新型有序納米介孔生物玻璃材料的合成與體外生物活性研究.pdf

1、生物活性玻璃(BioactiveGlasses，BG)是一類重要的骨修復(fù)材料，其組成為二氧化硅、氧化鈣、五氧化二磷，亦可添加少量的Na：O，‘MgO等。當(dāng)植入人體內(nèi)，BG能與骨形成緊密結(jié)合，并迅速有效地促進(jìn)骨修復(fù)，因而具有很好的成骨性能；同時BG還具有優(yōu)越的生物相容性和自降解性能。目前BG已經(jīng)通過美國FDA認(rèn)證，可以用作多種臨床手術(shù)后的骨修復(fù)材料。近來又發(fā)現(xiàn)BG中的離子溶解產(chǎn)物可以激活基因的表達(dá)。這些廣闊的應(yīng)用前景促使人們對BG的成骨機(jī)

2、理作更深入的研究，同時制備成骨活性更佳的生物材料。 制備BG材料的方法可分為熔融燒結(jié)法和溶膠凝膠法兩大類，其生物活性與組分、孔容以及孔徑等結(jié)構(gòu)相關(guān)。前期研究表明：只有大于2am的介孔才能有效地誘導(dǎo)骨生長，同時提高介孔孔容亦對提高生物活性有利。需要指出的是，溶膠凝膠法所合成常規(guī)BG材料中也具有無規(guī)則的納米孔，但其孔分布較寬，孔體積相對較小。此外，由于傳統(tǒng)BG材料的孔容、孔徑隨組分的變化而變化，組分均一性也較差，因此，傳統(tǒng)BG材料中

3、組分和活性的關(guān)系并沒有被真正地揭示出來。如何有效地控制BG材料的結(jié)構(gòu)和組成，深入理解組成．生物活性、結(jié)構(gòu)．生物活性的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而理性地設(shè)計合成，制備出成骨活性更高的生物玻璃材料，具有重大的理論價值和實際意義。 本論文針對目前研究中存在的問題，提出了利用表面活性劑自組裝制備新型有序納米介孔生物玻璃(MesoporousBioactiveGlasses，MBG)材料的新方法。介孔材料最突出的特點(diǎn)就是介孔的孔徑分布均一、可調(diào)，比表面積以

4、及孔容較大。期望利用介孔材料的這些特點(diǎn)，獲得組分、結(jié)構(gòu)可控，生物性能更佳的新型生物玻璃材料。通過采用溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝并結(jié)合溶膠．凝膠技術(shù)，我們制備了一類新型MBG材料。通過改變無機(jī)前驅(qū)物的投入比、焙燒溫度、表面活性劑種類等方法，獲得了一系列不同組成、不同焙燒溫度、不同孔徑的MBG材料。在不同組成(Si02含量60-100％)時，用相同表面活性劑為模板所制備MBG的孔結(jié)構(gòu)不隨組分的改變而改變，比表面和孔容相對較大且一致，孔徑分布狹窄均一

5、，孔道形狀相同，這表明MBG具有與傳統(tǒng)BG材料完全不同的成孔機(jī)制。此外，MBG組分均勻性好，無機(jī)物種CaO等以無定形的方式在納米尺度均勻地分布在SiO：的骨架中。在用不同焙燒溫度(873-1173K)處理MBG的情況下，當(dāng)焙燒溫度不超過1073K時，MBG呈現(xiàn)出有序的介觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度為1173K時由于強(qiáng)烈的晶化導(dǎo)致介觀結(jié)構(gòu)坍塌。利用不同分子量大小的表面活性劑，制備得到不同孔徑(2．0，3．4，5．0，6．4am)的MBG材料。通過研究M

6、BG材料在水中的溶出行為，說明MBG材料具有很好的降解能力；此外，通過改變相關(guān)工藝，還可得到不同宏觀形貌的MBG(如膜、單片、纖維、多級結(jié)構(gòu))。 我們通過控制MBG材料的化學(xué)組分、化學(xué)結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)各個參數(shù)，對MBG材料的體外生物活性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。首先，我們考察了不同組分MBG材料的體外成骨行為，得到如下次序：80S15C>70S25C>60S35C>90S5C>100S。這與傳統(tǒng)BG材料的生物活性順序相差很大：在BG中80S

7、組分的生物活性很弱，而60S組分是里面最好的。導(dǎo)致這一差別的原因在于BG材料的孔結(jié)構(gòu)隨組成的改變而改變，所以不能真正合理地研究與揭示材料的組成、結(jié)構(gòu)與成骨性能之間的關(guān)系。在經(jīng)過不同溫度焙燒的MBG例子中獲得了973≥873>1073>1173K的生物活性規(guī)律。在不同孔徑的情況下，我們得到了相同組分MBG材料的體外生物活性順序為6．4≈5．0>3．4>2．0nm。通過實驗發(fā)現(xiàn)除孔徑外，墻壁厚度是影響離子溶出沉積的一個重要因素。同時，我們通

8、過引入計算在SBF溶液中CaP消耗總量、CaP的IP值與△【Ca】/△【P]比值這些方法，來衡量各種MBG材料的體外成骨活性，一定程度上可以揭示材料的成骨行為，對理解羥基磷灰石的成核生長機(jī)理，以及如何提高材料的成骨能力，如何調(diào)控材料的離子釋放行為等有很大的幫助。另外，我們還比較了MBG與BG的體外生物活性，發(fā)現(xiàn)在相同的組分(80S15C)下MBG的成骨性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的BG材料。 在此基礎(chǔ)上，我們又進(jìn)一步比較了MBG與商品化生物玻

9、璃Novabone的體外生物活性和生物相容性。與此同時，還對不同顆粒度的介孔生物玻璃的體外成骨性能與降解能力進(jìn)行了考察，其體外生物活性與降解能力均隨著顆粒度的增大而減小。體外生物活性實驗表明，MBG具有較高的生物活性，較強(qiáng)的降解性，且反應(yīng)后對微環(huán)境的pH值的影響較小，可大致保持局部體液酸堿穩(wěn)定。細(xì)胞毒性實驗表明MBG浸提培養(yǎng)液對成骨細(xì)胞的增殖和分化的作用明顯優(yōu)于商品化的Novabone生物玻璃。MBG無細(xì)胞毒性反應(yīng)。因此，MBG作為一種