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硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 中文摘要 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 中文摘要 生物活性玻璃是一类新型的医用生物活性材料，可用于制备骨修复体及骨组织工 程支架。为了进一步提高材料的生物活性和降解性能，本文采用熔融法制备了h 1 2 硼 硅酸盐生物玻璃。通过体外模拟矿化实验过程中样品失重、浸泡液p h 值的变化和c a 2 + 浓度的变化以及x r d ，f t i r ，s e m ，e d s 等测试方法对h 1 2 生物玻璃的微观结构和生 物矿化性能进行研究探讨，并以0 b 生物玻璃作为对照样品。通过对0 b ，1 b 和h 1 2 = 种生物玻璃的矿化性能的对比研究t h l 2 生物玻璃中的组分对矿化性能的影响，以便 为这类新型生物玻璃的制备以及其矿化性能的改善和调整提供一定的理论依据。为了 系统地分析h 1 2 生物玻璃的模拟矿化机理，研究了浸泡液的初始p h 值、矿化反应温度、 矿化反应时间和浸泡液的浓度对h 1 2 生物玻璃矿化过程及矿化产物的影响。 h 1 2 生物玻璃粉体在3 7 。c ，p h = 7 o 的k 2 h p 0 4 浸泡液中恒温反应1 0 天后，样品表 面生成了多孔的球状h c a 晶体，并且其矿化速度较之生物活性较好的o b 生物玻璃的 要快，这说明熔融法制备的h 1 2 生物玻璃具有良好的生物矿化性能。通过对h 1 2 生物 玻璃组分对其矿化性能的研究表明：硼元素的加入有利于磷灰石晶体的形核和长大， 提高了h 1 2 生物玻璃的矿化速度；n a 元素使玻璃离子交换和水解反应明显增强，有助 于磷灰石晶体的成核和长大；而a l 元素则强化了玻璃网络，使得离子交换和水解反应 减弱，不利于磷灰石晶体的成核和长大。浸泡液的初始p h 值、矿化反应温度、矿化 反应时间和浸泡液的浓度对h 1 2 生物玻璃矿化过程及矿化产物均有较明显的影响，综 合分析可知：在k 2 h p 0 4 浸泡液中，h 1 2 生物玻璃表面磷灰石晶体的形成可分为五个步 骤，在整个矿化反应过程中，h 1 2 生物玻璃表面硼硅凝胶层以及双电层的形成是促使 磷灰石晶体生成的重要因素。 ， 关键词：生物活性玻璃，体外模拟矿化，矿化性能，磷灰石晶体，矿化机理 作者：高春霞 指导老师：李亚东 s t u d yo nt h em e c h a n i s m so fs i m u l a t i v em i n e r a l i z a t i o no f b o r o s i l i c a t eg l a s s e sa b s t r a c t s t u d y o rt h em e c h a n i s m so fs i m u l a t i v em i n e r a l i z a t i o no f 1 b o r o s i l i c a t eg l a s s e s a b s t r a c t b i o a c t i v eg l a s s e sa r et h en e wk i n do fb i o a c t i v em e d i c a lm a t e r i a l s ，w h i c hc a l lb e a p p l i e dt op r e p a r ef o rb o n er e p a r a t i o na n db o n et i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s i no r d e rt o i m p r o v et h eb i o a c t i v ea n dd e g r a d a b i l i t y ，h12b o r o s i l i c a t eg l a s s e sw e r ep r e p a r e db y m e l t i n g - - d e r i v e d r o u t ei nt h i s p a p e n t h em i c r o s t r u c t u r ea n db i o - m i n e r a l i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fi ll2b i o a c t i v eg l a s sw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i lb yw e i g h tl o s s ，p hc h a n g e s a n dc a + c o n c e n t r a t i o no fk 2 h p 0 4s o l u t i o nd u r i n gt h em i n e r a l i z a t i o nc o n v e r s i o nr e a c t i o n a n du s i n gx r d ，f t i r ，s e m ，e d st e c h n i q u e sa sw e l la si nv i t r os i m u l a t i v em i n e r a l i z a t i o n m e t h o da n da l s oc o m p a r e dw i t l l0 bb i o a c t i v eg l a s s e s t h ei n f l u e n c eo ft h eh12b i o g l a s s c o m p o n e n t st ot h eb i o m i n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e db yc o m p a r i n gt h e m i n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c eo f0 b ，1ba n dh 12b i o g l a s s e st op r o v i d ed e f i n i t et h e o r e t i c sf o r p r e p a r i n gt h i sn e wt y p eb i o g l a s sa sw e l la si m p r o v i n ga n da d j u s t i n gi t sb i o - m i n e r a l i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c i no r d e rt or e v e a lt h es i m u l a t i v em i n e r a l i z a t i o nm e c h a n i s mo ft h eh12 b i o g l a s s ，t h ei n f l u e n c e so fi n i t i a lp hv a l u eo fk 2 h p 0 4s o l u t i o n , t h er e a c t i v et e m p e r a t u r e ， t h er e a c t i v et i m ea n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fk 2 h p 0 4s o l u t i o nt ot h ep r o c e s so f m i n e r a l i z a t i o na n dt h em i n e r a l i z a t i o np r o d u c t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d p o r o u ss p h e r i c a lh c a c r y s t a lf o r m e do nt h es u r f a c eo fh 12b i o g l a s sb ys i m u l a t i v e m i n e r a l i z i n gi n0 2 5 mk 2 h p 0 4 s o l u t i o na t3 7 * cf o r10d a y sa n dt h em i n e r a l i z a t i o ns p e e di s f a s t e rt h a nt h e0 bb i o g l a s s ，w h i c hs h o w e dt h eh12b i o g l a s s p r o c e s s e sf a v o r a b l e b i o - m i n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c e t h ei n f l u e n c eo ft h eh12b i o g l a s sc o m p o n e n t st ot h e b i o - m i n e r a l i z a t i o np e r f o r m a n c ei n d i c a t e dt h a tt h ej o i no fb o r o ne l e m e n ti sc o n d u c i v et ot h e n u c l e a t i o na n dg r o w t ho ft h ea p a t i mc r y s t a l sa n dt h em i n e r a l i z a t i o ns p e e do fh12i s e n h a n c e d t h es o d i u me l e m e n tr e i n f o r c e dt h ei o ne x c h a n g ea n dh y d r o x y l a t i o nr e a c t i o n w h i c hi nf a v o ro fn u c l e a t i o na n dg r o wu p a l u m i n u me l e m e n ts t r e n g t h e n e dt h en e t s t r u c t u r eb u tw e a k e nt h ei o ne x c h a n g ea n dh y d r o x y l a t i o nr e a c t i o n ，w h i c hg oa g a i n s t l i s t u d yo nt h em e c h a n i s m so f s i m u l a t i v em i n e r a l i z a t i o no f b o r o s i l i c a t eg l a s s e s a b s t r a c t n u c l e a t i o na n dg r o wu p t h ei n f l u e n c e so fi n i t i a lp hv a l u eo fk 2 h p 0 4s o l u t i o n , t h e r e a c t i v et e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i v et i m ea n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fk 2 h p 0 4s o l u t i o na l lh a v e s i g n i f i c a n ti m p a c t so nt h ep r o c e s so fm i n e r a l i z a t i o na n dt h em i n e r a l i z a t i o np r o d u c t i o n s a n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o c e s so fa p a t i t ec r y s t a lf o r m e dc o n t a i nf i v es t e p s t h e b o r o n s i l i c o ns o l g e la n dad o u b l ee l e c t r o d el a y e rf o r m e da r ei m p o r t a n tf a c t o r so ft h e a p a t i t ec r y s t a l k e y w o r d s ：b i o a c t i v eg l a s s ，v i t r os i m u l a t i v em i n e r a l i z a t i o n ，m i n e r a l i z a t i o n ， p e r f o r m a n c e ，a p a t i t ec r y s t a l ，m i n e r a l i z a t i o nm e c h a n i s m h i w r i t t e nb y - g a oc h u n x i a s u p e r v i s e db y ：l iy a d o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：逝日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：莲趣e e t 导师签名： 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 第一章绪论 生物材料是一种用来取代活体部位或在与活体组织内部联系中发挥作用的合成 材料。根据生物材料的特点和性质，可将生物材料定义为【l 捌：一种用于植入或与活 体系统结合的无药理学和无生命性质的物质。随着社会的发展和科学技术的进步，生 物材料的种类越来越多，包括所有植入人体体内且与体内组织直接接触并起到某一特 定作用的材料都称为生物材料【3 】。生物无机材料是生物材料的重要组成部分，在人体 硬组织的缺损修复及重建已丧失的生理功能方面起着重要的作用【4 】。尽管此材料的研 究起步较晚，且仍然存在很多问题f 5 】，但由于其良好的物理化学及生物学相容性能， 在短短的几十年已取得了大量的研究成果。但是，迄今为止仍没有一种材料能完全满 足人体的生理功能要求【5 ，6 】。因此，本实验在对以应用比较广泛的生物无机材料的深 入了解的基础上，针对其不足，开发出新型的生物无机材料，以满足人们生活水平不 断提高的需要。 1 1 生物医用无机材料的发展概况 无机材料很早就用于人体，近十年来，由于世界各国认识到研究开发生物应用无 机材料的重要性，加大资金投入，使更多的材料应用于临床。1 8 0 8 年，人们已将陶 齿用于镶牙【6 ，7 1 。1 8 9 2 年d r e e s m a n 发表了第一例临床报告，使用的是熟石膏，作为骨 的缺损填充材料，但是由于微细的硫酸钙晶体具有大的比表面积，在很多情况下，石 膏消耗很快，以致不能起作用1 7 。1 9 6 3 年，s m i t h 报道发展了一种陶瓷骨替代材料， 它是有一种多孔的铝酸盐材料【8 】。1 9 6 9 年，美国f l o r i d a 大学的l l h e n c h 教授发现 一定组成的玻璃能与骨组织和软骨组织进行紧密结合，并在此基础上成功研制出了生 物活性玻璃b i o g l a s s4 5 5 5 1 7 , 8 , 9 。后来日本的k o k u b o 等又开发了刖w 玻璃陶瓷【1 2 1 。德 国的b r o m e r 等开发了c e r a v i t a l 玻璃陶瓷，v o g e l 等研制了b i o v e f i t 玻璃陶瓷【乃j 。 j k l a w i t t e r 、s h u l b e r t 、l l h e n c h 等均为此类材料的开拓者，他们研究了生物组织在 多孔材料中的生长过程，界面反应以及围绕植入物的组织行为等，有些研究成果和研 究方法仍具有一定的指导作用【1 2 a 3 。本世纪6 0 7 0 年代是生物陶瓷研究比较活跃的一 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究第一章绪论 个时期。多孔氧化铝陶瓷、玻璃碳和热解碳、羟基磷灰石陶瓷、单晶氧化铝陶瓷等的 出现和临床应用取得了良好的效剁1 0 , 1 3 , 1 4 。 针对临床应用中提出的很多问题，如大部分材料是生物惰性材料，与人体组织完 全不同，不能与骨组织结合掣】。1 9 6 9 年美国f l o r i d a 大学的l - l h e n c h 教授，成功 地研究了一种生物玻璃，可用于人体硬组织的修复，能与生物体内的骨组织发生化学 结合，从而开创了一个崭新的生物医用材料的研究领域即生物活性材料【9 , 1 3 , 1 4 】。7 0 年 代以后，人们对可吸收陶瓷进行了大量研究。开创性的工作是由s m i m 进行的，d r i s k e l l 则进行了深入的研究。d r i k e l l 等报道了1 5 - c a 3 ( p 0 4 ) 2 多孔陶瓷植入生物体后，能被迅 速吸收，并发生了骨置换，因此有人称之为可吸收陶瓷或生物可降解陶瓷【8 , 9 , 1 3 】。最近 已有报道f i 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 ，美国密苏里州立大学d a y 、同济大学黄文显等研制了能在生理 模拟液中完全降解成羟基磷灰石的新型生物玻璃系统，该种材料一旦研制成功，制得 的支架材料就会既能完全降解又能保持较高的生物活性，是一种更为理想的组织工程 材料，其具体降解机理以及羟基磷灰石生成机理有待迸一步探讨。 生物陶瓷材料的研究与临床应用，已从短期的替换和填充发展成为永久性牢固植 入；从生物惰性材料发展到生物活性材料、生物可降解材料以及多相复合材料【2 训。现 在生物医用无机材料已广泛应用于人工牙齿、人工骨、人工关节、固定骨折用的器具、 人工眼等。生物医用无机材料的研究方兴未艾，它在未来的医用无机材料中必将占有 重要的位置【2 1 ，2 2 1 。 表1 1 列出了生物医用无机材料与生物医用高分子、金属材料的不同特性，尽管 医用无机材料表现出许多优良特性，但同时也存在许多自身的缺点郾j ，如：由于生 物医用无机材料脆性大，易折断，与人体硬组织的结构差异很大。加之研究涉及面广， 技术难度大，在几个大的类别形成之后尚未提出新的材料。因此，生物医用无机材料 的发展有待于创新和突破，需要多学科的交叉结合，共同努力。 2 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 表1 1 医用无机材料和医用高分子、金属材料的比较【3 】 t a b 1c o m p a r i s o n sa m o n gt h em e d i c a li n o r g a n i c ，m e d i c a lp o l y m e ra n dm e t a lm a t e r i a l s 1 2 生物医用无机材料的分类 按照植入材料与组织之间的结合和在体内的反应能力，生物医药无机材料按传统 分类法可分为三大类f 1 4 1 ：生物惰性材料，生物活性材料和生物可降解材料。随着研究 的发展与深入，l l h e n c h 等教授又提出了第三代生物材料的概念【1 4 】。 1 2 1 生物惰性材料 早期使用骨修复材料主要是利用材料的机械强度，在体内替代骨的支撑和承重作 用。生物惰性材料，主要包括金属材料和一些氧化物陶瓷如氧化铝，氧化锆等。惰性 材料在植入人体后，宿主骨对其有排斥作用，在其表面容易形成纤维包裹层，与组织 3 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 的结合主要依靠组织长入其粗糙的表面或孔内，形成一种物理的嵌合，结合强度低【2 0 1 。 此外，由于材料与骨组织弹性模量的差异，在材料一组织界面存在应力屏蔽，导致植 入材料周围的骨吸收，容易造成植入体的松动和脱落，有时需要进行二次手术【2 2 1 。同 时，人体液是一种由无机盐、蛋白、酶等组成的具有较强腐蚀性的液体。在该环境中， 植入材料或多或少都会与体液发生反应，没有绝对的惰性材料。“惰性材料”释放的 离子和磨损的碎片往往会对人体造成伤害【2 捌。因此，现在所使用的隋性材料往往需 要对其表面进行改性，改善材料表面与组织的结合，降低有害离子的释放速度【2 1 1 。 1 2 2 生物活性材料 1 9 6 9 年美国f l o r i d a 的l l h e n c h 教授发研制出了4 5 s 5 生物活性玻璃并提出了生 物活性的概念。生物活性材料指能够在材料与组织界面上诱导生物或化学反应，使材 料与组织之间形成较强的化学键合，达到组织修复的目的【1 4 ，2 3 1 。对生物活性材料在体 内与骨组织结合面的研究发现，材料在体内环境中表面会形成一层类骨碳酸羟基磷灰 石( h c a ) 层，骨组织通过h c a 层与材料进行结合【2 3 4 】。在力学实验中，断裂不是 发生在骨的侧就是发生在材料一侧，界面结合处却完好无损，表明h c a 层与骨结 合密切，材料在体液环境中沉积h c a 层的能力成为评判材料活性的一个重要依据【2 5 1 。 目前，生物活性无机材料主要有两类5 , 9 , 2 3 1 ，一类是c a p 基传统生物陶瓷，如羟 基磷灰石( h a p ) ，磷酸钙等都具有生物活性。在体液环境中，材料通过溶解沉淀形 成新的类骨h c a 层，然后与骨组织形成键合。另一类为以s i c a 为基础的生物玻璃 和玻璃陶瓷，在体液环境中，其表面形成一层富硅层，诱导h c a 的沉积，从而显示 出生物活性。由于生物活性玻璃优良的生物活性和可调节的化学组成，其性能如生物 活性、降解性和力学性能都可以人为调节和控制，使生物活性玻璃和玻璃陶瓷成为骨 组织修复材料的一个研究热点删。 1 2 3 生物降解材料 生物可降解材料指材料在生物体内通过溶解、酶解、细胞吞噬等作用，在组织长 入的过程中不断从体内排出，修复后的组织完全替代植入材料的位置，而材料在体内 不存在残酬2 6 1 。理想的骨修复材料应该是可以降解的，其降解速度能与骨组织的生长 速度匹配，在骨组织的生长过程中，材料逐步降解，最后完全被新骨替代【2 8 】。最早使 4 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究第一章绪论 用的可降解无机骨修复材料为石膏，其在体内4 周左右能完全降解，但是其降解速度 过快，使新骨的生长速度跟不上材料的降解速度。磷酸三钙是目前使用较为广泛的一 种可降解磷酸盐陶瓷材料，但也存在着降解速度与组织生长速度不能匹配的缺点【2 8 1 。 其它一些磷酸钙陶瓷材料，根据晶相和结晶度的不同，降解速度也不尽相同，目前还 没有能找出一种与组织生长速度相匹配的理想的磷酸钙陶瓷材料。最近美国密苏里州 大学的d a y 、同济大学黄文显等正在研制一种硼硅酸盐生物活性玻璃，已证明其具有 生物活性和可降解性，并且其降解性可通过调整玻璃中b 2 0 3 的含量来改变，使其降 解速度与组织生长速度匹配，目前这种硼硅酸盐生物玻璃仍然处在实验研究阶段，需 要通过动物体内测试等大量实验来研究证实【1 6 , 1 8 , 1 9 , 2 8 刎。 1 2 4 第三代生物材料 二十一世纪对骨组织修复材料的要求己不是传统的金属材料、陶瓷材料和高分子 材料的简单概念。随着研究的发展和深入，第三代生物材料应运而生 2 , 3 , 1 4 】。第三代生 物材料具有以下的特征：生物活性与生物可降解性己融合为一个整体；可从分子水平 上对细胞产生特定的作用，促进细胞的增殖与分化，加快细胞外基质的分泌与组织的 生长；具有良好的生物活性、降解性和促进骨细胞增殖的性能，可很好地满足骨组织 工程和原位骨组织再生的要求 3 2 】。第三代生物材料的研究和开发，带动和促进了骨组 织工程和原位骨组织再生的发展。生物活性玻璃和玻璃陶瓷的研究和开发，在很大程 度上弥补了传统生物材料的缺陷，成为第三代生物材料的典型代表。 首先，特定组成的生物活性玻璃和玻璃陶瓷具有良好的降解性能。玻璃和玻璃陶 瓷的非结晶态组分，在体液环境中容易被溶解出来，溶解速度决定于其微观结构。通 过调整组成与制备工艺，可以调节和控制玻璃和玻璃陶瓷的结构，从而控制玻璃和玻 璃陶瓷的降解速度，使之与骨组织生长速度匹配t 2 6 。 其次，生物活性玻璃和玻璃陶瓷具有良好的生物活性，在体液环境中，不仅能诱 导类骨h c a 的沉积，而且具有骨传导和骨刺激作用，溶出的s i 4 + ，c a 2 + 、p 0 4 3 ，n 矿 离子可促进成骨细胞的增殖与分化，促进骨组织的修复【3 0 , 3 1 , 3 3 】。作为组织工程支架材 料，生物活性玻璃和玻璃陶瓷可弥补早期组织工程支架材料如胶原蛋白、聚醋材料 p g a ，p l l a ，p l g a 等在降解性和细胞相容性等方面的不足【3 8 捌，特别是与这些有机 高分子的复合材料显示出比单一无机或高分子材料优良的性能。 s 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 1 3 生物活性玻璃的研究与发展 2 0 世纪7 0 年代初，l l h e n c h 教授发明了生物活性玻璃，并且首次将其应用于 生物医学领域，从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域即生物活性玻璃和生物 活性玻璃陶瓷。这类材料作为生物医用材料具有金属、高分子及生物惰性材料不可比 拟的优势，能与人体骨形成直接的化学结合。 1 3 1 生物活性玻璃的结构及组分特点 生物活性玻璃一般为n a 2 0 c a o s i 0 2 - p 2 0 5 系统，部分含有m g o ，k 2 0 ，n a 2 0 ， a 1 2 0 3 ，b 2 0 3 ，t i 0 2 等 3 5 , 3 6 。玻璃网络中非桥氧所联结的碱金属和碱土金属离子在水 相介质存在时，易溶解释放出一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有良好的溶解 性，这就是生物活性玻璃具有生物活性的基本原因【3 4 1 。非桥氧键所占l l - , 侈t j 越大，玻璃 的生物活性也就越高。 在n a 2 0 c a o s i 0 2 p 2 0 5 生物玻璃 中，材料组分及各组分间的配比将直接 影响其生物活性和结合类型，生物活性 与组分间关系如图1 1 所示 3 7 1 ：系统中 均含有6 p 2 0 5 ；玻璃的生物活性与 s i 0 2 含量密切相关，当s i 0 2 含量为 4 2 5 3 时，可以与骨和软组织形成键 合；当s i 0 2 含量为5 5 6 0 时，这种玻 璃不能与软组织键合，与骨组织也只能 一n 慢慢的形成键合。图1 1 中的a 处为生 物活性玻璃能形成骨结合的边界，组分 s i q n a l 0 图1 1 不同成分生物活性玻璃活性示意图1 3 7 j f i g 1 - lb i o a c t i v eg l a s sa c t i v i t yo fd i f f e r e n t 处于此边界上的玻璃生物活性i b = o ，顺着此边界向内，玻璃的生物活性逐渐增强； 组分位于图中区域b 内的玻璃即我们通常说的传统的硅玻璃不具生物活性，为惰性 材料；组分位于图中区域c 内的玻璃具有可降解性，当其植入人体内1 0 3 0 天后将发 生降解从而消失；区域d 中不形成玻璃，因此也没有作为植入材料被研究过；虚线 区域e 内( i b = 8 ) 的玻璃能与胶原组成的软组织形成牢固结合，胶原纤维与h c a 形成 6 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 厚度为1 0 0 2 0 0 1 1 m 的界面层，该交织结构和厚度同体内肌膜或韧带与骨的结合类似； e 区组分玻璃与胶原纤维的结合力大于胶原纤维自身的粘合力，这对于要求与软硬组 织均要有紧密结合的组织修复材料具有重要的意义。 与传统的不具生物活性的硅玻璃相比，位于区域a 内的具有生物活性的玻璃在 组分上具有以下三个特点【3 6 ，3 7 1 ：o s i 0 2 的质量百分l g d , 于6 0 ；较高的n a 2 0 和 c a o 质量百分比含量；较高的c a p 比。正是由于上述组分上的特点使生物玻璃材 料表面表现出一定的生物活性。在n a 2 0 - c a o s i 0 2 一p 2 0 5 系统玻璃的基础上，人们通 过添加一些特殊的氧化物，如m g o ，k 2 0 ，b 2 0 3 ，a 1 2 0 3 等发展了一系列新型璃1 0 , 3 7 , 3 8 。 1 3 2 生物活性玻璃在体液中的表面化学过程 生物活性硅酸盐玻璃与骨键合的机理是【3 3 3 4 】：在体液和模拟体液环境中，生物玻 璃中的c a 2 + 、n a + 等离子迅速与体液中的氢离子进行交换，导致玻璃表面s i o 键的断 裂，使s i 4 + 离子从玻璃网络中脱离进入到溶液中，同时在玻璃表面富集聚合形成一层 富含s i o h 的凝胶层，并吸附c a p 的沉积，沉积的无定型c a - p 层经过晶化后形成类 骨h c a 晶体。在此过程中，富硅层的形成是h c a 沉积的关键。在弱碱性环境中， 富硅层表面带有负电荷，为c a 2 + 、p 0 4 3 离子吸附和h c a 晶体的沉积创造条件【3 6 】。随 着对骨修复材料研究的深入，“生物活性”己不能局限于无生命物质参与的h c a 的 沉积能力上，材料与细胞间的相互作用以及在体内组织的生长情况等也成为评价材料 活性的重要依据。生物玻璃在这方面显示出了其优势，生物玻璃释放出的s i 4 + 离子不 仅能诱导h c a 的沉积，而且能促进骨细胞的基因表达，加快骨细胞的增殖。植入初 期玻璃与体液离子交换和网络溶解释放出s i 到周围生物环境，并起到以下作用1 3 3 j ： ( 1 ) 溶出的s i 4 + 增强水合硅凝胶层的表面沉积的聚合。 ( 2 ) 硅凝胶和溶出的s i 4 + 进一步引起c a 2 + ，p o 年，c 0 3 2 离子的快速吸附，h c a 晶体的 快速成核和晶化，增加表面积，改变等电位点并为蛋白质提供新的键合点。 ( 3 ) 溶出s i 4 + 激活骨端部细胞产生生长因子，s i 4 + 吸附在硅凝胶和h c a 层上，从而使 骨细胞快速繁殖，界面上形成类骨质的矿化，玻璃与骨便形成键合。 l l h e n c h 教授等对生物活性玻璃在体内的矿化过程和生物反应机理进行了详细 的研究f 7 , 8 , 2 3 3 4 ，图1 2 所示。生物活性玻璃在体内的反应可分为1 1 个阶段，生物玻 璃通过在其表面形成h c a 层，然后吸附胶原和细胞，参与到生命过程。在此过程中， 7 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 类骨h c a 层形成是其参与到生命过程的关键，也是生物活性玻璃与惰性材料区别之 处。在h c a 形成之前，生物活性玻璃与体液间的界面反应( 1 5 ) 没有生命物质的参与， 整个过程可以在体外无生命环境中模拟进行。长期以来，材料在体液和模拟体液中沉 积h c a 晶体的能力，被用来作为评判材料生物活性好坏的重要依据之一。 1 & 2 o ，、 uj 肖 与一 莹4 一 ， ， 皇 6 o 一 芑7 四 星8 9 l o o 留1 1 1 _ 1 2 b i o a c t i v eg l a s s f o r m a t i o no fs i o hb o n d s p o l v c o n d e n s a t i o no fs i o h + s i o h s i o s a d s o r p t i o no fa m o r p h o u sc a + p 0 4 + c o q c r y s t a l l i z a t i o no fh y d r o x y lc a r b o n a t ea p a t i t e l a b s o r p a t i o no f b i o a c t i v em a i e t i e si nh c ah a c t i o no fm a c r o p h a g e s a t a c h m e n to fs t e mc e l l s d i f f e r e n t i a t i o no fs t e mc e l l s g e n e r a t i o no fm a t r i x c y r s t a l l i z a t i o no fm a t r i x 图1 2 、生物活性玻璃在体内的矿化反应过程( 2 3 l f i g 1 2t h ev i v om i n e r a l i z a t i o nr e a c t i o np r o c e s so fb i o a c t i v eg l a s s 1 3 3 现阶段存在的问题及解决措施 生物玻璃具有金属材料及有机材料无法比拟的优点，如生物相容性好，无毒副作 用，可与骨骼形成骨性键合，并且耐化学腐蚀等，但是它同样存在着致命的不足，与 人体骨相比生物玻璃脆性大，尤其是抗弯强度不足，严重限制了该类材料的使用范围 2 4 】。生物活性玻璃4 5 s 5 与人体骨力学性能指标如表1 2 所示。 8 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 表1 2 生物活性玻璃( 4 5 s 5 ) 与人体骨的力学性能【2 4 】 t a b 1 2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f4 5 s 5 b i o a c t i v eg l a s sa n dh u m a nb o n e 目前生物玻璃还主要用于骨损伤修复及骨料填充等非承载部位，如何弥补其不 足，更好地利用该类材料便成为各国材料工作者研究的重点。研究者在生物材料的组 成、制备工艺等方面作出了很多工作并取得了一系列进展【3 7 , 3 9 , 4 1 】。 ( 1 ) 调节玻璃组分 生物玻璃化学组分多，组成复杂，因而通过适当调整玻璃组成，可获得特定的结 构，从而显著改善玻璃的性质，但在调整生物玻璃组分时要以保证其生物活性为前提 1 3 6 。适当提高生物玻璃中s i 0 2 含量，可以有效的提高强度、密度及抗腐蚀性能。但 在保证其生物活性的前提下，通过提高s i 含量来提高玻璃强度的方法十分有限；在 生物玻璃中加入适量的f 可改善其可加工性能，生物玻璃的体外实验也表明f 能促进 较稳定的h c a 晶体的沉淀，但f 过高会使骨的正常吸收及重建停止【2 2 1 。a 1 作为网 络中间体，在碱含量较低的生物玻璃中p a m 0 6 】的形式存在，可以破坏玻璃的网络结 构，起到高温助熔的作用；而在碱含量较高的生物玻璃中，它则以 舢0 4 的形式进入 玻璃网络，起到补强的作用，并能稳定硅酸盐的结构p 6 1 。在磷酸盐玻璃中灿也有特 殊的作用，a 1 能够与磷酸盐玻璃中的p = 0 中的氧形成 a 1 0 4 ，有效改善和强化磷酸 盐玻璃，由于a l 对硅酸盐和磷酸盐玻璃均具有稳定作用，即可以抑制生物玻璃的水 解影响c a 和p 的沉积，因此a l 含量过多会影响玻璃的生物活性。在生物玻璃中添 加少量的z r ，可以达到增韧效果【l o l 。 ( 2 ) 改进制备工艺 传统制备生物玻璃的方法为高温熔融法，在制备过程中通过调节气氛、熔制温度 中晶化、退火温度、保温时间等可使生物玻璃产生特定的结构，并可在热处理和晶化 过程中通过控制晶体种类来改善玻璃的一系列性质4 0 1 ，如适当调整制备工艺、晶体颗 粒大小以及含量等因素来改细化晶粒来提高生物玻璃的断裂韧性。 9 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 近期发展起来的s 0 1 g e l 法与传统的高温熔融法相比具有以下优势 4 3 , 4 8 ：原料组 分可在分子水平上均匀混合；所得制品具有均匀性高、纯度高等优点；制备过程中热 处理温度低；可扩大生物活性玻璃的组分范围；制备出的材料比表面积大，残余羟基 多，能与生物机体内的蛋白质氨基酸以低能途径形成肽键，更快更多地实现骨键合， 因此s 0 1 g e l 法是制备生物玻璃一条新途径5 0 , 5 1 】。多孔材料具有较高的孔隙率和较大 的孔径，材料表面积较大，与人体体液或组织的作用范围广，增强了材料与组织的界 面结合强度，这种结合被称为生物固定。相对于密实植入体的形态固定，多孔材料植 入后形成的生物固定能够承受更大和更复杂的应力，因此利用合适的造孔工艺制备出 具有适宜孔径的多孔生物玻璃也是改善生物玻璃性能的一条途径【4 1 1 。 ( 3 ) 制备复合材料 通过不同材料的复合，利用不同材料性能的互补可以达到增强材料的目的。材料 复合的方法有很多种，按与生物玻璃复合的材料的性质可分为以下两类1 1 3 , ：与有机 材料的复合和与无机材料的复合。而且与无机材料的复合又可以分为：与活性无机 材料的复合材料。如与h a p 复合可以保持生物材料的活性，并对其强度和韧性有一 定的改善，但是几乎所有无机活性生物材料都存在着弯曲强度不足、韧性小的弱点， 两者直接复合在力学上并未能从根本上改变其断裂方式，仍为典型的脆性断裂【2 1 】； 与惰性无机材料复合材料。如与高a 1 瓷的复合，可以提高强度和耐腐蚀性【2 2 1 。 1 3 4 生物活性玻璃的临床应用 1 3 4 1 组织工程支架材料 采用熔融浇铸、熔融共混和模压成型等方法制备的生物活性玻璃与高分子复合材 料作为理想的体内降解材料和组织工程支架材料鸭1 0 1 。既能提高生物活性和细胞亲和 性以及机械性能，又可调节降解速度使之与不同细胞的生长速度相匹配。 1 3 4 2 人工骨材料 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l l 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工骨相匹配【6 , 5 2 。此复合材料在弯曲9 0 。 时不发生断裂，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。 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 1 0 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究第一章绪论 使某些耳聋病人恢复不同程度的听力。目前美国弗罗里达大学和英国伦敦大学合作研 究开发这一产品。 1 3 4 3 齿科材料 目前已有两种生物玻璃的牙科材料产品由美国生物材料公司开发进入市场【5 3 】：其 一是e r m i ，用于填补牙根空位，以避免牙床萎缩；其二是p e r i o g l a s 粉，用于治疗 牙周炎，其不仅能与牙根成键联结，也能与牙床成键联结。 1 3 4 4 药物治疗载体【5 2 , 5 3 】 药物治疗载体是生物玻璃很有发展前景的应用之一。各种各样的药物储存在多孔 的生物玻璃中，然后植入人体的有关部位。随着生物玻璃表面反应的进行，药物将释 放，达到有的放矢的治疗并具有最大效率的疗效。 1 3 4 5 治疗癌症医用玻璃【5 3 】 最近正在积极开发几种可埋入肿瘤附近，对癌细胞惊喜直接放射或热处理，只杀 死癌细胞而又不损伤正常组织的生物玻璃材料。注入磷离子或钇等发射性元素后的生 物玻璃，经中子照射下，产生b 射线已达到长期治疗的目的。 1 3 5 未来的发展趋势 随着研究的深化和应用范围的扩大，对生物玻璃的要求越来越高，生物玻璃在人 体移植、医治牙、骨损伤、药物释放载体等方面发挥越来越大的作用【5 2 】。为获得长期 满意的生物效应，各国学者进行了广泛而深入的研究 4 5 , 5 0 , 5 1 】。目前国内外正致力于活 性、特异性的生物玻璃材料的研究，最近生物玻璃与人体组织蛋白质成键联结的计算 机分子轨道模拟计算，蛋白质氨基酸能与玻璃硅氧基团以低能途径形成肽键而无酶的 作用的发现，以及生物玻璃与生长因子复合促进成骨的研究，使生物玻璃从材料研究 融入到生物科学的研究当中。 目前所使用的生物玻璃是第二代生物材料，即材料能通过表面化学反应产生磷灰 石层与骨结合，但不能降解或降解速度很慢。而下一代生物活性材料要求能在分子水 平上刺激特定的细胞反应而加速组织再生，要求生物材料能为人体所吸收，其降解的 速度应与组织生成的速度一致，并且在骨重建过程中始终能保持足够的强度1 0 1 。因此 生物玻璃的研究应同组织工程和基因工程结合起来，模糊材料制备和生物学评价间的 界限，充分利用生物玻璃和玻璃陶瓷的组分与性能可设计性，以实际应用需求指导材 1 1 硼硅酸盐生物玻璃模拟矿化机理的研究 第一章绪论 料的设计。 理想的生物材料应该具有良好的力学性能，与天然骨相当，并且具有高度的生物 相容性，能与骨整合口9 1 。高分子支架材料生物活性较低、力学性能较差、容易引发炎 症；而无机支架材料生物活性较高、力学性能相对较好、降解速率可调，但是相对于 实际应用，无机支架材料仍存在一定的不足【2 6 2 8 】。因此，未来研究无机组织工程材料 的重点在于进一步提高材料的力学性能，并逐步向完全可降解方向发展。今后研究发 展需解决的问题有【1 0 , 1 5 , 1 6 ： ( 1 ) 制备完全可降解无机支架材料，引导新生骨完全取代损伤部位形成新的组织； ( 2 ) 调节无机支架材料的力学性能，包括抗压强度、韧性等各方面，并且满足支架 材料在体内不同降解阶段的力学要求，直至完全降解； ( 3 ) 从仿生学的角度出发，制备与天然骨结构接近的无机支架材料，诱导骨细胞深 入支架，提高材料的生物相容性。如果无机组织工程材料能克服以上几个问