生物活性玻璃支架材料制备工艺的研究.pdf

摘要摘要作为骨组织体外构建的细胞载体材料，要求骨组织工程支架具有良好的生物相容性、三维连通多孔结构、可加工性、一定的机械强度以及良好的细胞亲和性和材料细胞界面骨齿科修复的l 临床应用表明，生物活性玻璃是一类具有良好生物相容性、生物活性和骨形成特性的骨修复材料特别是近年来研制成功的溶胶一凝胶生物活性玻璃，由于同时具有较熔融法制备的生物玻璃更高的生物活性和纳米微孑L 结构，从而成为一类新型的骨修复和骨组织工程材料本研究采用溶胶一凝胶法和熔融法制备了不同组成的生物活性玻璃粉体原料5 8 S 、7 7 S 和4 5 S 5 ，并以三种粉体为原料通过正交实验制备出具有高孔隙率、大孔径、孔隙率可控及一定机械强度的生物活性玻璃支架材料利用体外模拟实验方法结合D S C ／T G 、S E M ／E D X 、X R D 及F T I R 等材料显微结构及性能研究手段分析比较了所制备的各种粉体原料和多孔材料的显微结构、表面形貌、抗折强度及生物活性和生物矿化性能研究结果发现采用溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃粉体原料颗粒粒度小，颗粒尺寸小于5um ，颗粒间的分散性较好，未出现颗粒的团聚现象，具有巨大的比表面积和大量纳米级微孔，体外模拟实验也表明溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃具有更高的生物活性，是一种具有很高应用价值的骨修复及骨组织工程材料。

本研究采用碳酸氢铵和淀粉混合为造孔剂，制备了不同生物活性玻璃多孔支架，并探讨和优化了此类多孔支架材料的制备工艺参数研究发现在干压成型压力为2 0 M P a 、造孔剂含量为6 0 ％、烧成温度为8 0 0 ℃、熔融法制备的4 5 S 5 的加入量为1 0 ％的条件下，制备出大孔径为1 0 0pm ～3 0 0 1 ．tr n ，具有一定微d , - f L 径( 6 0 w t ％，则玻璃基本上呈生物惰性1 5 ”针对用熔融法制备生物玻璃所存在的不足，引进了溶胶一凝胶法制备生物活性玻璃技术【5 引溶胶一凝胶法制各的生物玻璃突破了熔融法生物玻璃当S i 0 2 含量> 6 0 w t ％时其玻璃基本上呈生物惰性的限制，拓展了生物玻璃的组成范围，使材料组成在较宽的范围内变化，并且溶胶一凝胶的低温合成工艺消除了原来熔融法制备生物玻璃时的高温污染和组成的不均匀，使材料性质稳定且可控另外，由于结构和组成上的特性，采用溶胶一凝胶法制备的生物玻璃还具有以下优点：( 1 ) 组成中不含N a 2 0 ，植入后界面处p H 值不会立即升高：( 2 ) 玻璃密度低，填充相同体积缺陷所需质量少，具有多孔结构能吸收不同的细胞或蛋白质，故吸收速华南理工大学硕士学位论文度较熔融法制各的玻璃快；( 3 ) 能在分子水平上控制可溶解化学元素的释放，进而更好地调控体内降解1 4 “。

溶胶一凝胶法同传统的无机非金属材料的制备方法( 如：固相反应合成、固相烧结以及高温熔融法等) 相比具有一下优点：( 1 ) 溶胶制备多在室温下完成，最终的烧结温度低于一般传统方法节省能耗及设备损耗，制备条件简单易达；( 2 ) 化学成分的均匀性可以达到分子级别将含有不同金属离子的溶液混合后，在大约0 ．5 n m 的尺寸内可以达到化学均匀，较传统使用的5 - 5 0 ur n 粉末的混合物的均匀度提高1 0 4 ～1 0 5 倍：( 3 ) 高化学纯度溶胶一凝胶法一般采用可溶性金属化合物作原料，通过蒸发及再结晶等方法纯化原料，保证了材料的纯度；( 4 ) 可以制得多种传统固相反应法无法得到或很难得到的、具有特殊化学组成的无机材料，如S i 0 2 一C o O 、S i 0 2 一N i O 和S i 0 2 - - C u O 非晶态薄膜及S i 0 2 、A 1 2 0 3 、T i 0 2 等m “”溶胶一凝胶制备工艺的基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料此制备工艺可以分为以下几个步骤：( 1 ) 混合( M i x i n g ) ：将有机硅醇盐S i ( O R ) 4 与水混合，使其充分水解。

S i( O R ) 4 中的R 分别代表C H 3 、C 2 H 5 和C 3 H 7 ，即正硅酸甲酯或正硅酸乙酯等伴随着上述反应的进行，反应产物逐渐脱水聚合成S i —O 网络当S i —O 网络聚合至一定尺寸时，形成早期颗粒颗粒的尺寸及s i —O 网络的连接程度与溶液的P H 值、水与硅有机醇盐的摩尔比有直接的关系通过改变上述参数，可使颗粒尺寸在几个纳米到几百纳米波动当颗粒尺寸达到所需要求时，通过外加稳定粒子可以阻止颗粒的进一步长大由于颗粒尺寸的不同，具有较高溶解度的小颗粒常会被不断溶解，而溶解度较低的大颗粒则不断增大同时体系中颗粒合并，总数减少，尺寸进一步长大，形成胶体溶液，也称溶胶( S 0 1 ) 所谓溶胶是指尺寸在l ～1 0 0 n m 的胶体颗粒均匀分布在液体中所形成的物质体系【6 2 1 2 ) 凝胶化( G e l a t i o n ) ：早期形成的胶体颗粒相互连接形成三维网络，从而形成凝胶( G e l ) 所谓凝胶是指相互交联的刚性网络形成的物质体系网络的空隙尺寸一般在亚微米级，其聚合链的长度大于微米级与早期粒子形成过程一样，其原理是颗粒表面上呈电中性的；S i —O H 基团和呈离子状的；S i 一基团凝聚形成s i —O—S i 链而相互连接。

3 ) 陈化( A g i n g ) ：陈化也称为脱水收缩( s y n e r e s i s ) 此阶段是将已固化的 凝胶在残余液体存在的情况下，放置一段时间，可以是几小时到几周时间不等在陈化过程中，凝胶结构网络随着局部的溶解和二次沉淀过程而继续发生缩聚，是胶粒连接处颈部变粗，网络孔隙率下降，凝胶的强度增加，直至其强度足以抵抗因干燥收缩导致的开裂 4 ) 干燥( D r y i n g ) ：在此阶段凝胶网络结构孔隙中的液体被除去对于直径第一章绪论小于2 0 n t o 的微细孔来说，将会在干燥过程中产生较大的因毛细作用而导致的应力此应力会使凝胶的结构发生开裂通过严格控制干燥过程( 加热速度及时间等) 或预先加入表面活性剂可以在一定程度上防止开裂现象 5 ) 脱水及化学稳定化( D e h y d r a t i o na n dC h e m i c a lS t a b i l i z a t i o n ) ：通过一定的干燥处理后的凝胶，由于其微孔内表面的；S i —O H 基团被除去，从而形成化学稳定性很好的微孔材料用此法制备的S i 0 2 凝胶含有大量相互连通的孔隙，具有足够的强度，并且是透明的。

6 ) 致密化( D e n s i f i c a t i o n ) ：在高温下进一步加热微孔干凝胶时，会导致其结构的密实化密实化温度在很大程度上取决于凝胶网络结构的空间连接形式( 维数) 、连接程度及比表面积【6 3 】生物活性玻璃是一种硅酸盐性质的异质移植材料，它能够在植入部位迅速发生一系列表面反应，并最终导致含碳酸盐羟基磷灰石层的形成正是由于这一特性，从而使其与骨和软骨组织都能形成良好的结合1 ．2 ．2 生物活性玻璃的临床应用目前生物活性玻璃的动物试验己趋于完成，临床试验也有很多成功的例子：牙科：1 、牙周病骨缺损治疗：如何使局部的骨丧失重新再生，是牙周病治疗的难题之一美国学者F e t h e r 等1 6 4 J 在猴模型上手术形成牙周骨质缺损，分别用同样大小的生物玻璃( 4 5 s 5 倍骼生) 、羟基磷灰石及磷酸三钙颗粒进行移植修复，并设立一个无移植物的对照组，结果发现生物玻璃组取得最优组织学修复效果，牙周骨新生程度及牙骨质再生均为最佳Z a —m e t 等1 65 J 对2 0 例患者4 4 个骨缺损区进行治疗，并追踪观察一年结果认为在治疗骨下袋缺损中，应用生物玻璃对常规的外科治疗有辅助疗效。

L o v e l a c e 等[ 6 6 1 将生物玻璃( 4 5 s 5 倍骼生) 和脱矿冻干骨治疗1 5 位中度到重度牙周炎患者的牙周骨丧失，比较疗效，发现两组均有显著的牙周软硬组织改善2 、作为护牙剂成分：研究发现生物活性玻璃糊剂对口腔微生物作用发现在实验条件下，该玻璃可使内氏放线菌在1 0 m i n 内丧失活力，放线共生放线杆菌、牙龈类杆菌、变链菌在6 0 m i n 内丧失活力，血链球菌在6 0 m i n 较显著丧失活力在水溶液中生物活性玻璃对龈上龈下菌斑有着广谱抗菌作用因此，无论在防龈还是预防牙周病方面，生物玻璃有着广泛的应用前景| 6 ”骨骼损伤的修补：1 、骨修复和替代：与生物体的亲和性和对生物组织无害的生物功能新型玻璃已经用于人工骨和人工牙D u c h e y n e 和H e n c h 联合研制的不锈钢或碳纤维与4 5 S 5 生物玻璃复合，力图使材料在硬度、韧性以及杨氏模量上与人骨相匹配此复合材料弯曲9 0 不发生断裂，当再涂以生物玻璃时，实验发现材料既具有生物活性又具有负载能力生物玻璃用于狗肋骨扩增手术中，发现使用生物活性玻华南理工大学硕士学位论文璃时骨修复的速度甚至比使用同量自体骨还要快，另外，实验还发现，生物活性玻璃具有良好的止血作用。

作为部分或全部听骨链的主要置换材料，生物玻璃已有十几年的临床应用历史，临床成功率高达9 0 ％中耳骨是生物玻璃最早的产品，移植在人耳中，特别是辅以一些微电子设备，能使某些耳聋病人恢复不同程度的听力目前美国佛罗里达大学和英国伦敦大学合作研究开发这一产品2 、骨缺损方面：P e r i o G l a s 与自体骨混合用于截骨术中的植骨，术后5 个月x 线片显示移植区有明显骨形成征象通过2 5 年的术后随访表明成骨区的密度逐渐浓聚，手术区域的临床测量选择在移植术后的6 个月、1 年、2 年，结果缺陷区的范围明显缩小，在每一个手术移植的病例中，缺损都大大减小，并填充有一种坚硬的、血管化的、类似于骨的组织【6 3 1 生物活性玻璃作人工角膜周边材料的应用：用生物活性玻璃作人工角膜周边材料的设想基于它良好的生物相容性，有利于角膜组织的生物愈合，不被受体排斥；适当的孔隙率能使角膜组织长入，从而固定人工角膜，同时也有利于角膜细胞的营养传递，保证角膜组织的新陈代谢生物活性玻璃作人工角膜周边支架材料植入兔角膜7 个月的结果，均未发现兔角膜出现肿胀、角膜溃疡、角膜细胞坏死的现象，表明生物活性玻璃与角膜组织有良好的生物相容性，扫描电镜结果也表明，角膜组织能长入生物活性玻璃的孔隙中，生物活性玻璃起到固定角膜和促进角膜生物愈合的作用r 6 9 1 。

1 ．3 骨组织工程支架材料的生物相容性评价1 ．3 ．1 支架材料的生物相容- 陛生物相容性是指材料在生理环境中，生物体对植入的生物材料的反应和产生有效作用的能力，用以表征材料在特定应用中与生物机体相互作用的生物学行为，是生物医用材料能否安全使用的关键性能生物医用材料的生物相容性具体包括血液相容性、组织相容性和力学相容性血液相容性是指材料用于心血管系统与血液直接接触，考察材料与血液的相互作用组织相容性是指材料与心血管系统以外的组织或器官接触，考察材料与组织的相互作用力学相容性是对于植入体内承受负荷，以及要求弹性形变和植入部位的组织的弹性形变相协调的生物材料的力学性能生物相容性尽管受诸多因素的影响，主要表现为宿主反应和材料反应，即图1 ．2表示了生物医用材料与生物体相互作用产生的各种反应宿主反应是生物机体对植入材料的反应宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致构成材料的组分原子、分子以及颗粒、碎片等代谢产物进入机体组织材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质的改变第一章绪论材料与生物体相互，血小扳黏附激括l 凝血系统的激括r 血液反应{ 钎溶秉统豹激活 I 溶血反应L ⋯”厂扑体系统。