生物功能玻璃的发展现状(论文)

生物功能玻璃的发展现状、存在问题及发展趋势摘要:生物功能玻璃是一种新型玻璃。长久以来，玻璃多被用于容器。自1971年Hewch等人发现生物玻璃以来，人们便对玻璃和玻璃基材料用作生物、组织和器官损伤的修复及癌症的治疗给予了很大的关注，并开发了高强度、可切割、可迅速固化、铁磁性等各种功能的生物活性玻璃和微晶玻璃。关键词：生物活性玻璃;功能化；生物活性；生物矿化性能生物玻璃还具有良好的细胞相容性，并且在一定程度上能促进细胞的增殖.细胞的分子生物学机理研究表明，生物玻璃能通过对那些调节诱发细胞周期开始和进程的基因进行直接控制，从而促进骨修复和形成.通过等离子体发射光谱仪(ICP)测试了这三种生物玻璃在细胞培养液中溶出离子的浓度，并研究了离子浓度的差异对细胞增殖及ALP活性的影响.通过这些研究可以得出生物玻璃不同组分和结构对生物玻璃矿化性能及其细胞亲和性的影响.通过对生物玻璃这一系列基础的理解，可以为设计新一代生物材料、以及新一代细胞活化的组织工程生物降解支架材料提供分析依据.2.2生物玻玻的体外矿化实验3.1生物活性玻璃的研究进展自19世纪70年代Hench教授发明熔融法生物玻璃4555以来[[40]，生物活性玻璃作为生物活性材料中的重要组成部分，近年来越来越多地受到国际生物材料学界关注。生物活性玻璃具有良好的生物活性，能够与骨形成牢固的化学结合，一问世便引起国际生物材料学界的高度关注。生物活性玻璃的种类主要包括:熔融法生物活性玻璃;生物活性微晶玻璃;溶胶一凝胶生物活性玻璃等。熔融法生物活性玻璃是研究最早的生物活性玻璃，最具有代表性的并且己应用于骨、齿科临床的是4555系列的生物玻璃。4555生物玻璃的化学组成是以Na20-Ca0-Si02-P20:四元系统为主。目前己成功应用于临床治疗的产品有用于牙周缺损修复、领骨囊肿摘除后骨缺损填充、牙槽脊增高及人工种植牙根周围固定用的PerioGlas风拔牙后牙陷窝填充用的ERMI.，四肢及脊椎骨修复用的NovaBoneTM，中耳骨修复用的DUKE-MIDTM等，这些产品在临床应用中收到良好的治疗效果。由于其特有的无机非晶态结构、提高细胞活性及促进生物矿化等优异性能，被认为是一类具有比其它结晶态生物活性材料更为优越的骨、齿科修复材料[[41-43]。在后来的研究中还发现，4555生物活性玻璃在体内可以引发特殊的生物反应，与软组织和硬组织都可以形成良好的化学结/}[44-47]}习。溶胶一凝胶方法是一种制备纳米材料的常用工艺，而溶胶一凝胶生物活性玻璃由于具有优异的高比表面积、特殊的纳米介观结构、高生物活性、良好的生物矿化特性及可调控降解特性，从而有希望成为新一代组织修复及组织工程材料。Hench的课题组自90年代初开始通过溶胶一凝胶方法(Sol-Gelmethod)制备Ca0-P205-Si02系统生物活性玻璃，并对其组成、结构和性能进行了一系列研究[[52-61]。研究表明，溶胶一凝胶生物活性玻璃具有较熔融法制备的4555系列生物玻璃更高的生物活性，体外试验表明，在370C的模拟生理溶液(SBF)中8小时即可在材料表面形成一层具有一定结晶度的碳酸轻基磷灰石(HCA)，而4555生物玻璃则需要24小时左右的时间。此外，相比较熔融法制备的生物玻璃而言，溶胶一凝胶生物活性玻璃具有以下优点[[54-61].}1}通过溶胶一凝胶工艺制备生物活性玻璃的过程基本上是在室温下进行，后续的热处理温度在6007000C，这要比熔融法(135014000C)制备生物玻璃低得多，在工艺上易于操作;C2)化学成分的均匀性可达分子级别。通过将溶液充分混合，可以使溶液在大约0.5nm的尺度内达到化学均匀，这同熔融法使用的微米级粉末原料的混合均匀度相比，提高104一105倍;(3)高化学纯度。Sol-Gel生物活性玻璃制备采用高纯度化学试剂为原料，还可采用一些进一步纯化原料的工艺，从而保证了所得材料的纯度。此外，通过溶胶一凝胶工艺制备生物玻璃还避免了高温熔融时柑锅材料对玻璃的高温污染;(4)可以对材料的组成和分子结构进行设计和剪裁而赋予材料特定的理化和生物学特性，满足特定部位的组织修复需要;(5)溶胶一凝胶生物活性玻璃具有纳米级微孔、巨大的比表面积、较高的化学活性和吸附特性，这些性质对于制备组织修复材料具有重要意义。如通过复合、表面接枝、生物组装与骨修复有关的蛋白和生长因子等，使材料具有更好的组织修复功能;C6)利用Sol-Gel法适合于制备超细粉体、薄膜、涂层、纤维等多种形式的生物活性玻璃材料，利用熔融法则较难实现。溶胶一凝胶材料由于具有上述一系列优点，引起生物材料学界的高度重视。溶胶一凝胶生物玻璃被誉为新一代的生物活性玻璃[[41,43]1.3.2生物活性玻璃的基因激活作用用生物活性玻璃微粒填充缺损的骨时，在修复位点骨迅速再生，再生组织与周围骨组织结构和力学性能相匹配。这与生物活性玻璃表面快速化学反应引起的骨传导性和骨诱导性相关，其表面化学反应释放的可溶性Si,Ca,P,Na等离子达到临界浓度后将能引发生物活性玻璃和其周围细胞间的特异相互作用。过去一直认为生物玻璃的骨修复机1.3.3生物活性玻璃的纳米结构溶胶一凝胶法是制备纳米粉体的常用且有效的方法，其主要制备原理是:前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液，分散程度可以达到分子水平，溶质与溶剂水解或醇解，反应生成物聚集成1nm左右的粒子并组成溶胶，经蒸发干燥转变为凝胶，经过干燥锻烧后得到需要的粉体[[51]。李玉莉、陈晓峰等[[61-63]在对溶胶一凝胶生物活性玻璃的研究中发现:溶胶一凝胶生物活性玻璃具有纳米结构，是由纳米微球组成(如图1-7，其中58S的微球直径分布在15}SOnm,77S的微球直径分布在6}lOnm，微球与微球间的孔隙约2}20nm,这种显微结构是溶胶一凝胶生物活性玻璃具有巨大比表面积的根本原因。但是由于干燥过程中氢键、毛细管力的作用，纳米微球很容易产生团聚，聚集在一起难以分散。1.3.4生物活性玻璃粉体的仿生合成与形貌控制微纳米粒子的调控合成是材料科技发展的重要组成部分，是探索粉体结构性能及应用的基础。无机材料不是简单无机单元的无限重复，同样的材料组成，特异的维度和形貌经常会造成特异的性能[[68]，因此无机粉体的形貌调控具有重要的研究意义。近年来越来越多的研究者开展溶胶一凝胶生物活性玻璃微纳米粉体形貌调控的相关研究[[72-81]。采用有机模板仿生合成生物活性玻璃微细粉体是制备不同形貌生物活性玻璃粉体的有效方法。}'law等[[74-76]采用P123为有机模板制备了具有规则介孔的生物活性玻璃(见图1-8，并研究了介孔生物活性玻璃的载药及释药性能。Yan等[}}8]采用溶胶凝胶法结合模板法制备了不同介孔结构的生物活性玻璃，其中以P123表面活性剂作为模板制备了六方有序介孔结构的Ca0-Si02-P20s系统生物活性玻璃，采用F127表面活性剂作为模板制备了蠕虫状介孔生物活性玻璃，所制备介孔生物玻璃比普通生物玻璃显示出更好的体外生物活性。PappasGS等[[79]以Span80和Tween20为表面活性剂，采用反相微乳液法制备了粒径大小为110-180nm的球状Si02-Ca0系统生物活性玻璃。杨宇霞等[X80]采用TritonX-100/正辛醇/环己烷/水的微乳体系结合溶胶凝胶法制备了粒径范围在25-SOnm的Ca0-Si02-P20s系统生物活性玻璃，体外模拟矿化实验结果表明所制备的纳米粉体具有良好的生物活性。以上研究结果表明模板法中的微乳液法是一种合成生物活性玻璃纳米1.3生物活性玻璃概述1.3.1生物活性玻璃的研究背景生物活性玻璃(BGs)最早由美国教授Hench于20世纪70年代初期首次提出。在生物活性玻璃植入人体内，化学反应在材料与组织液之间持续的发生，可总结为两个过程:离子溶解和交换与离子沉积过程。进一步解释就是，生物活性玻璃浸入体液后，其结构中的钙离子会从结构中溶解到体液中，此时体液中的氢离子会与钙离子发生离子交换，使得生物活性玻璃表面形成丰富的Si-OH，伴随着生物活性玻璃表面周围的pH值瞬间升高，最终将Si-OH转化为Si-。一，然后生物活性玻璃及体液中Ca,P元素作为钙和磷的来源，最终形成轻基磷灰石[[Calo}PO小(OH)2}层，从而可与人骨发生化学键合。在化学组成上它等价于骨的无机成分[[23,24]。经层，从而可与人骨发生化学键合。在化学组成上它等价于骨的无机成分[[23,24]。经过一段时间反应后，存在生物活性玻璃周围的胶原纤维和其他蛋白质首先被吸附到轻基磷灰石晶体上。另外，对于之前材料与相邻骨组织之间形成的化合键来说，现在的轻基磷灰石己经包含特定的蛋白质，这样就能够为细胞依附提供生长界面。与此同时，成骨前驱液就会迁移并依附到材料的表面，然后，细胞开始分化为功能化的成骨细胞和胶原蛋白的沉积。结果，在生物活性玻璃表面与轻基磷灰石(HAP)晶体之间蛋白质就进一步矿化为新骨组织。上世纪70年代初，美国人Hench教授发现具有一定组成的玻璃，在体内能与骨组织形成紧密的骨性结合，而且这种玻璃对人体无不良反应。Bioglass在临床治疗上取得了优良的效果，从而引起了世界范围内的专家和学者对生物活性玻璃和生物活性玻璃陶瓷展开了深入的研究，这种熔融法制备的Bioglass生物活性玻璃作为最早开发和临床应用的生物活性玻璃，对它的的研究也最深入和广泛。预计在未来10年中，玻璃生物医用材料将有迅速的发展，在医用材料中具有重要的地位。日本东京大学和化学研究所采用CaO,MgO,SiO,,P,O}等做原料加工成玻璃，再用烧结方法将粒状的磷灰石结晶和纤维状的硅灰石结晶复合成结晶形玻璃。这种结晶玻璃具有良好的活体亲和性和机械强度，并能进行精密的机械加工，因此可用于人体各种部位的人工骨，特别是对于强度要求较高的脊椎骨和长管骨等等。美国佛罗里达大学研制出、种具有生物性能与组织结合的新型生物玻璃，它具有生物适应性，可用于人工骨、人工齿齿民等方面。以上述生物玻璃制成的人工骨，能与人体骨组织“生长”结合在一起，形成牢固的骨性结合，是目前较理想的人体硬组织替代材料。研究发现，生物活性玻璃不但具有传统生物活性陶瓷所具有的生物活性、生物相容性等特点，而且植入人体，其表面与客体骨之间能够形成强烈的化学键，进而促进新骨的诱导与生长。1.3.2生物活’}生玻璃的合成方法近年来，溶胶一凝胶技术由于制备出的材料颗粒尺寸小、易产生孔道、比表面积大、制备过程操作简单等特点，被认为是制备新型材料的重要方法。O)熔融法熔融法的制备工艺通常是将反应原料混合后，置于10000c以上的高温下熔融，保持一段时间后骤然冷却，得到成品生物活性玻璃。该制备方法易于大规模制备生物活性玻璃，但是通过此方法制备的生物活性玻璃通常下组成和生物活性都将受到影响，主要由于原料成分中的磷在高温下很容易挥发，使其化学组成成分难以控制，并且由于温度过高会导致Si-OH的减少和Cat十的溶解，这都将降低制备出的生物活性玻璃的生物活性。(2)溶胶一凝胶法[29]典型的溶胶一凝胶反应一般包括烷氧基金属有机化合物水解成轻基化合物和轻基化合物缩合及缩聚两个过程。由于采用溶胶一凝胶法可制备出多体系生物活性玻璃，这里以(Si02-Ca0-P205)型生物活性玻璃为例来研究其溶胶凝胶的制备方法。简单的，将一定量的正硅酸乙脂、硝酸钙和磷酸三乙脂，盐酸为催化剂，以乙醇为溶剂相。按照一定比例依次将每种原料加入盛有乙醇的烧杯后搅拌制成均匀溶液，在室温下陈化，形成凝胶。干燥、锻烧，获得生物活性玻璃样品。(3)静电纺丝技术[30,31]20世纪90年代初，随着新型纳米材料的广泛开发和研究，静电纺丝技术得以发展并被广泛关注。静电纺丝技术是一种用来制备超细纤维的方法，成本低廉、简单易行。由静电纺丝技术制备出的纳米纤维材料，一般表现出极大的比表面积。静电纺丝法己经成为制备纳米纤维的主要制备方法之一。另外，由静电纺丝技术制备出的生物活性玻璃纳米纤维材料，与细胞外基质在形态结构上相似，具有极大的比表面积和高孔隙率等特点，目前己用于制备生物医