生物活性玻璃

1、高分子0902 吳俊 生物活性玻璃研究及應用摘要：生物活性玻璃是一種具有特殊組成和結構的硅酸鹽玻璃材料。主要介紹了生物活性玻璃的制備方法、特殊活性以及在各方面的廣泛應用。關鍵字：生物活性玻璃 制備 活性 應用緒論生物材料，包括生物玻璃、生物玻璃陶瓷、生物磷酸鈣陶瓷以及生物復合材料、生物涂層等，是一類可對肌體組織進行修復、替代與再生，具有特殊功能的材料。由于其具有較高的生物活性、生物相容性和化學穩(wěn)定性，近幾十年來的研究十分活躍。生物活性玻璃(bioactive glass，BG) 是一種具有特殊組成和結構的硅酸鹽玻璃材料，由美國佛羅里達大學Hench教授在1969年研發(fā)出來的。具有與骨組織形成化

2、學性結合能力，與骨組織和軟組織均有良好的結合能力，在植入體內后生物活性玻璃表面即與體液發(fā)生離子反應，最終在玻璃表面形成類似骨中無機礦物的低結晶度碳酸羥基磷灰石層(HCA)，因化學組成與生物體的骨骼相似，容易與周圍的骨骼形成牢固的化學鍵合即骨性結合，具有優(yōu)良的骨誘導性、骨傳導性及生物相容性，已成為材料科學、醫(yī)學以及生物科學等學科的熱點，越來越受到人們的重視，特別是生物活性玻璃復合材料的研發(fā)成功，更是給人類健康帶來了又一突破性進展，廣泛開展生物活性玻璃復合材料的研究具有重要的理論價值和應用價值。1.生物活性玻璃的制備與傳統玻璃制備工藝一樣，最早的生物玻璃和微晶玻璃都是通過熔融法制備的。隨著溶膠凝膠

3、技術的發(fā)展，該方法被引用到生物玻璃的制備中來，該方法制備的生物玻璃由于具有高的比表面積，顯示出了較高的生物活性。1.1熔融法高溫熔融法是大規(guī)模工業(yè)生產的主要方法也是傳統的玻璃制備方法，這種方法具有工藝成熟，操作簡單，制得玻璃質量高等特點。高溫熔融法制備玻璃時在反應中參與反應的組分的原子或離子受到晶體內聚力的限制，所以反應動力學的決定因素有晶體結構和缺陷、物質的化學反應活性和能量等內在因素;也有反應溫度、參與反應氣相物質的分壓、電化學反應中電極上的外加電壓、射線的輻照、機械處理等外部因素。本研究充分利用實驗室現有的條件，所有試樣均采用高溫熔融冷卻法制備。實驗在空氣環(huán)境下，于硅碳棒加熱爐中熔化;玻

4、璃均化好后在加熱的鐵板上淬火成型，之后在馬弗爐中退火處理。所有玻璃均采用氧化鋁柑禍熔制。熔融法制備生物玻璃的方法與傳統制備玻璃的方法沒有本質差別。一定純度的粉體原料按照化學計量比混合均勻，在高溫(13001500)下熔融，然后淬冷制得玻璃塊體，微晶玻璃則還需要進一步的熱處理析晶過程。由于生物玻璃中多含堿金屬成份，在高溫下腐蝕性極強，容易腐蝕增禍帶入雜質，因此對增禍具有嚴格的要求，最好是用鉑金增禍。而13001500的高溫熔融，對高溫設備也有一定的要求，同時能耗較大。含CaO和P2O5的生物玻璃，最具代表性的是Hench等人研制的組成為Na2O24.5%、CaO24.5%、SiO245%、P20

5、56%的Na2O-CaO-SiO2-P205系生物玻璃。Hench生物玻璃的制備過程是將高純度化學試劑的純石英(平均顆粒度為 5pm)的混合物在含10%鍺的鉑金柑禍內熔化，然后將增禍密封以避免揮發(fā)。將配合料熔融兩個小時不要揭開蓋子以使其充分均化。大多數規(guī)格不同的植入體骨件的制備是將玻璃液傾入不同的石墨模具中。對于直徑超過1cm的樣品，模具要預熱到300，小件或者薄平的試樣是在室溫一F傾入石墨模具中的。然后將試樣很快轉入退火爐中。在退火溫度下的熱處理時間是4h，此后試樣隨爐緩慢冷卻至室溫。表2-1給出了不同組成的Hench玻璃的熔點和退火溫度。在熔化和退火過程中需要特別精細以防止生物活性玻璃的任

6、何熱致裂紋。將這種玻璃植入骨骼的缺損部位后并不生成軟組織膜而直接與生物骨骼形成緊密的化學結合。采用熔融法制備的玻璃具有致密的結構，密度大，比表面積小，生物活性依賴于化學組成。1.2溶膠凝膠法溶膠凝膠法是一種新興的玻璃制備技術，溶膠一凝膠法是以金屬醇鹽為原料，在有機介質中進行水解、縮合反應，使溶液經溶膠一凝膠過程，加熱凝膠干燥，然后鍛燒得到最后產品。目前該法在無機材料科學界受到廣泛重視，在稀土發(fā)光材料的合成中也占據了極大的比重。這種方法在20世紀90年代才被引用到生物玻璃的制備過程中。溶膠凝膠生物玻璃的玻璃網絡結構主要來自于其凝膠過程Si-O的聚合，而不是靠熔融過程中的Si-O重組，鍛燒主要是除

7、去凝膠中的有機成份和硝酸根，因此其鍛燒溫度較低，只需600800，以保證硝酸根的排除。溶膠凝膠法制生物玻璃主要采用金屬醇鹽作為生物玻璃中氧化物的前驅體，一般使用正硅酸乙醋(TEOS)作為SiO2的前驅體，磷酸三乙醋(TEP)作為PZO:的前驅體，堿金屬和堿土金屬氧化物則采用各自的硝酸鹽作為前驅體。TEOS和TEP在酸或堿的催化作用下在水溶液中進行水解形成溶膠，然后加入硝酸鹽等混合均勻，均化后得到凝膠，再經過干燥和鍛燒后得到玻璃。溶膠凝膠生物玻璃的制備前期是一種簡單的化學過程，后期又不需要過高溫度的鍛燒，整個工藝過程操作簡單，對設備的要求不高。在干燥和鍛燒過程中，凝膠塊體容易碎裂，而后又不經過熔

8、融成型過程，通過該方法難以得到大塊的玻璃塊體材料。在鍛燒過程中，有機物、水份和硝酸根的排除留下大量的孔洞，溶膠凝膠玻璃具有多孔的結構，密度小，比表面積高，生物活性高，在保持生物活性的前提下，其化學組成可在較大范圍內進行調整。溶膠凝膠法反應溫度一般為室溫或稍高一點，大多數有機活性分子可以引入此體系中并保持其物理性質和化學性質：反應從溶液開始，易控制各組分的比例，且達到分子水平上的均勻，所以產品組成均勻;缺點是反應的原料價格高，且有時較難制得，反應操作也較復雜，周期長。1.3微晶化工藝微晶玻璃是將加有成核劑(個別可以不加)的特定組成的基礎玻璃，在一定溫度下熱處理后，就變成具有微晶體和玻璃相均勻分布

9、的復合材料。微晶玻璃與普通玻璃的區(qū)別，主要是它們具有結晶結構，而同陶瓷材料的區(qū)別，主要是它們的結晶結構更細。微晶玻璃的生產過程，除增加熱處理過程外，同普通玻璃的生產工序一樣。它的性能是由晶相的礦物組成與玻璃相的化學組成以及它們的數量所決定的。調整上述各因素，就可以生產出各種預定性能的材料。微晶化過程又可分為光敏微晶化和熱敏微晶化。熱處理是微晶玻璃產生預定晶相和玻璃相的關鍵工序。微晶玻璃的結構，取決于熱處理的溫度制度。熱處理時，玻璃中先后發(fā)生分相、晶核形成、晶體生長、二次結晶生長等過程。對于不同各類的微晶玻璃，上述各過程進行的方式也不同，所以每種微晶玻璃都有自己的特殊熱處理溫度制度。熱敏微晶玻璃

10、如在成型后不需要進行進行機械加工或者熱加工時，可以進行晶化熱處理，同時完成退火的工序。一般采用分段的退火方式進行。第一階段是在一定溫度下保溫，使玻璃中產生盡可能多的晶核，這是制得具有微晶玻璃結構材料的先決條件。第二階段是在較高一些的溫度下，令晶體生長，使基礎玻璃轉化為以微晶結構為主的微晶玻璃。多數微晶玻璃經兩個階段熱處理就完成了全部結晶化過程。有時候也要在更高的溫度下進行第三次熱處理。2生物醫(yī)用玻璃的活性2.1生物醫(yī)用玻璃的活性度不同的生物活性材料,其鍵合機理及鍵合速度差異顯著,這主要歸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臨床上廣泛而有目的的應用。據此,Hench將生物

11、活性材料按其物活性度的高低分成兩個等級:一是A級生物活性材料,該材料具有高活性度,不僅能與骨發(fā)生鍵合,且能與軟組織發(fā)生鍵合;另一是B級生物活性材料,該材料具有低生物活性度,只能與骨發(fā)生鍵合。生物性材料的生物活性度可用IB來表征:IB=100/t其中t表示50%骨材料界面發(fā)生鍵合所需的時間。由上式可知t越小,即50%骨)材料界面發(fā)生鍵合所用的時間越短,則IB越大,該生物活性材料的生物活性度越高。表1列出了目前臨床上所使用的各種生物玻璃的活性度、活性等級及組織反應情況。3生物活性玻璃的應用3.1在骨骼修復中的應用根據生物學活性不同，可以將骨移植替代材料分為兩類。一類材料除具有骨傳導作用外，還具有骨

12、形成促進作用，能在材料組織界面引起胞內和胞外反應；另一類材料只具有骨傳導作用，僅僅引起胞外反應。生物活性玻璃屬于第一類材料，具有良好的骨傳導和骨形成作用。由于生物玻璃表面在人體的生理環(huán)境中可發(fā)生一系列的化學反應，并可直接參與人體骨組織的代謝和修復過程，最終可以在材料表面形成與人體骨相同的無機礦物成分碳酸羥基磷灰石 Ca10(PO4)6 (2OH-，CO32-) ，并誘導活骨組織的生長，所以可用于人體骨缺損的填充和修復。生物活性玻璃作為骨替代材料具有以下優(yōu)點：（1）骨形成迅速，除骨引導作用以外，在顆粒內部及其周圍也可見骨生成。（2）顆粒大小均勻，由于顆粒之間空隙和材料表面的大量微孔存在，為血管和

13、組織的長人和緊密結合提供了良好條件。（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線阻射，便于術后檢查。（5）具有降解性，顆?？杀晃?，最終形成骨樣結構。對生物活性材料在體內與骨組織結合面的研究發(fā)現，材料在體內環(huán)境中表面會形成一層類骨羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)層，骨組織通過HA層與材料進行結合。在力學實驗中，斷裂不是發(fā)生在骨的一側就是發(fā)生在材料一側，界面結合處卻完好無損，表明HA層與骨結合密切，材料在體液環(huán)境中沉積HA層的能力成為評判材料活性的一個重要依據。以Ca-Si為基礎的生物玻璃。在體液環(huán)境中，其表面形成一層富硅層，誘導HA的沉積，從而顯示出生物

14、活性。與磷酸鈣生物材料相比，生物活性玻璃的組分范圍要廣，各種對人體無害和能促進骨組織生長的離子都可以添加到生物活性玻璃中以改善其性能。由于生物活性玻璃優(yōu)良的生物活性和可調節(jié)的化學組成，其性能如活性、降解性和力學性能都可以人為調節(jié)和控制，使生物活性玻璃成為骨組織修復材料的一個研究熱點。國內外許多科學家對此進行了研究。陳曉峰利用溶膠-凝膠法制備了CaO-P2O- SiO2系統生物活性材料，實驗表明該類材料為無定形態(tài)材料，具有良好的生物活性、組織與細胞親和性及生物礦化功能，是一類新型的骨修復和骨組織工程材料，可單獨或與具有良好生物相容性的高分子類生物材料復合制成性能理想的新型骨組織工程支架。另外還對

15、溶膠-凝膠過程中所需的催化劑進行了選擇和研究，研究表明以鹽酸為催化劑所制得的溶膠-凝膠生物玻璃具有相對更高的比表面積和較小的平均孔徑。張梅梅等通過溶膠-凝膠法合成制備了CaO-P2O5-SiO2系統生物活性玻璃，并通過一定的燒結工藝將其制備成用作骨組織工程支架的多孔材料。寧佳等采用熔融的方法制備出了Na2O-CaO-SiO2-P2O5-B2O3系生物玻璃，發(fā)現當玻璃中B2O3/SiO2的摩爾比為3：1時，生物活性較好。隨著B2O3與SiO2的摩爾比減小，玻璃的降解速度變慢，獲得的羥基磷灰石結晶度較低。利用此特性可控制生物玻璃的降解速度，從而與骨細胞生長速度相匹配。因此，所得到的硼硅酸鹽生物活性

16、玻璃有望在硬組織工程支架材料中得到應用。Anbalagan Balamurugan和Gerard Balossier 等17在CaO-P2O5-SiO2系統生物材料的基礎上引入少量的Zn，制成CaO-P2O5-SiO2-ZnO生物活性玻璃。通過實驗發(fā)現少量Zn的引入，不僅沒有降低材料的生物活性，而且可以刺激早期細胞的增殖。Na Li等通過研究發(fā)現加入聚乙二醇( PEG) 到生物活性玻璃凝膠中可以制得大孔溶膠凝膠生物玻璃。運用這種方法，可以通過改變加入PEG粒子的粒徑大小有效地控制塊體生物玻璃孔徑大小，使制備的骨修復材料能同時滿足強度和生物活性的要求。生物活性玻璃具有金屬材料及有機材料無法比擬的

17、優(yōu)點，如生物相容性好，無毒副作用，可與骨骼形成骨性鍵合并且耐化學腐蝕等，但是它同樣存在著致命的不足， 與人體骨相比生物活性玻璃脆性大，尤其是抗彎強度不足，嚴重限制了該類材料的使用范圍。目前生物活性玻璃主要用于骨損傷修復及骨料填充等非承載部位。植入體內的BG的降解有以下幾個機制：（1）物理降解，包括由磨損、折斷、斷裂等物理作用造成的材料結構的破壞和質量的損耗；（2）化學降解，主要是材料的水解、晶體結構的破壞和小分子降解顆粒的形成與擴散：（3）生物降解，就是巨噬細胞和多核吞噬細胞等白細胞的參與下將化學降解得到的小顆粒進一步分解、消化，并將其運送至周圍組織進入循環(huán)系統的過程。三種降解過程使得BG顆粒

18、在生物組織中被逐步降解和吸收，其降解速率與其促進骨修復的速度相適應，在促進新骨形成的同時，本身亦隨降解而從體內消失，并為新生組織所代替。3.2在口腔治療中的應用3.2.1 髓室穿孔的覆蓋修復材料臨床上，齲損、病理性吸收或髓腔解剖變異、操作不當等，都可造成髓腔穿通至牙周組織，如不及時用生物材料修復，常導致穿孔區(qū)牙周組織的慢性炎癥，繼而發(fā)生牙周附著喪失， 牙槽骨、牙骨質及牙本質吸收，牙周袋形成，從而導致牙髓治療失敗，甚至患牙的拔除。目前雖然已有多種材料用于髓室穿孔的修復，但效果似乎都不甚理想。溶膠-凝膠BG微粒具有一定的流動性和良好的粘附性，植入髓室穿孔處與血液及牙槽骨骨組織接觸時，可在瞬間與組織

19、間發(fā)生復雜的離子交換，在BG的表面形成富硅凝膠層，并聚集形成無定形碳酸羥磷灰石層，通過鈣磷層的快速形成并沉積在穿孔區(qū)牙周組織內，最終鈣化，形成牙骨質和牙周新附著。BG克服了以往覆蓋修復材料生物相容性差、炎癥反應重、妨礙牙周組織修復的缺點，為更多髓室穿孔牙的保存提供了可能，生物活性玻璃有望成為髓室穿孔的理想覆蓋修復材料。3.2.2 牙科植入材料植入體與自然骨結合界面的穩(wěn)定性與植入體成功和失敗有密切關系。溶膠-凝膠BG在體內可與自然骨組織形成鍵結合，生長在一起，其組成結構中含有能夠通過人體正常的新陳代謝途徑進行置換的鈣、磷等元素，有與自然骨在化學組成、結構上都相同的基本結構單元磷灰石晶體Ca10(

20、PO4)6 ，可以促進骨組織較快生成和生長。溶膠-凝膠BG在體內不但能與骨組織牢固鍵合，還能夠與軟組織鍵合，在一定成分范圍內具有可控釋放和降解的能力，是目前惟一能誘導生長因子的生成、促進細胞繁殖、活化細胞基因表達的人工合成的無機材料，已用于填充治療小型骨骼缺損、治療牙周疾病以及牙槽骨的增高和增寬術。采用溶膠-凝膠工藝制備的可加工的生物活性微晶玻璃制成復雜的植入體，它具有較高的機械強度，植入體內后能與周圍組織交互生長為骨性結合，作為種植體植入材料具有良好的應用前景。據報道，目前已經有兩種生物玻璃的牙科材料產品由美國生物公司(US Biomaterials Corporation) 開發(fā)進入市場，

21、一種是PerioGlas 粉( 90710m)，它是牙周炎的克星。牙周炎是牙根與牙床脫裂而致，PerioGlas既能與牙根成鍵聯結，也能與牙床成鍵聯結，因此PerioGlas 粉劑的填入能使牙根、牙床再次緊密相聯，使病人免受痛苦。另外一種是Nova Min，含有生物玻璃粉末的牙膏( 由USBiomaterials Corporation研制)，用于治療牙齒對冷熱過敏及牙周疾病。3.3在創(chuàng)口愈合中的應用生物活性玻璃具有良好的生物相容性和生物活性，傳統上用作人工骨或骨誘導劑，但有學者研究發(fā)現其也能與軟組織結合而促進軟組織的再生。其機理為：當該材料植入人體內，在體液的作用下，Na+、Ca2+等活性大

22、的離子首先溶出，體液中的H+進入玻璃表面形成Si-0H-，然后由于Si-O-Si 鍵破壞，無規(guī)網絡被溶解，可溶性硅以硅醇形式被放出，并且迅速在材料粉體表面形成一個羥基磷灰石膠結層?？扇苄怨栌蟹肿铀浇Y締組織的代謝作用和結構作用，生物玻璃溶解后，局部Si 濃度的升高可促進細胞新陳代謝的細胞內部響應，激發(fā)促創(chuàng)傷愈合因子的自分泌反應，參與創(chuàng)傷修復的所有細胞在促創(chuàng)傷愈合因子的刺激下加速生長和分裂，并聚集于材料表面形成的羥基磷灰石膠結層，使新生組織能整個創(chuàng)面順利爬移和覆蓋。BG已成功應用于口腔潰瘍和燒傷的治療，并取得良好的效果。3.4在藥物載體方面的應用藥物治療載體是生物玻璃最有前景的應用之一。各類藥物

23、儲存在多孔的生物玻璃中，植入人體的關鍵部位，隨著生物玻璃表面反應的進行，藥物釋放，達到有的放矢的治病目的，與傳統的注射方法相比，有均勻、長時間治療等眾多的優(yōu)點，有最大效率的療效。3.5 在癌癥治療方面的應用生物玻璃被埋入腫瘤附近、對癌細胞進行直接放射或熱處理、只殺死癌細胞而又不損傷正常組織。注入磷離子或釔等放射性元素后的生物玻璃，經中子照射下，產生射線以達到長期治療的目的。 Luderer 等在Al2O3-SiO2-P2O5玻璃基質中摻加鐵酸鋰，使其成為鐵磁玻璃陶瓷，并作為熱種子用于癌癥的熱療。在CaO-SiO2為基質的玻璃陶瓷中摻加Fe3O4，用其形成的生物活性鐵磁陶瓷對癌細胞進行熱療，發(fā)現

24、其對骨癌細胞有效參考文獻1Matthew B Hall,et al.生物玻璃的研究進展和臨床應用J.中醫(yī)正骨,2001,13(2):58.2陳曉峰，李玉莉，趙娜如溶膠-凝膠生物活性玻璃的納米結構分析研究J硅酸鹽通報，2007，26(2)：247-2513胡曉燕，王光毅，程大勝，等生物活性修復材料康倍治療燒傷的療效觀察J中國修復重建外科雜志，2007，21(11)：1216-12184 楊宇霞CaO-P2O5-SiO2系統生物活性納米材料的制備及其生物性能研究D廣州：華南理工大學，2004.5 陳曉峰溶膠-凝膠生物活性材料的研制及其生物礦化性能研究D 廣州：華南理工大學，2003.6談國強.生物

25、陶瓷材料M.北京:化學工業(yè)出版社2006，1-5.7李世普.生物醫(yī)用材料導論M.武漢:武漢工業(yè)大學出版社，2000，1，87-1008陳希哲，楊連甲.生物陶瓷與組織工程，外國醫(yī)學:生物醫(yī)學工程分冊M.北京:科學出版社，2000，4-10.9肖世勛.醫(yī)用生物活性玻璃的制備與性能研究D.長春：長春理工大學，2009.10王涵,張華. 納米生物醫(yī)用材料的研究及發(fā)展趨勢J.天津工業(yè)大學，2006.課堂總結：對“生物醫(yī)用材料”這門課半個學期的學習，我了解到材料在醫(yī)學上的特殊作用和最新突破，使我學到了很多跨學科的專業(yè)知識，材料的價值在于應用，在醫(yī)學上的應用讓材料學科更加偉大。生物醫(yī)學材料指的是一類具有特殊性能、特種功能，用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產生不良影響的材料?，F在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及