Glass is a versatile material used in our everyday life. The chemical durability of glass depends on its composition. Some applications benefit from lower chemical durability. Glasses in a narrow compositional range are reactive in aqueous solutions and form hydroxyapatite on the surface. Such glasses are defined as bioactive glasses. Bioactive glasses are clinically used as a filler material due to diseases causing bone cavities. The formed hydroxyapatite bonds to bone apatite and new bone regenerates as the implanted bioactive glass dissolves. The dissolution occurs from the surface of the bioactive glass and is highly dependent on the environment. The environment inside and outside of a porous implant can differ (e.g., due to dissolution products) and the local environment can change depending on the implant site (e.g., fluid flow rate) or due to diseases (e.g., decrease of pH). In vitro dissolution experiments are commonly conducted by immersing the bioactive glass in physiological-like solutions. Mimicking the circulating solutions in the human body in vitro contributes to an increased knowledge of the behaviour of bioactive glasses. Such experiments lead to better estimations of in vivo reactions, ultimately decreasing the number of in vivo tests needed before clinical applications. This thesis investigated how dissolution products, fluid flow rate, and solution pH influence the in vitro behaviour of the bioactive glasses 45S5 and S53P4 in a dynamic environment. Also, the impact of solution pH and ion concentrations on the bioactive glass S53P4 in a static environment was studied. Dissolution experiments were performed in simulated body fluid, Tris buffer solution of different initial pH values, acetic acid-sodium hydroxide solution, and lactic acid. The impact of solution composition was studied using a cascade reactor, i.e., multiple reactors in series, to a continuous flow-through setup. The glass dissolution reactions were expressed as changes in the outflow solutions from each reactor and the glass samples in the reactors. Static tests were conducted by immersing the bioactive glass samples in extracts containing dissolution products from previous dissolutions. Also, two different flow rates were studied. The reaction products, fluid flow rate, and pH influenced the in vitro reaction behaviour of the bioactive glasses. In the physiological pH range (7.4), the increasing ion concentrations hindered the bioactive glass dissolution, but typical reaction layers on the particle surfaces developed regardless. The results from the cascade reactors suggested that particles react differently depending on their location in a particle bed. Particles inside a bed or the interior of a porous implant would dissolve slower than the material on the outer surfaces. In contrast, particles in the bed dissolved similarly in lactic acid (pH 2), i.e., the dissolution products did not influence the release of alkali and alkaline earth ions. Although the pH and ion concentrations increased with decreasing flow rate in the physiological pH range, the release rate normalised to the solution volume suggested slower release for the lower flow rate. In contrast, the fluid flow rate change did not similarly impact the release rate in the acidic solutions (pH 2). Thus, to avoid undesired cellular effects, the local fluid flow rates must be considered when tailoring bioactive glasses to clinical applications. The key features of bioactive glasses are the silica-rich and hydroxyapatite layers that form on the surfaces in vitro and in vivo. The formation and nature of these reaction layers depended on the pH of the test solutions. Solutions with an alkaline pH (9) dissolved glass without typical reaction layers. Silicarich and calcium phosphate layers formed in dynamic and static solutions with a physiological-like pH (7.4). However, increased ion concentrations in the solutions resulted in mixed layers of silica and calcium phosphate. Static acidic pH (5) solutions resulted in a thick silica-rich layer with some calcium phosphate. In contrast, only a thick silica-rich layer formed in solutions with a lower pH (2). The results of the thesis increased the knowledge of bioactive glass reactions and can be used to develop new compositions for new clinical applications. This thesis suggests that developing new experimental methods that better imitate the complex human body would further minimise the gap between in vitro and in vivo, ultimately decreasing the animal tests needed before clinical use.

Glas är ett versatilt material vi använder i vårt vardagliga liv. Den kemiska hållbarheten av glas beror på dess sammansättning. En del glastillämpningar gynnas av en lägre kemisk hållbarhet. Glas i ett begränsat sammansättningsområde är reaktiva i vätskor och bildar hydroxiapatit på ytan. Sådana glas definieras som bioaktiva glas. Bioaktiva glas används kliniskt som utfyllnadsmaterial i benhåligheter orsakade av till exempel sjukdomar. Hydroxiapatit som bildats på glasets yta binder till benapatit och nytt ben regenereras samtidigt som det implanterade bioaktiva glaset löses upp. Upplösningen av glaset sker från materialets yta och är i hög grad beroende på miljön. Bland annat är miljön utanpå och inuti ett poröst implantat olika (på grund av upplösningsprodukter) och miljön kan variera beroende på implantatläget (varierande flödeshastighet) eller sjukdomar (lägre pH). Upplösningsexperiment av bioaktivt glas in vitro är vanligtvis utförda genom att placera materialet i vätskor som simulerar kroppens. Genom att utförligare imitera den cirkulerande vätskan i människokroppen in vitro kan ökad förståelse om bioaktiva glasets reaktionsbeteende erhållas. Detta leder till en bättre uppskattning om beteendet in vivo, således behövs färre in vivotest före den kliniska tillämpningen. Denna avhandling studerade hur reaktionsprodukterna, flödeshastigheten, och lösningens pH påverkade bioaktiva glasen 45S5 och S53P4 in vitro-reaktioner i en dynamisk miljö. Effekten av pH och reaktionsprodukter studerades också på det bioaktiva glaset S53P4 i en statisk miljö. Upplösningsexperiment utfördes i simulerad kroppsvätska, Tris-buffertlösningar med varierande pH-värden, ättiksyra-buffertlösning och mjölksyralösning. Effekten av lösningens sammansättning studerades i en kaskadreaktor, det vill säga reaktorer kopplade i serie, i den dynamiska genomströmningsuppsättningen. Glasets reaktioner studerades som förändringar i utflödet från reaktorerna samt förändringar i materialstrukturen. Statiska experiment utfördes genom att placera glasprovet i vätskor med reaktionsprodukter från tidigare upplösning. Två olika flödeshastigheter studerades. Reaktionsprodukterna, flödeshastigheten och pH påverkade de bioaktiva glasens in vitro-reaktioner. En ökad jonkoncentration hindrade upplösningen av bioaktivt glas i det fysiologiska pH-området (7.4), däremot hindrades inte den typiska lagerbildningen. Resultaten från kaskadreaktorn antyder att partiklar reagerar olika beroende på deras placering i en partikelbädd. Partiklar inuti en bädd eller inuti ett poröst implantat skulle reagera långsammare än partiklar på ytan. Däremot upplöstes bädden likformigt i mjölksyra (pH 2), det vill säga, upplösningsprodukterna påverkade inte upplösningen av alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller. Även om pH och jonkoncentrationerna ökade med en lägre flödeshastigt i det fysiologiska pH-området, indikerade en normalisering av genomströmmad volym en lägre upplösning för den lägre flödeshastigheten. Däremot påverkade inte upplösningen i mjölksyran på ett liknande sätt vid förändrad flödeshastighet. Alltså, för att undvika oönskade celleffekter behövs den lokala flödeshastigheten beaktas när bioaktivt glas skräddarsys för klinisk användning. En av huvudfunktionerna av bioaktivt glas är det kiselrika lagret och hydroxiapatit som bildas på ytan in vitro och in vivo. Bildningen och typen av dessa lager var beroende på testvätskans pH. Alkaliska vätskor (pH 9) löste glaset utan att bilda de typiska lagren. I både dynamiska och statiska lösningar med ett fysiologiskt pH (7.4) bildades typiska kiselrika och kalciumfosfatlager. Däremot bildades ett blandat lager av kisel och kalciumfosfat när reaktionsprodukter fanns med i lösningen. En statisk syrlig lösning (pH 5) resulterade i ett tjockare kiselrikt lager med kalciumfosfat på ytan. Däremot bildades enbart ett kiselrikt lager i vätskor med ett lägre pH (2). Resultaten från denna avhandling ökade förståelsen av bioaktiva glasreaktioner in vitro. Denna förståelse kan användas i framtiden för en utveckling av nya glassammansättningar för nya kliniska tillämpningar. Avhandlingen föreslår att nya experimentella metoder behövs för att bättre simulera den komplexa människokroppen och således minimera gapet mellan in vitro och in vivo, följaktligen minska användningen av djur innan den kliniska användningen.