生物活性玻璃.doc

.高分子0902 X俊 3090705061生物活性玻璃研究及应用摘要：生物活性玻璃是一种具有特殊组成和构造的硅酸盐玻璃材料主要介绍了生物活性玻璃的制备方法、特殊活性以及在各方面的广泛应用关键字：生物活性玻璃 制备 活性 应用绪论生物材料，包括生物玻璃、生物玻璃陶瓷、生物磷酸钙陶瓷以及生物复合材料、生物涂层等，是一类可对肌体组织进展修复、替代与再生，具有特殊功能的材料由于其具有较高的生物活性、生物相容性和化学稳定性，近几十年来的研究十分活泼生物活性玻璃(bioactive glass，BG) 是一种具有特殊组成和构造的硅酸盐玻璃材料，由美国佛罗里达大学Hench教授在1969年研发出来的具有与骨组织形成化学性结合能力，与骨组织和软组织均有良好的结合能力，在植入体内后生物活性玻璃外表即与体液发生离子反响，最终在玻璃外表形成类似骨中无机矿物的低结晶度碳酸羟基磷灰石层(HCA)，因化学组成与生物体的骨骼相似，容易与周围的骨骼形成结实的化学键合即骨性结合，具有优良的骨诱导性、骨传导性及生物相容性，已成为材料科学、医学以及生物科学等学科的热点，越来越受到人们的重视，特别是生物活性玻璃复合材料的研发成功，更是给人类**带来了又一突破性进展，广泛开展生物活性玻璃复合材料的研究具有重要的理论价值和应用价值。

1.生物活性玻璃的制备与传统玻璃制备工艺一样，最早的生物玻璃和微晶玻璃都是通过熔融法制备的随着溶胶凝胶技术的开展，该方法被引用到生物玻璃的制备中来，该方法制备的生物玻璃由于具有高的比外表积，显示出了较高的生物活性1.1熔融法高温熔融法是大规模工业生产的主要方法也是传统的玻璃制备方法，这种方法具有工艺成熟，操作简单，制得玻璃质量高等特点高温熔融法制备玻璃时在反响中参与反响的组分的原子或离子受到晶体内聚力的限制，所以反响动力学的决定因素有晶体构造和缺陷、物质的化学反响活性和能量等内在因素;也有反响温度、参与反响气相物质的分压、电化学反响中电极上的外加电压、射线的辐照、机械处理等外部因素本研究充分利用实验室现有的条件，所有试样均采用高温熔融冷却法制备实验在空气环境下，于硅碳棒加热炉中熔化;玻璃均化好后在加热的铁板上淬火成型，之后在马弗炉中退火处理所有玻璃均采用氧化铝柑祸熔制熔融法制备生物玻璃的方法与传统制备玻璃的方法没有本质差异一定纯度的粉体原料按照化学计量比混合均匀，在高温(1300~1500℃)下熔融，然后淬冷制得玻璃块体，微晶玻璃那么还需要进一步的热处理析晶过程由于生物玻璃中多含碱金属成份，在高温下腐蚀性极强，容易腐蚀增祸带入杂质，因此对增祸具有严格的要求，最好是用铂金增祸。

而1300~1500℃的高温熔融，对高温设备也有一定的要求，同时能耗较大含CaO和P2O5的生物玻璃，最具代表性的是Hench等人研制的组成为Na2O24.5%、CaO24.5%、SiO245%、P2056%的Na2O-CaO-SiO2-P205系生物玻璃Hench生物玻璃的制备过程是将高纯度化学试剂的纯石英(平均颗粒度为 5pm)的混合物在含10%锗的铂金柑祸内熔化，然后将增祸密封以防止挥发将配合料熔融两个小时不要揭开盖子以使其充分均化大多数规格不同的植入体骨件的制备是将玻璃液倾入不同的石墨模具中对于直径超过1cm的样品，模具要预热到300℃，小件或者薄平的试样是在室温一F倾入石墨模具中的然后将试样很快转入退火炉中在退火温度下的热处理时间是4h，此后试样随炉缓慢冷却至室温表2-1给出了不同组成的Hench玻璃的熔点和退火温度在熔化和退火过程中需要特别精细以防止生物活性玻璃的任何热致裂纹将这种玻璃植入骨骼的缺损部位后并不生成软组织膜而直接与生物骨骼形成严密的化学结合采用熔融法制备的玻璃具有致密的构造，密度大，比外表积小，生物活性依赖于化学组成1.2溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种新兴的玻璃制备技术，溶胶一凝胶法是以金属醇盐为原料，在有机介质中进展水解、缩合反响，使溶液经溶胶一凝胶过程，加热凝胶枯燥，然后锻烧得到最后产品。

目前该法在无机材料科学界受到广泛重视，在稀土发光材料的合成中也占据了极大的比重这种方法在20世纪90年代才被引用到生物玻璃的制备过程中溶胶凝胶生物玻璃的玻璃网络构造主要来自于其凝胶过程Si-O的聚合，而不是靠熔融过程中的Si-O重组，锻烧主要是除去凝胶中的有机成份和硝酸根，因此其锻烧温度较低，只需600~800℃，以保证硝酸根的排除溶胶凝胶法制生物玻璃主要采用金属醇盐作为生物玻璃中氧化物的前驱体，一般使用正硅酸乙醋(TEOS)作为SiO2的前驱体，磷酸三乙醋(TEP)作为PZO:的前驱体，碱金属和碱土金属氧化物那么采用各自的硝酸盐作为前驱体TEOS和TEP在酸或碱的催化作用下在水溶液中进展水解形成溶胶，然后参加硝酸盐等混合均匀，均化后得到凝胶，再经过枯燥和锻烧后得到玻璃溶胶凝胶生物玻璃的制备前期是一种简单的化学过程，后期又不需要过高温度的锻烧，整个工艺过程操作简单，对设备的要求不高在枯燥和锻烧过程中，凝胶块体容易碎裂，而后又不经过熔融成型过程，通过该方法难以得到大块的玻璃块体材料在锻烧过程中，有机物、水份和硝酸根的排除留下大量的孔洞，溶胶凝胶玻璃具有多孔的构造，密度小，比外表积高，生物活性高，在保持生物活性的前提下，其化学组成可在较大范围内进展调整。

溶胶凝胶法反响温度一般为室温或稍高一点，大多数有机活性分子可以引入此体系中并保持其物理性质和化学性质：反响从溶液开场，易控制各组分的比例，且到达分子水平上的均匀，所以产品组成均匀;缺点是反响的原料价格高，且有时较难制得，反响操作也较复杂，周期长1.3微晶化工艺微晶玻璃是将加有成核剂(个别可以不加)的特定组成的根底玻璃，在一定温度下热处理后，就变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料微晶玻璃与普通玻璃的区别，主要是它们具有结晶构造，而同陶瓷材料的区别，主要是它们的结晶构造更细微晶玻璃的生产过程，除增加热处理过程外，同普通玻璃的生产工序一样它的性能是由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及它们的数量所决定的调整上述各因素，就可以生产出各种预定性能的材料微晶化过程又可分为光敏微晶化和热敏微晶化热处理是微晶玻璃产生预定晶相和玻璃相的关键工序微晶玻璃的构造，取决于热处理的温度制度热处理时，玻璃中先后发生分相、晶核形成、晶体生长、二次结晶生长等过程对于不同各类的微晶玻璃，上述各过程进展的方式也不同，所以每种微晶玻璃都有自己的特殊热处理温度制度热敏微晶玻璃如在成型后不需要进展进展机械加工或者热加工时，可以进展晶化热处理，同时完成退火的工序。

一般采用分段的退火方式进展第一阶段是在一定温度下保温，使玻璃中产生尽可能多的晶核，这是制得具有微晶玻璃构造材料的先决条件第二阶段是在较高一些的温度下，令晶体生长，使根底玻璃转化为以微晶构造为主的微晶玻璃多数微晶玻璃经两个阶段热处理就完成了全部结晶化过程有时候也要在更高的温度下进展第三次热处理2．生物医用玻璃的活性2.1生物医用玻璃的活性度不同的生物活性材料,其键合机理及键合速度差异显著,这主要归因于材料的活性度不同生物性度的研究有利于拓展生物活性材料在临床上广泛而有目的的应用据此,Hench将生物活性材料按其物活性度的上下分成两个等级:一是A级生物活性材料,该材料具有高活性度,不仅能与骨发生键合,且能与软组织发生键合;另一是B级生物活性材料,该材料具有低生物活性度,只能与骨发生键合生物性材料的生物活性度可用IB来表征:IB=100/t其中t表示50%骨——材料界面发生键合所需的时间由上式可知t越小,即50%骨)材料界面发生键合所用的时间越短,那么IB越大,该生物活性材料的生物活性度越高表1列出了目前临床上所使用的各种生物玻璃的活性度、活性等级及组织反响情况3．生物活性玻璃的应用3.1在骨骼修复中的应用根据生物学活性不同，可以将骨移植替代材料分为两类。

一类材料除具有骨传导作用外，还具有骨形成促进作用，能在材料组织界面引起胞内和胞外反响；另一类材料只具有骨传导作用，仅仅引起胞外反响生物活性玻璃属于第一类材料，具有良好的骨传导和骨形成作用由于生物玻璃外表在人体的生理环境中可发生一系列的化学反响，并可直接参与人体骨组织的代谢和修复过程，最终可以在材料外表形成与人体骨一样的无机矿物成分——碳酸羟基磷灰石[ Ca10(PO4)6(2OH-，CO32-) ] ，并诱导活骨组织的生长，所以可用于人体骨缺损的填充和修复生物活性玻璃作为骨替代材料具有以下优点：〔1〕骨形成迅速，除骨引导作用以外，在颗粒内部及其周围也可见骨生成〔2〕颗粒大小均匀，由于颗粒之间空隙和材料外表的大量微孔存在，为血管和组织的长人和严密结合提供了良好条件〔3〕操作性能良好，生物相容性好，有黏附性和局部止血作用〔4〕X线阻射，便于术后检查〔5〕具有降解性，颗粒可被吸收，最终形成骨样构造对生物活性材料在体内与骨组织结合面的研究发现，材料在体内环境中外表会形成一层类骨羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)层，骨组织通过HA层与材料进展结合在力学实验中，断裂不是发生在骨的一侧就是发生在材料一侧，界面结合处却完好无损，说明HA层与骨结合密切，材料在体液环境中沉积HA层的能力成为评判材料活性的一个重要依据。

以Ca-Si为根底的生物玻璃在体液环境中，其外表形成一层富硅层，诱导HA的沉积，从而显示出生物活性与磷酸钙生物材料相比，生物活性玻璃的组分范围要广，各种对人体无害和能促进骨组织生长的离子都可以添加到生物活性玻璃中以改善其性能由于生物活性玻璃优良的生物活性和可调节的化学组成，其性能如活性、降解性和力学性能都可以人为调节和控制，使生物活性玻璃成为骨组织修复材料的一个研究热点国内外许多科学家对此进展了研究陈晓峰利用溶胶-凝胶法制备了CaO-P2O- SiO2系统生物活性材料，实验说明该类材料为无定形态材料，具有良好的生物活性、组织与细胞亲和性及生物矿化功能，是一类新型的骨修复和骨组织工程材料，可单独或与具有良好生物相容性的高分子类生物材料复合制成性能理想的新型骨组织工程支架另外还对溶胶-凝胶过程中所需的催化剂进展了选择和研究，研究说明以盐酸为催化剂所制得的溶胶-凝胶生物玻璃具有相对更高的比外表积和较小的平均孔径X梅梅等通过溶胶-凝胶法合成制备了CaO-P2O5-SiO2系统生物活性玻璃，并通过一定的烧结工艺将其制备成用作骨组织工程支架的多孔材料宁佳等采用熔融的方法制备出了Na2O-CaO-SiO2-P2O5-B2O3系生物玻璃，发现当玻璃中B2O3/SiO2的摩尔比为3：1时，生物活性较好。

随着B2O3与SiO2的摩尔比减小，玻璃的降解速度变慢，获得的羟基磷灰石结晶度较低利用此特性可控制生物玻璃的降解速度，从而与骨细胞生长速度相匹配因此，所得到的硼硅酸盐生物活性玻璃有望在硬组织工程支架材料中得到应用Anbalagan Balamurugan和Gerard Balossier 等[17]在CaO-P2O5-SiO2系统生物材料的根底上引入少量的Zn，制成CaO-P2O5-SiO2-ZnO生物活性玻璃通过实验发现少量Zn的引入，不仅没有降低材料的生物活性，而且可以刺激早期细胞的增殖Na Li等通过研究发现参加聚乙二醇( PEG) 到生物活性玻璃凝胶中可以制得大孔溶胶凝胶生物玻璃运用这种方法，可以。