมีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่าและมีกิจกรรมทางชีวภาพต่ำกว่า^{[ 13 ]}

สูตรของ S53P4 ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ที่เมืองตุรกู ประเทศฟินแลนด์ ณ มหาวิทยาลัย Åbo Akademi และมหาวิทยาลัยตุรกูได้รับการรับรองผลิตภัณฑ์สำหรับการใช้ในการเติมโพรงกระดูกเพื่อรักษาโรคกระดูกอักเสบเรื้อรังในปี 2011 S53P4 เป็นหนึ่งในแก้วชีวภาพที่มีการศึกษามากที่สุดในตลาด โดยมีสิ่งตีพิมพ์มากกว่า 150 ฉบับ

เมื่อนำแก้วชีวภาพ S53P4 ไปใส่ในโพรงกระดูก มันจะทำปฏิกิริยากับของเหลวในร่างกายเพื่อกระตุ้นการทำงานของแก้ว ในระหว่างช่วงเวลาการกระตุ้นนี้ แก้วชีวภาพจะผ่านปฏิกิริยาเคมีหลายขั้นตอน ซึ่งสร้างสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการสร้างกระดูกใหม่ผ่านกระบวนการนำกระดูก (osteoconduction)

• ไอออน Na, Si, Ca และ P ถูกปล่อยออกมา
• ชั้นซิลิกาเจลจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของกระจกชีวภาพ
• แคลเซียมฟอสเฟต (CaP) ตกผลึกและก่อตัวเป็นชั้นไฮดรอกซีอะพาไทต์บนพื้นผิวของกระจกชีวภาพ

เมื่อชั้นไฮดรอกซีอะพาไทต์ก่อตัวขึ้น แก้วชีวภาพจะทำปฏิกิริยากับสิ่งมีชีวิตทางชีวภาพ เช่น โปรตีนในเลือด ปัจจัยการเจริญเติบโต และคอลลาเจน หลังจากการโต้ตอบนี้ กระบวนการ นำกระดูกและกระตุ้นการสร้างกระดูกจะช่วยให้กระดูกใหม่เจริญเติบโตบนและระหว่างโครงสร้างแก้วชีวภาพ^{[ 14 ]}

• แก้วชีวภาพจะยึดติดกับกระดูก ช่วยกระตุ้นการสร้างกระดูกใหม่
• การกระตุ้นการสร้างกระดูกเริ่มต้นด้วยการกระตุ้นเซลล์สร้างกระดูกเพื่อเพิ่มอัตราการปรับโครงสร้างของกระดูก
• คุณสมบัติความหนาแน่นรังสีสูงของกระจกชีวภาพช่วยให้สามารถประเมินผลหลังการผ่าตัดได้

ในระยะสุดท้ายของการเปลี่ยนแปลง กระบวนการสร้างและปรับโครงสร้างกระดูกยังคงดำเนินต่อไป เมื่อเวลาผ่านไป กระดูกจะสร้างขึ้นใหม่จนสมบูรณ์ คืนสู่โครงสร้างทางกายวิภาคตามธรรมชาติของผู้ป่วย

• เกิดการสมานตัวของกระดูก
• กระจกชีวภาพ S53P4 จะค่อยๆ เปลี่ยนสภาพเป็นกระดูกอย่างต่อเนื่องในช่วงระยะเวลาหลายปี

กระจกชีวภาพ S53P4 เป็นกระจกชีวภาพเพียงชนิดเดียวในตลาดในปัจจุบันที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติในการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียของ S53P4 เกิดจากกระบวนการทางเคมีและทางกายภาพสองอย่างพร้อมกัน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อกระจกชีวภาพทำปฏิกิริยากับของเหลวในร่างกาย โซเดียม (Na) จะถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวของกระจกชีวภาพและทำให้ค่า pH เพิ่มขึ้น (สภาพแวดล้อมเป็นด่าง) ซึ่งไม่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย จึงยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย ไอออน Na, Ca, Si และ P ที่ถูกปล่อยออกมาทำให้ความดันออสโมติกเพิ่มขึ้นเนื่องจากความเข้มข้นของเกลือสูงขึ้น กล่าวคือ สภาพแวดล้อมที่แบคทีเรียไม่สามารถเจริญเติบโตได้^{[ 15 ] [ 16 ]}

ไบโอกลาส 8625 หรือที่เรียกว่า Schott 8625 เป็นแก้วโซดาไลม์ที่ใช้สำหรับห่อหุ้มอุปกรณ์ฝังในร่างกายการใช้งานไบโอกลาส 8625 ที่พบได้บ่อยที่สุดคือในตัวเรือนของ ทรานสปอนเดอร์ RFIDสำหรับใช้ใน การฝังไมโครชิป ในมนุษย์และสัตว์ผลิตภัณฑ์นี้ได้รับการจดสิทธิบัตรและผลิตโดยSchott AG [ ^{17 ] ไบ}โอกลาส 8625 ยังใช้สำหรับการเจาะ บางประเภท ด้วย

ไบโอกลาส 8625 ไม่ยึดติดกับเนื้อเยื่อหรือกระดูก แต่ยึดอยู่กับที่ด้วย การห่อหุ้มด้วย เนื้อเยื่อเส้นใยหลังจากฝังแล้ว ชั้นที่อุดมด้วยแคลเซียมจะก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างแก้วกับเนื้อเยื่อ หากไม่มีการเคลือบป้องกันการเคลื่อนตัวเพิ่มเติม ก็จะเกิดการเคลื่อนตัวในเนื้อเยื่อได้ การเคลือบป้องกันการเคลื่อนตัวเป็นวัสดุที่ยึดติดทั้งกับแก้วและเนื้อเยื่อ โดยทั่วไปมักใช้พารีลีน ซึ่งมักจะเป็นพารีลีนชนิด C เป็นวัสดุดังกล่าว ^{[ 18 ]}

ไบโอกลาส 8625 มีปริมาณเหล็ก สูง ซึ่งดูดซับแสงอินฟราเรดและช่วยให้สามารถปิดผนึกด้วยแหล่งกำเนิดแสง เช่นเลเซอร์ Nd:YAGหรือหลอดไอปรอท [ ^{17 ] ปริมาณ} Fe 2 _O 3 _{ทำให้}เกิดการดูดซับสูง โดยมีค่าสูงสุดที่ 1100 นาโนเมตร และทำให้แก้วมีสีเขียว การใช้รังสีอินฟราเรดแทนเปลวไฟหรือความร้อนจากการสัมผัสช่วยป้องกันการปนเปื้อนของอุปกรณ์^{[ 19 ]}

หลังจากฝังลงในวัสดุแล้ว แก้วจะทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมในสองขั้นตอน ภายในระยะเวลาประมาณสองสัปดาห์ ในขั้นตอนแรก ไอออน ของโลหะอัลคาไลจะถูกชะล้างออกจากแก้วและถูกแทนที่ด้วยไอออนของไฮโดรเจนไอออนของแคลเซียมจำนวนเล็กน้อยก็จะแพร่ออกมาจากวัสดุเช่นกัน ในขั้นตอนที่สอง พันธะ Si-O-Si ในเมทริกซ์ซิลิกา จะเกิด ปฏิกิริยา ไฮโดรไลซิส ทำให้เกิดชั้นผิวที่มีลักษณะคล้ายเจลซึ่งอุดมไปด้วยหมู่ Si-OH ชั้นป้องกันการกัดกร่อนที่อุดมด้วยแคลเซียมฟอสเฟตจะค่อยๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของแก้ว ป้องกันการชะล้างเพิ่มเติม

มีการนำไปใช้ในไมโครชิปสำหรับติดตามสัตว์หลายชนิด และเมื่อไม่นานมานี้ก็ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ฝังในร่างกายมนุษย์บางชนิดองค์การอาหารและยา แห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) ได้อนุมัติให้ใช้ไบโอแกรส 8625 ในมนุษย์ในปี 1994

แก้วชีวภาพ 13-93 ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1993 โดย ดร. มาเรีย บริงค์ ที่มหาวิทยาลัย Åbo Akademi ชื่อ 13-93 หมายถึงแก้วหมายเลข 13 ในชุดองค์ประกอบแก้วใหม่กว่า 40 ชนิด แก้วชีวภาพอื่นๆ ที่น่าสนใจในชุดนี้ ได้แก่ แก้ว 9-93 และแก้ว 17-93 เมื่อเปรียบเทียบกับ Bioglass 45S5 แก้วชีวภาพซิลิเกต 13-93 ประกอบด้วยองค์ประกอบของ SiO2 ที่สูงกว่าและ_{รวมถึงK2O}และ_MgOมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์จาก Mo-Sci Corp. หรือสามารถเตรียมได้โดยตรงโดยการหลอมส่วนผสมของ Na2CO3 , K2CO3 _, MgCO3 _, CaCO3 , _SiO2และ_NaH2PO4 · _2H2Oใน_เบ้าหลอมแพลทินัมที่_1,360 ° C และหล่อในแม่พิมพ์กราไฟ_ต์^{[ 20 ]}

แก้ว 13-93 ได้รับการอนุมัติให้ ใช้ ในร่างกายในสหรัฐอเมริกาและยุโรป มีพฤติกรรมการไหลหนืดที่ง่ายกว่าและมีแนวโน้มที่จะตกผลึกน้อยลงเมื่อถูกดึงเป็นเส้นใย ผงแก้วชีวภาพ 13-93 สามารถกระจายตัวในสารยึดเกาะเพื่อสร้างหมึกสำหรับ เทคนิค โรโบแคสติ้งหรือการพิมพ์ 3 มิติแบบหมึกโดยตรง คุณสมบัติทางกลของโครงสร้างพรุนที่ได้นั้นได้รับการศึกษาในเอกสารทางวิชาการหลายฉบับ^{[ 21 ]}

โครงสร้างแก้วชีวภาพ 13-93 ที่พิมพ์ขึ้นในงานวิจัยของ Liu et al. ถูกทำให้แห้งในอากาศปกติ เผาที่อุณหภูมิ 600 °C ภายใต้บรรยากาศ O2 _{เพื่อ}กำจัดสารเติมแต่งในกระบวนการผลิต และเผาผนึกในอากาศเป็นเวลา 1 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 700 °C ในตัวอย่างที่ยังไม่ผ่านกระบวนการใดๆความแข็งแรงดัดงอ (11 ± 3 MPa) และโมดูลัสดัดงอ (13 ± 2 MPa) เทียบได้กับค่าต่ำสุดของกระดูกฟองน้ำในขณะที่ความแข็งแรงอัด (86 ± 9 MPa) และโมดูลัสอัด (13 ± 2 GPa) ใกล้เคียงกับ ค่า ของกระดูกแข็งอย่างไรก็ตาม ความเหนียวแตกหักของโครงสร้างที่ผลิตขึ้นนั้นอยู่ที่ 0.48 ± 0.04 MPa·m ^1/2ซึ่งบ่งชี้ว่าเปราะกว่ากระดูกแข็งของมนุษย์ซึ่งมีความเหนียวแตกหักอยู่ที่ 2–12 MPa· m ^1/2หลังจากแช่ตัวอย่างในของเหลวจำลองในร่างกาย (SBF) หรือฝังใต้ผิวหนังที่หลังของหนูความแข็งแรงในการรับแรงกดและโมดูลัสในการรับแรงกดจะลดลงอย่างรวดเร็วในช่วงสองสัปดาห์แรก แต่จะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปหลังจากสองสัปดาห์ การลดลงของคุณสมบัติทางกลเกิดจากการเปลี่ยนแปลงบางส่วนของเส้นใยแก้วในโครงสร้างเป็นชั้นที่ประกอบด้วยวัสดุคล้ายไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนเป็นหลัก^{[ 22 ]}

งานวิจัยอีกชิ้นหนึ่งโดย Kolan และเพื่อนร่วมงานใช้การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกแทนการอบชุบด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม หลังจากปรับกำลังเลเซอร์ ความเร็วในการสแกน และอัตราการให้ความร้อนให้เหมาะสมแล้ว ความแข็งแรงในการรับแรงกดของโครงสร้างที่ผ่านการเผาผนึกจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 41 MPa สำหรับโครงสร้างที่มีรูพรุนประมาณ 50% ไปจนถึง 157 MPa สำหรับโครงสร้างที่มีความหนาแน่นสูง การศึกษา ในหลอดทดลองโดยใช้ SBF ส่งผลให้ความแข็งแรงในการรับแรงกดลดลง แต่ค่าสุดท้ายนั้นคล้ายคลึงกับกระดูกเทรเบคูลาร์ของมนุษย์^{[ 23 ] [ 24 ]}

ในรายงานของ Fu et al. ได้มีการสังเคราะห์โครงสร้างแก้วพรุน 13-93 ชิ้นโดยใช้วิธีการจำลองแบบโฟมโพลียูรีเทน ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดได้รับการตรวจสอบจากการทดสอบแรงอัดโดยใช้ตัวอย่างแปดชิ้นที่มีความพรุน 85 ± 2% เส้นโค้งที่ได้แสดงให้เห็นถึงการแตกตัวของโครงสร้างอย่างต่อเนื่อง และความแข็งแรงในการรับแรงอัดเฉลี่ยอยู่ที่ 11 ± 1 MPa ซึ่งอยู่ในช่วงของกระดูกเทรเบคูลาร์ของมนุษย์และสูงกว่าวัสดุชีวภาพที่แข่งขันกันในการซ่อมแซมกระดูก เช่น โครงสร้างไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีรูพรุนในระดับเดียวกัน และวัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์-เซรามิกที่เตรียมโดย วิธี การแยกเฟสที่เหนี่ยวนำด้วยความร้อน (TIPS) ^{[ 20 ]}

มีการสังเคราะห์แก้วชีวภาพโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การหลอมแบบดั้งเดิมการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วกระบวนการโซล-เจลการสังเคราะห์ด้วยเปลวไฟ และการฉายรังสีไมโครเวฟการสังเคราะห์แก้วชีวภาพได้รับการทบทวนโดยกลุ่มวิจัยต่างๆ โดย การสังเคราะห์ แบบโซล-เจลเป็นหนึ่งในวิธีการที่ใช้บ่อยที่สุดในการผลิตวัสดุคอมโพสิตแก้วชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ การใช้งาน ด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อนอกจากนี้ยังมีการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์แก้วชีวภาพอื่นๆ เช่น การสังเคราะห์ด้วยเปลวไฟและไมโครเวฟ แต่ยังไม่แพร่หลายในงานวิจัยมากนัก

แก้วโลหะชีวภาพเป็นส่วนย่อยของแก้วชีวภาพ โดยที่วัสดุส่วนใหญ่ประกอบด้วยพื้นผิวโลหะ-แก้วและเคลือบด้วยแก้วชีวภาพเพื่อให้วัสดุมีคุณสมบัติทางชีวภาพ เหตุผลเบื้องหลังการนำฐานโลหะมาใช้คือการสร้างวัสดุที่เปราะน้อยลง แข็งแรงขึ้น และจะถูกฝังในร่างกายอย่างถาวร แก้วโลหะมีค่า Young's Moduli ต่ำกว่าและมีขีดจำกัดความยืดหยุ่นสูงกว่าแก้วชีวภาพ^{[ 25 ]}และด้วยเหตุนี้จึงทำให้วัสดุสามารถเปลี่ยนรูปได้มากขึ้นก่อนที่จะแตกหัก ซึ่งเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาอย่างยิ่ง เนื่องจากวัสดุฝังถาวรจะต้องไม่แตกหักภายในร่างกายของผู้ป่วย วัสดุทั่วไปที่ประกอบเป็นโลหะส่วนใหญ่ ได้แก่ Zr และ Ti ในขณะที่ตัวอย่างของโลหะสำคัญบางชนิดที่ไม่ควรใช้เป็นวัสดุส่วนใหญ่ ได้แก่ Al, Be และ Ni ^{[ 26 ]}

แม้ว่าโลหะจะไม่จำเป็นต้องมีคุณสมบัติทางชีวภาพโดยธรรมชาติ แต่การเคลือบแก้วที่มีคุณสมบัติทางชีวภาพซึ่งนำมาใช้กับพื้นผิวโลหะโดยวิธีการเคลือบด้วยเลเซอร์ จะทำให้เกิดคุณสมบัติทางชีวภาพที่แก้วจะมี แต่มีข้อดีเพิ่มเติมคือมีฐานเป็นโลหะ

การเคลือบด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการที่ใช้อนุภาคไมโครแก้วชีวภาพพุ่งเข้าไปในวัสดุหลักเป็นลำ และให้ความร้อนสูงพอที่จะทำให้อนุภาคเหล่านั้นหลอมละลายกลายเป็นชั้นเคลือบของวัสดุ^{[ 25 ]}

โลหะยังสามารถยึดติดกับแก้วชีวภาพได้โดยใช้กระบวนการโซล-เจลซึ่งแก้วชีวภาพจะถูกเผาผนึกบนโลหะที่อุณหภูมิควบคุมซึ่งสูงพอที่จะทำการเผาผนึก แต่ต่ำพอที่จะหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงเฟสและผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์อื่นๆ การทดลองได้ดำเนินการโดยการเผาผนึกแก้วชีวภาพสองชั้นที่ทำจากซิลิกาลงบนพื้นผิวสแตนเลสที่อุณหภูมิ 600 °C เป็นเวลา 5 ชั่วโมง^{[ 27 ]}วิธีนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถรักษาสภาพโครงสร้างอสัณฐานไว้ได้เป็นส่วนใหญ่ในขณะที่มีองค์ประกอบผลึกที่สำคัญ และยังบรรลุระดับกิจกรรมทางชีวภาพที่คล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่งกับแก้วชีวภาพ

กลไกพื้นฐานที่ทำให้แก้วชีวภาพทำหน้าที่เป็นวัสดุสำหรับการซ่อมแซมกระดูกได้รับการศึกษามาตั้งแต่ผลงานชิ้นแรกของ Hench et al. ที่มหาวิทยาลัยฟลอริดาความสนใจในระยะแรกมุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวของแก้วชีวภาพ โดยทั่วไปเชื่อกันว่ามีปฏิกิริยาอนินทรีย์ 5 ขั้นตอนเกิดขึ้นเมื่อแก้วชีวภาพถูกแช่ในสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยา: ^{[ 28 ]}

1. 

   กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งแคตไอออนตัวปรับแต่ง (ส่วนใหญ่เป็น Na ⁺ ) ในแก้วจะแลกเปลี่ยนกับไฮโดรเนียมไอออนในสารละลายภายนอก
2. กระบวนการไฮโดรไลซิสซึ่งทำให้พันธะ Si-O-Si แตกออก เกิดเป็นหมู่ซิลาโนล Si-OH และโครงข่ายแก้วถูกทำลาย
3. การควบแน่นของซิลาโนลซึ่งโครงข่ายแก้วที่ถูกทำลายจะเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นชั้นผิวคล้ายเจลที่ขาดไอออนโซเดียมและแคลเซียม
4. การตกตะกอนซึ่งมีชั้นแคลเซียมฟอสเฟตอสัณฐานตกตะกอนอยู่บนเจล
5. กระบวนการสร้างแร่ธาตุซึ่งชั้นแคลเซียมฟอสเฟตค่อยๆ เปลี่ยนไปเป็นไฮดรอกซีอะพาไทต์ผลึก ซึ่งเลียนแบบเฟสแร่ธาตุที่พบได้ตามธรรมชาติในกระดูกของสัตว์มีกระดูกสันหลัง

ต่อมา พบว่าสัณฐานวิทยาของชั้นผิวเจลเป็นองค์ประกอบสำคัญในการกำหนดการตอบสนองทางชีวภาพ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากงานวิจัยเกี่ยวกับแก้วชีวภาพที่ได้จาก กระบวนการ โซล-เจลแก้วดังกล่าวสามารถมีปริมาณ SiO₂ สูงกว่าแก้วชีวภาพที่ได้จากกระบวนการหลอมแบบดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญ_และยังคงรักษาคุณสมบัติทางชีวภาพไว้ได้ (เช่น ความสามารถในการสร้างชั้นไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่มีแร่ธาตุบนพื้นผิว) ความพรุนโดยธรรมชาติของวัสดุที่ได้จากกระบวนการโซล-เจลถูกยกมาเป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้ว่าทำไมคุณสมบัติทางชีวภาพจึงยังคงอยู่ และมักจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับแก้วที่ได้จากกระบวนการหลอม

ความก้าวหน้าใน เทคโนโลยี ไมโครอาร์เรย์ดีเอ็นเอ ในเวลาต่อมา ได้เปิดมุมมองใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับกลไกการทำงานทางชีวภาพในแก้วชีวภาพ ก่อนหน้านี้เป็นที่ทราบกันดีว่ามีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างแก้วชีวภาพและชีววิทยาโมเลกุลของเนื้อเยื่อที่ฝัง แต่เครื่องมือที่มีอยู่ไม่ได้ให้ข้อมูลเพียงพอที่จะสร้างภาพรวมที่สมบูรณ์ การใช้ไมโครอาร์เรย์ดีเอ็นเอทำให้นักวิจัยสามารถระบุกลุ่มยีนทั้งหมดที่ถูกควบคุมโดยผลิตภัณฑ์จากการละลายของแก้วชีวภาพ ส่งผลให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "ทฤษฎีทางพันธุกรรม" ของแก้วชีวภาพ การศึกษาไมโครอาร์เรย์ครั้งแรกเกี่ยวกับแก้วชีวภาพแสดงให้เห็นว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตและการเปลี่ยนแปลงของเซลล์สร้างกระดูก การบำรุงรักษา เมทริกซ์นอกเซลล์ และการส่งเสริมการยึดเกาะระหว่างเซลล์กับเซลล์และเซลล์กับเมทริกซ์นั้นถูกกระตุ้นให้ทำงานมากขึ้นโดยอาหารเลี้ยงเซลล์ที่มีผลิตภัณฑ์จากการละลายของแก้วชีวภาพ

กระจกชีวภาพ S53P4 ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในทางคลินิกเพื่อเป็นทางเลือกแทนการปลูกถ่ายกระดูกหรือกระดูกอ่อนในการผ่าตัดสร้างใบหน้าใหม่^{[ 30 ]}การใช้วัสดุเทียมเป็นกระดูกเทียมมีข้อดีคือมีความหลากหลายมากกว่าการปลูกถ่ายแบบ ดั้งเดิมมาก รวมทั้งมีผลข้างเคียงหลังผ่าตัดน้อยกว่า^{[ 30 ]}

มีหลักฐานเบื้องต้นว่าแก้วชีวภาพที่มีองค์ประกอบ S53P4 อาจมีประโยชน์ในการรักษาการติดเชื้อที่กระดูกยาวได้เช่น กัน ^{[ 31 ]}อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการสนับสนุนจากการทดลองแบบสุ่มที่มีการควบคุม ณ ปี 2015 ^{[ 32 ]}

โนวามิน ซึ่งเป็นสารเติมแต่งยาสีฟันที่มีแก้วชีวภาพ 45S5 ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถลดอาการเสียวฟันได้อย่างมีนัยสำคัญตามที่ระบุไว้ในการทดลองแบบสุ่มที่มีการควบคุม^{[ 33 ]}

• โฟมเซรามิก
• นาโนโฟม
• โฟมโลหะ
• การเชื่อมต่อกระดูก
• ตัวกลางที่มีรูพรุน
• การสังเคราะห์ไบโอแก้ว