（材料学专业论文）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 ” 厂扑体系统畿活 l 体蔽免疫反应 ( 免疫反应 细胞免症反应 i 超梭反应 l 一 ，毙症反应( 急性、慢性) l 细胞粘附 k 蛆垠反应 鲴膪增殖( 异常葑化) l 形成童腥 l 蛔柏质转壹( 诱壹) ，密度、几何形状 l 力学性能 r 物理性质的变化 热掌性能 l 电学性能 o 表面性能 lr 醋碱性 il 吸附性 。化学性质的变化 溶胀性 l 水溶性 。稳定性 图1 - 2 生物医学材料与生物体的相互作用 f i g1 - 2t h eb i o m a t e r i a l s t i s s u ei n t e r a c t i o n s 一种理想的生物医用材料即要求所引起的宿主反应能够保证机体可接受，又不 使材料发生破坏，即保持良好的生物相容性。 1 3 2 生物相容性评价实验 生物相容性评价实验包括体外试验和动物体内试验。属于非功能性试验。 体外试验包括材料溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。材料溶出物测定 一般是使材料在模拟体液中溶解，测定材料主要组分的浓度或溶出的量。溶血试验 是将测试材料与血液细胞直接接触，通过测定红细胞释放出的血红蛋白的量，检测 材料的溶血作用。细胞毒性试验是将细胞和材料直接接触，或将试验材料浸液加到 单层培养的细胞上，观察材料对细胞生长的抑制和细胞形态的改变。体外试验的结 果用于分析、研究材料性能以便筛选。 动物体内试验包括急性全身毒性试验、刺激试验、致突变试验、肌肉埋植试验、 华南理工大学硕士学位论文 致敏试验、长期体内实验等。急性全身毒性试验又称急性安全试验，是将一定量的 材料浸提液注射到小白鼠体内，在规定时间内观察小白鼠致残情况。刺激试验是将 材料与有关组织接触，或将材料的浸提液注入有关组织内，观察组织是否出现红肿、 出血、变性、坏死等症状。致突变试验是a s m e s 突变试验，检测基因突变。肌肉埋 植试验，进一步了解材料的组织反应。 1 4 本研究的目的、意义及主要内容 1 4 1 本研究的目的、意义 生物活性玻璃作为无机生物医用材料中的一个重要分支，至今已有二十多年的 研究。由于其所具有的良好生物相容性，没有毒副作用，可以与植入部位周围的骨 骼形成紧密牢固的化学键合，或经生物降解形成新的骨骼成分，而以粉体的形式大 量临床应用于骨科、牙科、中耳等方面。正因为生物活性玻璃对人体的伤害部位可 进行修护治疗以至健康，因此，生物玻璃材料的研究与临床应用已成为材料学、医 学以及生物化学等学科的热点。 随着骨缺损、骨损伤等患者的日益增多，为减少传统治疗方法对患者带来的不 利因素以及人们对医疗水平要求的提高，组织工程学应运而生。组织工程研究中的 关键技术是生物材料技术和培养系统技术。而生物材料技术即为应用外源的三维骨 架在体外构建工程组织或器官。生物活性玻璃高的生物活性等特性，使其已具备作 为组织工程支架材料的条件。利用组织工程技术，将生物活性玻璃材料作为支架与 人体活细胞或生长因子等相复合，通过细胞外环境的调整，培育成生物替代物，以 修复或置换特定的骨缺损。与此相应，要求作为支架的生物活性玻璃材料具有三维 的多孑l 珊瑚状结构，存在一些能让骨组织和其它组织长入其内的通道，以保证天然 骨与植入的生物活性玻璃支架能相互在界面上产生侵入和交织现象：并具有一定的 生物降解性能，能被人体新陈代谢排除体外，只有这样骨缺损才能达到理想的修复。 本研究针对目| j 生物活性玻璃的临床应用仅限于粉体形式的不足，设想采用多 孔陶瓷材料的制备工艺制备出孔隙率可控的、高孔隙率的、大孔径同时具有一定微 孔的、一定机械强度的生物活性玻璃多孔支架材料，对骨缺损、骨缺失等患者的治 疗有重要意义。 1 4 2 本研究的主要内容 基于以上目的，本研究的主要内容如下： l 、采用溶胶一凝胶法制备5 8 s 和7 7 s 的生物玻璃粉体，利用扫描电镜、红外 吸收光谱、x 射线衍射以及生物活性测试等技术分析比较5 8 s 、7 7 s 及熔融法制备的 4 5 s 5 的性能，从而选定制各多孔支架材料的生物活性玻璃粉体原料。 1 6 第一章绪论 2 、采用添加造孔剂工艺制备多孔支架材料，结合扫描电镜、红外吸收光谱分析、 x 射线衍射分析等技术对材料的性能进行测试分析，探讨制备工艺的各种因素对材 料显微结构、物理性能、力学性能的影响机理，选择多孔支架材料最优制备工艺。 3 、采用熔融法制备的4 5 s 5 为添加剂，结合抗折强度、气孔率等测试技术和体 外模拟试验对材料的机械性能和生物性能进行分析，探讨4 5 s 5 对支架材料显微结 构、机械性能、生物活性及生物矿化性能的影响。 1 4 3 本研究的主要研究技术路线 本研究的主要技术路线如图1 2 所示。 图1 2 研究技术路线简图 f i g l 一2t h er o u t eo f i n v e s t i g a t i o n 华南理t 大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章生物活性玻璃粉体原料的制备 溶胶一凝胶法制备的5 8 s 和7 7 s 属于c a o p 2 0 5 s i 0 2 三元系统，而熔融法制各 的4 5 s 5 属于n a 2 0 c a o p 2 0 5 s i 0 2 四元系统。本章的目的是采用溶胶一凝胶法制备 不同组成的生物活性玻璃粉体，并利用体外模拟实验方法结合差热热重( d s c t g ) 、 扫描电镜( s e m ) 及红外吸收光谱( f t i r ) 等材料显微结构及性能研究手段分析比 较所制备5 8 s 、7 7 s 与熔融法制备的4 5 s 5 粉体的表面形貌、显微结构及生物活性和 生物矿化性能，从而选定制各生物活性玻璃支架材料的最佳粉体原料。 2 2 实验原料 本实验所采用的化学药品列于表2 - 1 。 表2 一l 制备溶胶一凝胶生物玻璃所用化学药品 t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a l sf o rt h es o l g e lb i o a c t i v eg l a s s 制备药品规格生产厂家 j 下硅酸乙酯( t e t r a e t h y l化学纯天津市化学试剂一厂 o r t h o s i l i c a t e ，t e o s ) 磷酸三乙酯( t r i e t h y lp h o s p h a t e 化学纯中国五联化工厂( 上海) t e p ) 硝酸钙( c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 )分析纯广东台山粤侨试剂塑料有限公司 盐酸( h c l )分析纯广东省东红化工厂 2 3 样品制备及处理 2 3 1 溶胶一凝胶生物活性玻璃5 8 s 、7 7 s 的制备 采用溶胶一凝胶法制备5 8 s 和7 7 s 的生物活性玻璃粉体。5 8 s 生物活性玻璃的 组成是( m 0 1 ) s i 0 2 6 0 ，c a 0 3 6 ，p 2 0 5 4 ；7 7 s 生物活性玻璃的组成是 ( m 0 1 ) s i 0 2 8 0 ，c a 0 1 6 ，p 2 0 5 4 。二者均属于c a o p 2 0 5 一s i 0 2 三元系统。制 各原料取自去离子水、磷酸三乙酯( t e p ) 、硝酸钙( c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 ) 、盐酸( h c l ) 和正硅酸乙酯( t e o s ) ，将制各原料按一定比例依照顺序加入烧杯后搅拌1 小时配 成均匀溶液，静置让其水解一缩聚反应充分进行，直至形成凝胶后，分别在7 0 。c 和 1 5 0 下烘干7 2 小时和4 8 小时，最后将干燥好的凝胶块在箱式电阻炉中在6 5 0 下 烧成，制得细颗粒状溶胶一凝胶生物玻璃。 第二章生物活性玻璃粉体原料的制备 熔融法制备的4 5 s 5 生物玻璃由美国生物材料公司( u s b i o m a t e r i a l sc o r p ，l t d ) 提供。 2 3 2 样品的处理 将溶胶一凝胶法制备的5 8 s 、7 7 s 和熔融法制备的4 5 s 5 生物活性玻璃粉体在玛 瑙研钵中研磨，过2 5 0 目筛，取小于2 5 0 目的粉末备用。 对两种方法制备的三种生物活性玻璃粉体原料进行生物活性测试。取过2 5 0 目 筛的三种粉体放入7 0 0 c 的恒温烘箱内充分干燥后称其质量，而后分别浸泡于盛有 1 5 0 m l 的s b f 生理模拟体液的聚乙烯瓶( 0 3 9 瓶) 中，并固定于气浴恒温摇床中于 3 7 、1 6 5 转分的条件下振荡浸泡4 h 、6 h 、8 h 、1 2 h 、2 4 h 和4 8 h 。在规定时间将浸 泡的试样和反应后的s b f 溶液一起用定量滤纸过滤，滤出的试样用丙酮冲洗，干燥 至恒重，称其质量，并密封于样品袋中备用。 2 4 性能测试 2 4 1 粉体的x r d 分析及讨论 对三种生物活性玻璃粉体进行x r d 的晶相分析得到图2 - 1 。 i 1 。r 1 1 t r 1 - 1 2 03 0 4 0 5 0 6 07 0 2 b ( 。) 图2 - l5 8 s 、4 5 s 5 、7 7 s 生物玻璃粉体原料的x r d 衍射图谱 a - - 4 5 s 5 粉体，b 一5 8 s 粉体，c 一7 7 s 粉体 f i g 2 1x r ds p e c t r ao f t h e r ek i n d so f b i o a c t i v eg l a s sp o w e r a - - 4 5 s 5p o w e r ，b 一5 8 s p o w e r c 一7 7 sp o w e r 1 9 华南理工大学硕士学位论文 由图可以看出三种粉体原料的x r d 图谱都具有较强的弥散性，衍射峰较宽，没 有尖锐的衍射峰，具有无定形态( 非晶态、玻璃态) 无机材料的典型特征 7 0 7 1 】，从 而说明三种粉体都是无定形态。 2 4 2 粉体的差热及差重分析 对溶胶一凝胶生物玻璃粉体5 8 s 和7 7 s 和熔融法制备的4 5 s 5 粉体( 粒度小于 1 0 0 “m ) 作差热分析( d s c ) 和热差重分析( t o ) ，测得d s c 及t g 曲线如图2 2 ( a ) 、 ( b ) 所示。 1 0 0 9 8 9 6 9 4 9 2 9 0 8 8 8 6 0 2 0 1 0 0 0 1 0 2 03 0 4 o2 0 04 0 06 0 08 0 0l o o o1 2 0 0 o 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 t e m p e t a t u r e ( ) 、 a j 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 21 4 0 0 02 0 04 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 t e m l r a t u m ( 、 b ) 一6ujen)uo ；i58碍阳jg 们 “ 帕 一6山宅n)，uo 第二章生物活性玻璃粉体原料的制备 c ) 图2 - 2 溶胶一凝胶生物活性玻璃5 8 s 、7 7 s 和4 5 s 5 的差热和热重曲线 a ) - - 4 5 s 5 粉体，b ) - - 5 8 s 粉体，c ) - - 7 7 s 粉体 f i g 2 - 2d s c - t gc u r v e so f t h es o l - g e lb i o a c t i v eg l a s s5 8 s 、7 7 sa n d 4 5 s 5 a ) - 4 5 s 5p o w e r ，b ) - 5 8 sp o w e r ，c ) 一7 7 sp o w e r 由图2 2 ( a ) 中下边所示的d s c 曲线可见，在6 5 。c 和6 0 5 附近5 8 s 粉体试样 出现两个吸热峰，此吸热峰对应于上边t g 曲线中的两个热失重。说明这两个吸热 峰分别是由于试样中水分的排出、硝酸盐的分解及粉体中有机成分燃烧所致；而粉 体试样在8 8 6 附近出现的微小放热峰，对应上边的t g 曲线中未出现热失重现象， 这是由于玻璃析晶所致。同样，由图2 - 2 ( b ) 下边的d s c 曲线可见，7 7 s 粉体试样 在6 5 和5 0 5 附近出现的两个吸热峰，对应于上边的t g 曲线中的两个热失重。 这也分别是由于试样中水分的排出、硝酸盐的分解及粉体中有机成分燃烧所致；而 粉体试样在9 1 2 附近出现的微小放热峰，在上边的t g 曲线中未出现热失重现象， 这同样是由于玻璃析晶所致。 图2 2 ( c ) 是熔融法制备的4 5 s 5 的d t a 曲线，由于与前面5 8 s 和7 7 s 使用的 差热仪和所取测试参数的不同而稍有差别，但热效应的位置差别不会太大。在图2 2 ( c ) 所示的d t a 曲线中8 4 9 和1 7 1 4 0 c 处的吸热峰是由于物理和化学吸附水的排 出所致。玻璃的转变温度t 。应在2 7 2 - - 4 4 4 2 0 c 之间在5 3 0 3 和7 2 5 6 0 c 处有两个小 的放热峰，这是由于玻璃析晶所致。 2 4 3 粉体的表面形貌分析及讨论 利用扫描电镜对三种生物玻璃粉体进行形貌分析。 华南理工大学硕士学位论文 a )b ) 图2 - 34 5 s 5 生物活性玻璃粉体原料的扫描电镜照片 f i g 2 - 3s e mm i e r o g r a p ho f4 5 s 5b i o a e t i v eg l a s sp o w d e r a )b ) 图2 45 8 s 生物活性玻璃粉体原料的扫描电镜照片 f i g 2 - 4s e mm i c r o g r a p ho f5 8 sb i o a c t i v eg l a s sp o w d e r a ) b ) 图2 - 57 7 s 生物活性玻璃粉体原料的扫描电镜照片 f i g 2 - 5s e mm i c r o g r a p ho f7 7 sb i o a e t i v eg l a s sp o w d e r 第二章生物活性玻璃粉体原料的制备 图2 3 中( a ) 和( b ) 分别为熔融法制备的4 5 s 5 生物玻璃粉体放大1 0 0 0 倍和 5 0 0 0 倍的扫描电镜照片、图2 - 4 中的( a ) 和( b ) 为溶胶一凝胶法制备的5 8 s 生物 玻璃粉体放大1 0 0 0 倍和5 0 0 0 倍的扫描电镜照片，图2 5 中的( a ) 和( b ) 为溶胶 一凝胶法制备的7 7 s 生物玻璃粉体的放大1 0 0 0 倍和5 0 0 0 倍的扫描电镜照片，而图 2 3 、2 4 和2 5 中( b ) 右上角为放大到1 万倍的扫描电镜照片。 从上面的扫描电镜照片中可以看到，熔融法制备的生物玻璃粉体颗粒粒度略大， 粒径大约在lum 1 0um 之间，且颗粒之问出现了一定程度的粘结，从而造成比表 面积小；而溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃粉体颗粒粒度小，粒径大约在几百纳 米与几微米之间，颗粒分布均匀，颗粒之间较为分散，未发生粘结，粉料的比表面 积大。从图中可以看出溶胶一凝胶法制备的生物玻璃粉体的颗粒粒度小于熔融法制 备的生物玻璃粉体。这是因为4 5 s 5 与5 8 s 、7 7 s 的制备工艺不同所致，熔融法制备 的4 5 s 5 生物是高温熔融后冷却的玻璃体经研磨加工制成粉体，颗粒为致密状态，因 此颗粒大，比表面积小。而采用溶胶一凝胶法制备生物活性玻璃，在凝胶老化过程 中水解产物进一步聚合、脱水，并进行结构重排，形成多孔的结构骨架，溶剂和水 分填充于微孔之中，干燥时因溶剂和水的挥发而留下大量气孔，因此具有特殊的纳 米团粒结构和微孔结构，所以导致其具有巨大的比表面积，后者为前者的数千倍| 7 。 2 4 4 粉体的红外光谱分析及讨论 对两种方法制各的三种生物活性玻璃粉体进行了傅立叶变换红外吸收( f t l r ) 光谱分析。 图2 - 6 为三种生物活性玻璃即7 7 s 、5 8 s 和4 5 s 5 粉料的傅立叶变换红外吸收 ( f t i r ) 图谱。图2 - 6 中a 为原始生物活性玻璃7 7 s 的f t i r 图谱，b 为原始生物 活性玻璃5 8 s 的f t i r 图谱，c 为原始生物活性玻璃4 5 s 5 的f t i r 图谱。从图中可 以看出，三个图谱均在波数为4 8 0 c m 。处出现了由高强度的s i o s i 弯曲振动所导致 的吸收带；在波数为1 0 8 3 c m 。1 处出现了由高强度s i o 反对称伸缩振动所导致的吸收 带；原始生物活性玻璃4 5 s 5 的f t i r 图谱中，在波数为在8 2 7 c m 1 处未出现了由 s i - o s i ( 四面体) 振动导致的吸收带。由于p 2 0 5 含量相对于其它组分较低，加之 p - o 振动峰处于9 1 0 1 0 4 0 c m 。1 范围，与s i o 伸缩振动峰范围( 1 0 0 0 1 1 0 0 c m 。1 ) 有一 定重合，所以从图2 - 2 中反映不出。谱图中的吸收带均具有较宽的波数范围，即较 高的弥散性，这也说明了三种粉体均是无定形态的无机材料。 兰直型三查兰堡主兰竺笙奎 2 c 0 0 1 5 0 0 1 q 0 05 0 0 0 w a v e n u m b e r ( c m 。) 圈2 - 65 8 s 、4 5 s 5 、7 7 s 生物玻璃粉体原料的红外吸收图谱 a 一7 7 s 粉体原料，b 一5 8 s 粉体原料，c - - 4 5 s 5 粉体原料 f i g 2 - 6f t i rs p e c t r ao f t h e r ek i n d so f b i o a c t i v eg l a s sp o w e rb e f o r ei m m e r s i o n a - - 4 5 s 5p o w e r ，b 一5 8 s p o w e r ，c 一7 7 sp o w e r 辞 8 c 董 e 罂 三 1 5 0 01 c o o5 g oo w a v e n u m b e r ( c m 1 ) 图2 - 7 浸泡8 h 后5 8 s 、4 5 s 5 、7 7 s 生物玻璃粉体原料的红外吸收图谱 a - - 7 7 s 粉体原料，b - - 5 8 s 粉体原料，c - - 4 5 s 5 粉体原料 f i g 2 - 7f t i rs p e c t r ao f t h e r ek i n d so f b i o a c t i v eg l a s sp o w e ra f t e ri m m e r s i o nf o r8 hi ns b f a - - 4 5 s 5p o w e r ，b 一5 8 s p o w e r ，c 一7 7 s p o w e r 仲5；阳寻俯o ( 一8 c ei|eg!- 蚰竹s；己佃。竹 第二章生物活性玻璃粉体原料的制备 对三种粉体进行s b f 浸泡试验，并对三种浸泡8 h 后的粉料进行傅立叶变换红 外吸收光谱( f t i r ) 分析，得到图2 7 。从2 。7 的图谱中可以看到，三种粉体原料在 浸泡了8 h 后，5 8 s 和7 7 s 出现不同程度的矿化，原来在1 0 8 3 c m 。处由s i o s i 伸缩 振动所致的吸收带变成1 0 3 8 c m 。1 处由p o 伸缩振动所导致的吸收带，原来5 5 8 c m 。 处的较弥散的由无定形态的p o 弯益振动所导致的吸收带转变为6 0 2 和5 6 0 c m 1 处 的两个较高、较尖锐的双吸收带，此成对出现的双吸收带是由于结晶态的p o 弯曲 振动所致，它们总是成对出现，是磷灰石类晶体典型标志 7 卜7 5 1 。而熔融法制备的4 5 s 5 则没有出现6 0 2 和5 6 0 c m “处的两个较高、较尖锐的双吸收带。这是与纳米材料的 特殊性质有关。溶胶一凝胶法制备的5 8 s 和7 7 s 生物活性玻璃，在凝胶老化过程中 水解产物进一步聚合、脱水，并进行结构重排，形成多孔的结构骨架，溶剂和水分 填充于微孔之中，干燥时因溶剂和水的挥发面留下大量气孔，因此具有特殊的纳米 团粒结构和微孔结构，此结构使材料表面积激增，表面原子存在许多悬空键，具有 不饱和性质，以及表面原子电子云具有很强的方向性，从而提高材料的化学反应活 性和降解速度，使其相比其它生物玻璃及微晶玻璃具有更高的生物活性、骨形成能 力以及降解性能。因此溶胶一凝胶法制备的5 8 s 、7 7 s 的生物活性高于熔融法制备 的4 5 s 5 的生物活性。而由于在生物活性玻璃的网络结构中，c a 含量的增加使网络 结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃的溶解性增强，生物活性也增强， 而s i 0 2 含量增高则使玻璃网络连接程度高，结构越牢固，材料与生理溶液发生离子 交换及材料结构中的离子扩散困难，因此，5 8 s 粉体在6 0 2 和5 6 0 c m o 处的两个双吸 收带峰值强于7 7 s 粉体，即h c a 的生成量高于7 7 s ，所以5 8 s 的生物活性略高于 7 7 s 。 2 5 本章小结 ( 1 ) 采用熔融法制备的生物活性玻璃4 5 s 5 属于n a 2 0 c a o p 2 0 5 s i 0 2 四元系统， 溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃5 8 s 和7 7 s 属于c a o p 2 0 5 s i 0 2 三元系统。从化 学组成和制备工艺上看溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃化学组成简单，制备时温 度低，设备简易、操作简单。 ( 2 ) 采用溶胶一凝胶法制各的生物活性玻璃粉体5 8 s 和7 7 s 颗粒粒度小，粒 径大约在几百纳米与几微米之间，颗粒分布均匀，颗粒间的分散性较好。而熔融法 制备的4 5 s 5 是经研磨加工其冷却玻璃体而制成的粉体，因此颗粒大，且分散性不好。 ( 3 ) 采用体外模拟矿化试验结合红外光谱分析技术发现，溶胶一凝胶法制备的 5 8 s 与7 7 s 的生物活性和生物矿化性能高于熔融法制备的4 5 s 5 。所以选定5 8 s 为本 研究制备多孔支架材料的基本原料。 华南理工大学硕七学位论文 第三章生物活性玻璃骨组织工程支架的制备 3 1 引言 在生物活性玻璃的实际临床应用中，人们最终希望的是植入的生物活性玻璃材料 具有一些能让骨组织和其它组织长入其内的通道，以便能在相互的界面上产生侵入和 交织现象，逐渐与天然骨相互融合。而作为用于骨组织工程的理想支架材料其条件之 一就是需具备三维的立体多孔结构，因此本章的目的是采用添加造孔剂工艺，考虑造 孔剂的种类、造孔剂的含量、成型压力及烧成温度等影响因素，以正交实验并结合扫 描电镜( s e m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、抗折强度测试及气孔率测试等材料显微结构及 性能研究手段分析比较各因素对所制备多孔材料显微结构、表面形貌、抗折强度和孔 隙率的影响，从而寻求制备生物活性玻璃多孔支架材料的最佳工艺。 3 2 实验过程 3 2 1 实验原料及实验仪器 表3 - 1 制备生物活性玻璃多孔支架材料所需药品 t a b l e3 - 1t h ec h e m i c a l sf o rp r e p a r i n gb i o g l a s sp o r o u ss c a f f o l dm a t e r i a l s 制备药品规格生产厂家 溶胶一凝胶法制各的生物活性华南理工大学生物材料研究所 玻璃粉体原料5 8 s 和7 7 s 熔融法制各的生物活性玻璃粉美国生物材料公司 体原料4 5 s 5 ( u s b i o m a t e r i a l sc o r p ，l t d ) 碳酸氢铵分析纯北京世纪红星化工有限责任公司 奈粉分析纯上海远航试剂厂 柠檬酸分析纯天津市津沽工商实业公司 羧甲基纤维素钠( c m c )分析纯天津市大茂化学试剂厂 可溶性淀粉分析纯上海润捷化学试剂有限公司 氧化铝粉化学纯天津市河东区红岩试剂厂 丙酮化学纯天津市化学试剂一厂 第三章生物活性玻璃骨组织工程支架的制备 表3 - 2 制备生物活性玻璃多孔支架材料所需仪器 t a b l e3 - 2t h ea p p a r a t u sf o rp r e p a r i n gb i o g l a s sp o r o u ss c a f f o l dm a t e r i a l s 使用仪器生产厂家 台式电动压片机天津市科器高新技术公司 油压千斤顶江苏通润机建集团上海中联千斤顶公司经销 电热恒温鼓风干燥箱上海恒一科技有限公司 快速升温节能箱式电炉洛阳市涧西耐火材料试验厂 t g 3 2 8 型光电分析天平上海天平仪器厂 3 2 2 实验过程 由于生物活性玻璃高的生物活性，遇水能发生一系列的反应( 包括c a 、p 等离子的 溶出、玻璃网络结构的断裂等) ，从而导致材料结构和性能的改变，影响生物活性玻璃 的活性，因此本研究选择添加造孔剂工艺制备生物活性玻璃支架材料，选择粉料干压成 型即模压成型。 影响支架材料性能( 抗折强度、孔隙率等) 的因素众多，为了考察不同因素对所制 各材料性能的影响，在实验过程中，我们采用了正交实验法，以寻求最佳的组成配方。 在实验过程中，主要考虑的因素有如下几个：造孑l 剂加入量、成型压力、烧成温度以及 不同种类的造孔剂。各因素取五个水平，各水平选定的依据： l 、造孔剂种类的选择：考虑制备的支架材料是用于人体的生物医用材料，选择在 高温下均能完全挥发的无机造孑l 剂( 碳酸氢铵) 和有机造孔剂( 柠檬酸、淀粉和奈粉) 。 2 、造孔剂加入量的选择：考虑本实验的目的在于制备高气孔率的支架材料，支架 材料的气孔率随造孔剂加入量的增加而增加；但材料的强度随造孔剂加入量的增加而 下降，造孔剂加入量过高使粉料不能有效成型。综合考虑，选择五个水平。 3 、成型压力的选择：考虑成型压力太低，会影响材料的强度；成型压力太大，会 降低材料的孔隙率。综合考虑，选择五个水平。 4 、烧成温度的选择：考虑烧成温度过低，会影响支架材料的强度，使制备的多孔 材料的强度过低：烧成温度过高，则会有大量的晶相析出，从而影响所制得的支架材 料的生物活性。综合考虑，选择五个水平。 5 、比较所制试样的性能( 抗折强度和孔隙率) 从中选择最优的组成配方。由于 所制备的支架材料的强度不高，因此考虑在最优组成配方中加入一点量的熔融法制备 的4 5 s 5 生物玻璃粉料作为添加剂，从而改善所制支架材料的抗折强度。 华南理工大学硕十学位论文 影响因素水平表如表3 3 所示。 表3 - 3 影响因素水平表 t a b l e3 - 3t h ed e s i g nt a b l eo fi n f l u e n c i n gf a c t o ro np o r o u s i t y 因素造孔剂的种类造孔剂的含量( )成型的压力( m p a )烧成温度( ) 水a bcd l碳酸氢铵3 088 0 0 2奈粉4 01 28 5 0 3柠檬酸+ 淀粉5 01 69 0 0 4碳酸氢铵+ 淀粉6 02 09 5 0 57 02 41 0 0 0 首先考虑支架材料的烧成温度因素：将溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃粉体原料 5 8 s ( l o o n m ) 与造孔剂碳酸氢铵( 3 0 ) 机械混合均匀，加入3 的羧甲基纤维素作为 粘结剂，用钢模压型( 压力2 0 m p a ) 制成直径为1 4 m m 、厚度为4 m m 的圆片状试样在不同 的烧成方案下烧制试样，从而确定最佳的烧成方案。 其次考虑成型压力及造孔剂含量因素：将溶胶一凝胶法制备的生物活性玻璃粉体原料 5 8 s ( l o o n m ) 与造孔剂碳酸氢铵以不同的质量百分比相互机械混合均匀，加入3 的羧 甲基纤维素作为粘结剂，在不同的成型压力下钢模成型，制成直径为1 4 r a m 、厚度为4 m m 的圆片状试样及长为6 c m 、宽为l c m 、高为4 m m 的长条状试样，在最佳的烧成方案下烧 成试样，从而确定最佳的造孔剂添加量及成型压力。 最后考虑造孔剂种类因素：选择四种造孔剂，分别为碳酸氢铵、奈粉、柠檬酸和淀粉、 碳酸氢铵和淀粉。将溶胶一凝胶法制各的生物活性玻璃粉体原料5 8 s ( 1 0 0 n m ) 与四种造 孔剂( 造孔剂粉料的颗粒级配相同) 以相同的质量百分比( 造孔剂的最佳含量) 相互机械 混合均匀，加入3 的羧甲基纤维素作为粘结剂，在最佳的成型压力下钢模成型，制成直 径为1 4 m m 、厚度为4 r a m 的圆片状试样及长为6 e m 、宽为l c m 、高为4 r a m 的长条状试样， 在最佳的烧成方案下烧成试样，从而确定最佳的造孔剂种类。 3 3 支架材料的性能测试 3 3 1 气孔率的测试 本实验采用阿佛加德罗定律来测定试样的显气孔率。所用测试仪器为：简易液体静力 天平，电子天平，恒温烘箱，煮沸用烧杯，小毛巾，铜丝网，纱布等。 制得的生物玻璃支架材料的圆形块状试样利用扫描电镜观察其表面形貌和内部 孑l 径的大小，孔径的分布；采用国家标准g b l 9 6 6 8 0 测定圆形块状试样的气孔率；取 第三章生物活性玻璃骨组织t 程支架的制备 按照不同组成配方制备的圆片状试样用煮沸法测试其气孔率。 试样的显气孔率计算公式1 7 6 j ： q = ( m 2 - mm ) ( m 2 - m 3 ) 1 0 0 ( 公式3 - 1 ) q 一试样的显气孔率，1 0 0 ； m i 一试样的干燥质量，k g ； m 2 一饱和试样在空气中的质量，k g ： m 3 一饱和试样在水中的质量，蝇。 3 3 2 抗折强度的测试 本实验采用三点弯曲法测试制得的长条试样的抗折强度。 抗折强度极限计算公式7 6 1 ： r f = m z = ( p l 4 ) ( b h 2 6 ) = ( 3 p l 2 b h 2 )( 公式