（材料学专业论文）CaOPlt2gtOlt5gtSiOlt2gt系统生物活性纳米材料的制备及其生物性能研究.pdf

摘要 c a o p 2 0 5 一s i 0 2 系统生物活性玻璃材料是一类新型的医用生物括性材料，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，本研究采用微乳液法制备c a o p 2 0 ，一s i 0 2 系统生物活性纳米粉体，用作骨修 复部件及骨组织工程支架的基本原料。利用t e m 、i r 、f t i r 、s e m e d x 、x r d 、 b e t 、d s c t g 等各种测试方法和体外模拟实验方法对纳米生物玻璃的微观结构、 生物矿化性能和可降解性能进行研究探讨，并同溶胶一凝胶生物活性玻璃进行了 比较。 对w o 型微乳体系稳定性研究表明，当o = 1 2 ( 表面活性剂与助表面活性 剂的质量比) 、y 值( 水与表面活性剂的摩尔比) 选择在4 1 0 之间、温度在2 5 的条件下，能够制备出有较宽的均匀稳定w o 型微乳单项区的t r i t o nx 1 0 0 1 正辛醇，环己烷，水的微乳体系。在微乳液系统稳定的条件下，生物玻璃粒子粒径 尺寸可通过调节y ( 水与表面活性剂的摩尔比) 、。( 水与醇盐的摩尔比) 控制。 在保持t o 不变的条件下，随着y 的增大，样品比表面积减小，粒径有所增大：而 在保持y 不变的条件下，。增大，样品比表面积增大，粒径随之减小。在y = 6 ， ( - ) = 8 的条件下，可制得平均粒径为2 5 n m 的球形生物玻璃纳米粒子。 微乳法制备的生物玻璃纳米粉体和溶胶一凝胶法制备的生物玻璃粉体在模拟 生理溶液( s b f ) 中浸泡，均表现出良好的生物矿化性能。生物玻璃纳米粉体在 3 7 c 的s b f 溶液中恒温反应4 小时，材料表面生成无定形态磷酸盐；反应8 小 时，无定形态磷酸盐晶化成网枝状的h c a 微晶，并基本覆盖材料表面。 以生物玻璃纳米粉体为原材料制备的生物玻璃块状材料在模拟体液中浸泡 3 5 天后，试样失重率达到1 0 5 0 ，表明材料在s b f 溶液中具有良好的降解性能。 f t i r 、x r d 和s e m 等发现块状样品在s b f 溶液浸泡过程中表面有低结晶态的 h c a 生成，说明材料在降解过程中掺杂有矿化过程。以溶胶凝胶生物玻璃粉体 为原料制备的块状样品在s b f 溶液浸泡过程中没有重量损失。 关键词：纳米粒子；微乳液：生物玻璃；生物矿化：可降解性 华南理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h en e wt y p eo fa m o r p h o u si ns y s t e mc a o p 2 0 6 一s i 0 2w i t hh i g hb i o a c t i v i t y a n db i o m i n e r a l i z i n gf u n c t i o nc a nb ea p p l i e dt ob o n er e p a r a t i o na n db o n e t i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s i n s t a b l e s i n g l ep h a s ew 0 e m u l s i o n s ， n a n o s i z eb i o g l a s sp a r t i c l e si nt h es y s t e mc a o p 2 0 s s i o , a r es y n t h e s i z e d t h em i c r o s t r u c t n r e ，d e g r a d a b i l i t y ，b i o a c t i v i t ya 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 ft h en a n o - b i o m a t e r i a lw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i lb y u s i n gt e m 、f t i r ，s e m e d x ，x r d ，b e ta n dd s c t gt e c h n i q u e sa sw e l l a si n v i t r om e t h o d sa n da l s o ，c o m p a r e dw i t hs o l g e ld e r i r e db i o a c t i v eg l a s s t h es t u d i e so ft h es t a b l ep h a s eb e h a v i o r so ft h ee m u l s i o n si n d i c a t e d t h a tu n d e rt h ef a v o r a b l ec o n d i t i o n s ，i e o = 1 2 ，y = 4 ”1 0a n d2 5 ，t h e w i d es t a b l e s i n g l ep h a s ew 0 t r i t o n x 1 0 0 o c t a n o l c y c l o h e x a n e w a t e r e m u l s i o n sw e r eo b t a i n e d 。i ns t a b l ep h a s ew oe m a l s i o n s t h ed i a m e t e ro f t h eb i o g l a s sp a r t i c l e sisr e l a t e dt ot h em o l e c n l en u m b e rr a t i o no fw a r e r t os u r f a c t a n ta n dw a r e rt oa l c o h o l a t e u n d e rt h ef a v o r a b l ec o n d i t i o n s ， i e c ) = 8a n dy = 6 n a n o s i z eg l o b a la m o r p h o u sb i o g l a s sp a r t i c l e sw e r e o b t a i n e dw it ht h ea v e r a g ed i a m e t e ro f2 5 n m b o t ht h em i c r o e m u l s i o nd e r i r e dn a n o s i z eb i o g l a s sp a r t i c l e sa n dt h e s o l g e ld e r i v e db i o g l a s sp o w d e r sw e r ef o u n dh i g hb i o m i n e r a l iz a t i o ni n s b fs 0 1 u t i o n i tw a sr e v e a l e dt h a ti tt o o ko n l y4h o u r sf o rf o r m a t i o no f a m o r p h o u sp h o s p h a t eo nn a n o b i o g l a s ss a m p l e si ns b fa t3 7 a n do n l y8 h o u r sf o rf o r m a t i o no fh u aw i t hal o wc r y s t a l l i n ed e g r e eo nn a n o b i 0 9 1 a s s s a m p l e s w h a t sm o r et h es m a l lc r y s t a lh c aisa l m o s tf u l lo v e ro nt h e s u r f a c eo ft h en a n o s a m p l e t h ef o r m a t i o no fh c ao n n a n o b i 0 9 1 a s sa l s o o b e y e d t h eh e n c h sf i v e s t e p sr u l e s t h em a s ss a m p l eb a s e di nn a n o b i o g l a s sw a sf o u n d i 0 5 0 w e i g h tl o s s a f t e re x p o s e dt os b ff o r3 5d a y s ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h es a m p l eh a dg o o d d e g r a d a b i l i t yi ns b f f t i r 、x r da n ds e ms h o waf o r m a t i o no fh c ao nt h e s a m p l e ，w h i c hp r o v e dt h a ta c c o m p a n i e dw i t ht h ep r o c e s so fd e g r a d a b i l i t y ， t h em i n e r a l iz a t i o np r o c e s st o o kp l a c ea tt h es a m et i m e c o m p a r e dw i t ht h e f o r m e ro n e ，n ow e i g h tl o s sw a sf o u n di nt h em a s ss a m p l eb a s e di ns o l g e l d e r i r e db i o a c t i v eg l a s s k e y w o r d s ：n a n o p a r t i c l e s ；m i c r o e m u l s i o n ；b i o g l a s s ：b i o - m i n e r a l i z a t i o n ；d e g r a d a b i l i t y 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：， 移孑镳日期：一十年f 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叫 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：i 年6 月j 日 日期：f 年；月日 蔓二二量二竺望垒一 - _ - _ - - - _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ l - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一 1 1 引言 第一章绪论 纳米材料与技术在生物医药学、临床医学中的应用日益受到人们的重视。“纳 米生物医药”这一概念正被科技界和产业界认同。1 9 9 4 年i o 月在第二届国际纳 米材料学术会议上美国普林斯顿大学一位教授在邀请报告中乐观的估计，纳米 材料在2 1 世纪很可能成为生物医药材料的核心材料，这是因为生物体中存在大 量精细的纳米结构；从核酸、蛋白质、病毒到细胞器，大量生物结构的尺寸在 1 0 0 a m 范围内：构成自然骨、牙无机成分的磷灰石也是以纳米形态存在的。模拟 人体组织成分、结构与力学性能研究发现：人的牙齿非常耐磨是因为它是由定向 生长的纳米粒子构成；天然珍珠壳和釉瓷虽有相似的强度，但它们的韧性相差很 大，珍珠壳是无机纳米碳酸钙与有机纳米薄膜交替叠加而成汪i 。这些天然生物材 料的特异性都与其细微的纳米结构有关，生物结构这种优异的力学性能给材料设 计以极大的启示。 对这些生物自然复台材料精细结构的深入研究无疑将会对人工合成高性能 复合材料以及智能材料的研究提供有益的指导。生物体机构经过长期的物竞天择 的进化，几乎是完美无缺的。仿生( b i o m i m e t i c s ) 通常是指模仿或利用生物体 结构，生化功能和生化过程的技术【3 】。把这种技术用到材料设计和制造中以便获 得接近或超过生物天然材料优异性能的新材料，或用天然生物合成的方法获得所 需材料，如制备具有蜘蛛牵引丝强度的纤维；制备具有海洋贝类韧性的陶瓷或贝 类结构的复合材料等。自1 9 6 0 年t s t e e l e 正式提出仿生学概念以来【钔，仿生逐 渐为人们所重视。近年来，随着相关学科的发展及现代技术尤其是微观技术= 自皇进 步，更促进了仿生研究的发展。 1 2 仿生纳米材料的发展概况 1 2 1 有机模板 表面活性剂在溶液中可以形成胶束、微乳、液晶、囊泡等自组装体拍1 。因此 有机物表面摄性剂可用作合成无机纳米材料的模板；还可利用生物大分子和生物 中的有机质作模板。如利用储铁蛋白( f e r r i t i n ) 的纳米级空腔制各纳米f e 3 0 。和 c d s 微粒，利用细菌和红鲍鱼作为完整的生物系统合成高度有序的复合体6 1 。 将惰性基底( 玻璃、云母或m o s 2 ) 插入鲍鱼的套膜和贝壳之间，在红鲍鱼 中的有机质调制下，就可以在基体上生长具有天然生物矿物特点的有序方解石层 华南理工大学硕士学位论文 和文石蛋白质复合层。这种模仿生物矿化中无机物在有机物调制下形成过程的 无机材料合成，称为仿生合成( b i o m i m e t i cs y n t h e s i s ) 或模板合成( t e m p l a t e s y n t h e s i s ) 7 1 o 利用表面活性剂在溶液中形成反相胶束、微乳或囊泡，相当于生物矿化中有 机大分子的预组织。其内部的纳米级水相区域限制了无机物成核的位置和空间， 相当于纳米尺寸的反应器，在此反应器中发生化学反应即可合成出纳米微粒。 l a n g m u i r 膜与l b 膜中的表面活性荆头基与晶相之间存在立体化学匹配、电荷互 补和结构对应等关系，从而影响晶体颗粒的形状、大小、晶型和取向等 引。 生物矿化中促进表面成核的有机大分子包含阴离子基团，如酸性多糖中的硫 酸根，软体动物贝壳中含天东氨酸的蛋白质中的羧酸根，牙齿和骨蛋白质中的磷 酸根，这些功能团可以将可溶性的粒子先驱物结合道有机基体表面促使表面成核 i 射。 目前用作有机模板来控制晶体生长的模拟膜主要有囊泡、微乳、胶束、反胶 束、单分子膜、l b 膜和双层类脂膜等5 1 ( 图l 1 ) 。 图1 1 用作有机模板的有序分子体系的结构示意图 5 】 f i g ，1 - lt h es c h e m a t i cm a po ft h eo r d i n a lm o l e c u l es y s t e m sf o ro r g a n i ct e m p l e t 作为一种好的模板，分子膜必须具有如下性质：( 1 ) 具有在膜水界面成核 的有效位点；( 2 ) 膜材料应该具有从多种溶质的混合溶液中选择某一特定晶体的 能力；( 3 ) 模板分子膜应具有诱导结晶定向生长的能力。 2 _ - - - _ _ _ - i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - l - - _ - l _ _ - - - - _ _ - 一 1 2 。2 无机生物材料的仿生合成 无机材料的显微结构在一定程度上决定了材料的特性，通过材料的表面修饰 和引入特殊的显微结构特点( 如中空、多孔) 将大大改变材料性能，使材料可以 用作多孔生物医用植入体和药物载体。在生物矿物材料的合成中- 有机模板为三 维曲面，无机物形成后将模板脱除，模板存在的地方就“复制”成特殊的形貌( 如 孔、空腔和凹坑等) ，而且由于模板在不同尺度上的特殊组装方式，使材料具有 特殊的外观形貌、高的孔隙率、高的比表面积和多级的结构细节f 5 0 “”。 将仿生合成的多孔s i 0 2 再放回母液中进行1 5 0 c 水热处理，使孔径可以在 3 7 n m 之间变化，这种现象有助于理解生物体中生物矿物通过细胞控制的溶解一 再沉积来重构的复杂过程。以表面活性剂十六烷基三甲氨氯形成的胶束为模板， 在空气一溶液表面不用固体基片仿生合成了多孔s i 0 2 薄膜，该膜可以转移到不 同形状的基片上而不受破坏，这是空气一溶液界面的表面活性剂组装体和溶液表 面胶束共同与无机先驱物作用的结果d 2 。 仿生合成在制各多孔材料方面具有传统方法无可眈拟的优点：( i ) 孔尺寸可 调；( 2 ) 可在低温下一步合成材料；( 3 ) 可制备一定形状的多孔材料。 利用有机模板控制微观结构和宏观形貌可以制备出一些与天然生物矿物形 貌及其相似的材料。在这方面最引人注目的是两个研究小组的结果，加拿大多伦 多大学的o z i n 领导的小组合成了与海藻和贝壳极其相似的磷酸铝盐，先制备磷 酸和癸胺( c 1 2 h a l n h 2 ) 的四聚乙二醇( t e g ) 溶液，从而形成( c i o h 2 l n h + ) ( h 2 p 0 4 一) 双向层( 有机相和无机相) ，然后加入0 9 a 1 2 0 ，h 2 0 ，在1 8 0 水热合成得 到产物，产物表面具有尺寸在亚微米和几百微米范围的凹坑和中空小球( 这是囊 泡的印迹) ，相同尺寸的囊泡或凹坑堆积成蜂窝状或山莓状，这是由于囊泡壁上 的表面活性剂和溶剂分子( t e g ) 发生了微相分离，加上表面活性剂头基带正电 荷吸引阴离子，使磷酸铝盐仅沉积在有表面活性剂的地方1 3 】。 英国贝兹大学m a n n 领导的小组从c a ( h c 0 3 ) 2 水溶液十四烷一d d a b 构成 的双连续微乳胶出发，合成了类似海藻小球的多孔壳。先将直径1 0 9 pm 的聚苯 乙烯球溅射上纳米级厚的金，然后用丙酮乙醇除去聚苯乙烯，经4 0 0 c 处理即 得到多孔的文石球，与海藻小球的多孔壳极其相似，球体外径约1 3 5um ，球壳 厚1 2 5 n m 。这种材料至少具有3 个层次上的结构特点，单胞尺度的文石晶体，亚 微米尺度的蜂窝状孔和微米尺度的球形，其中最关键的一点是双连续微乳的相分 离( 油相和水相分离) 和无机物在界面上的沉积几乎同步1 4 】。 生物矿化材料具有独特的复杂形貌，极高的孔隙率和比表面，可以用作生物 医学材料，同时也为制备新型无机材料提供了一种新的化学方法，巧妙选择合适 的表面活性剂和溶剂，使其组装成胶束、微乳、液晶和囊泡等作为无机物沉积的 模板是合成的关键。 3 华南理工大学硕士学位论文 多孔羟基磷灰石( h a ) 生物陶瓷是一种性能优异的人体硬组织修复材料。 植入体内能逐步参与代谢以至最终与人体骨结合成一体，可用双连续的微乳合成 这种材料，以过饱和溶液( c a ”、h p o 。 、o h 一) - 阳离子表面活性剂2 - 十二烷 基甲铵溴油( 十四烷) 形成双连续微乳，h a 在d d a b 头基表面成核，随后在 纳米级的连续水核中生长，最后得到由微米尺寸的针状h a 晶体组成的网络1 5 1 。 图i 一2 肽一双亲分子复合体结构及其所构建的仿生自组装体模式图【1 5 】 f i g 1 2t h es c h e m a t i cm a po ft h es t r u c t u r eo ft h ep e p t i d e a m p h i p h i l ea n dt h e s e l f - a s s e m b l ya n dm i n e r a l i z a t i o no fp an a n o f i b e r s 1 2 3 复合生物材料的仿生合成 j e f f r e yd h a r t g e r i n k 等将分子自组装技术同模拟生物矿化结合起来，制备 出复合仿生骨结构( 图1 2 ) 。与天然骨组织相比，不但成分相似，而且在多级 微结构上具有很高的仿生程度。研究者先合成肽一双亲性分子复合体，再进行自 组装，构造出纳米仿生胶原纤维。纤维相互交叉形成网络状基质，以模拟细胞外 4 ! ：三! 望! l 一 基质。t e m 观察结果显示，1 0 r a i n 后围绕纤维有无机物生成；2 0 m i n 后，已有结 晶矿物覆盖在纤维上，但此时仍含有无定形物；3 0 m i n 后，纤维表面板层状多晶 矿物生成。e d s 检测发现其c a p 比值为1 6 7 4 - 0 0 8 ，与h a c a p 理论比值相符 合们。 该研究开辟了制备无机有机仿生生物复合材料的新途径。鉴于自然骨可被 看作是一种无机磷灰石晶体与胶原纤维构成的复合材料，因此可将h a 晶体与高 聚物复合，以制备出具有一定力学强度的仿生骨修复材料。l iy u b a o 等分另在高 压及常压下合成出不同形态的h a 纳米晶体( n h a ) ，在此基础上，将其与具备 优良韧性的聚酰胺( p a ) 复合，制备了仿生复合材料【l ”。 模拟生物矿化仿生法能够做到微观结构的仿生，对改进当前已经应用于临床 的仿生复合生物材料具有重大意义，特别体现在对晶体取向排列、均匀分布及复 杂多孔结构的获取方面。如果h a 纳米晶体在高分子基质呈取向排列且均匀分 布，则复合材料的整体力学性能将会得到更大的提高；而复杂多孑l 结构的实现则 让材料更利于骨组织的生长。 就生物材料而言，与天然组织的相似程度越高，其生物相容性及生物学功能 就越好。仿生法制备的生物材料，不仅可以在组分上与天然组织更为接近，而且 在微观结构上与之相近，可以使晶体有序生长，这是传统制各方法难以达到的。 选择具有适当表面基团的模板以利于无机有机界面产生足够的静电势作用，合 适的晶格几何匹配及立体化学匹配，是仿生制备生物材料的关键。模拟生物矿化 并利用分子模板诱导晶体生长，为制备具有复杂微观构造及晶体取向性的无机生 物材料和复合生物材料开辟了一条崭新的途径。 1 3 生物玻璃的研究与发展 1 3 1 生物玻璃的生物活性 自h e n c h 在7 0 年代初首先报道某些组成的玻璃具有生物活性，即能与人体 生命组织成键联结的特点以来，生物玻璃的研究已达二十多年，现已成为材料学、 生物化学以及分子生物学的交叉学科。被发现具有生物活性的玻璃已有一系列组 成，如表1 1 所示( 其中g g 代表凝胶玻璃) 1 引。 5 华南理工大学硕士学位论文 表1 一l 生物玻璃的组成( t 0 0 1 ) l l s ! t a b l e1 1c o m p o s i t i o n so fb i o a c t i v eg l a s s e s ( t 0 0 1 ) d e s i g n a t i o n s i 0 2n a 2 0 c a o c a f 2p 2 0 5b 2 0 s a 1 2 0 3 4 5 s 5 4 f 4 6 12 4 4 1 6 21 0 82 6 00 4 5 s 5 4 6 12 4 42 6 9 02 60 0 # 1r s 6 3 5 p 6 ) 6 5 71 5 ，01 5 5 02 , 6 # 9 ( $ 5 3 p 4 ) 5 3 9 2 2 62 1 8 0 1 7 # 1 0 ( s 4 5 p 7 1 4 6 62 4 12 4 403 0 5 2 s 4 65 2 12 1 ，5 2 3 802 6 5 5 s 4 35 5 i 2 0 12 2 202 ，6 6 0 s 3 86 0l 1 7 71 9 602 6 4 2 s f4 2 12 6 3 1 7 411 6 02 6 4 6 s f4 6 ，1 2 4 41 6 1 41 0 7 6 2 6 4 9 s f4 9 12 3 ，o1 5 1 81 0 1 22 6 5 2 s f5 2 12 1 51 4 2 89 5 22 6 5 5 s f 5 5 12 0 ，11 3 3 28 8 82 6 6 0 s f6 0 ，11 7 71 1 7 67 8 42 6 4 9 s ( g g ) 5 004 604 5 4 s ( g g ) 5 504 104一一 5 8 s ( g g ) 6 003 604 6 3 s ( g g 、 6 503 104 6 8 s ( g g ) 7 002 604一一 7 2 s ( g g ) 7 502 104一一 7 7 s ( g g ) 8 0 01 60 4 一 一 8 6 s ( g g 、 9 00604 h e n c h 在对生物玻璃的大量溶液实验积累了大量数据后，总结出生物玻璃在 模拟体液中发生五步表面反应协2 1 】： ( 1 ) 玻璃中n a + 和k + 离子等与溶液中h + 以及h 3 0 + 离子迅速交换： ( 2 ) s i o s i 键被溶解打断，在界面处形成许多s i o h ； ( 3 ) s i o h 的聚合反应在玻璃表面形成一富s i 0 2 的、多孔的胶体层： ( 4 ) c a “和p 0 4 ”或来源于玻璃体内或来源于溶滚中，在富s i 0 2 胶体层上聚 集形成c a o p 2 0 5 无定形相层； ( 5 ) 随着o h 和c 0 3 2 _ 从溶液中引进，c a o p 2 0 s 无定形相层将转变为含碳的 6 m o o 一 一 一 一 一 一 一 一 一 o m 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第一章绪论 羟基磷灰石( h c a ) 多晶体。 对于不同的生物玻璃在模拟体液中其表面反应态出现的时闻不同e 表1 2 列出了一些生物玻璃在t r i s 缓冲液中反应时间与对应前面所谈到的五步系列表 面反应态的情况2 2 1 。 表1 2 各种生物玻璃在t r i s 缓冲液中各表面反应态出现的时间 2 2 t a b l e1 2t i m ef o ro n s e to fr e a c t i o ns t a g e so nt h es u r f a c eo fd i f f e r e n t b i o a c t i v eg l a s se x p o s e di nt r i s t i m e ( h o u r ) i nt r i sb u f f e r c o m p o s i t i o n l21 02 04 06 09 01 2 0 3 6 07 2 0 4 5 s 5 4 f1 + 2 3 + 45 4 5 s 5 1 + 23 + 45 舟1 ( s 6 3 5 p 6 ) n os p e c t r a lc h a n g e sn o t e d # 9 ( $ 5 3 p 4 ) 1 + 234 # 1 0 ( $ 4 5 p 7 ) l + 23 + 4 5 5 2 s 4 6l + 23 + 4 5 5 5 s 4 3l + 2 3 + 45 6 0 s 3 8 n os p e c t r a lc h a n g e sn o t e d 4 2 s f1 + 23 + 4 5 4 6 s f l + 23 + 45 4 9 s f1 + 23 + 4 5 5 2 s fl + 2 3 + 4 5 5 5 s f l + 2 3 + 4 6 0 s f l + 2 3 4 9 s ( g g ) 5 5 4 s ( g g ) 5 5 8 s ( g g ) 5 6 3 s ( g g ) l 5 6 8 s ( g g ) l 5 7 2 s ( g g ) l 5 7 7 s ( g g ) 5 8 6 s ( g g ) 5 7 一一 兰塑翌三盔堂堡圭兰垡笙三一 - - - l _ - - _ - _ _ - _ _ _ - _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 进一步对生物玻璃在s b f 和胶原蛋白的混合溶液中实验后，发现胶原蛋白 纤维紧密联结在生物玻璃表面。由此构造出生物玻璃与人体组织胶原蛋白联结的 模型 2 3 1 ，如图i 一3 。 图l 一3 生物玻璃与人体结缔组织成键联接的过程【2 3 7 f i g 1 3s c h e m a t i cd e s c r i p t i o no ft h ep r o c e s so ft h eb i o z c t i v eg l a s sb o n d i n gw i t h c o n n e c t i v et i s s u e 材料表面h c a 层的形成以及胶原蛋白纤维与材料表面的紧密联接都有助于 后续反应的发生。例如各种生理物质吸附于h c a 层：巨噬细胞活动；成骨干细 胞附着；成骨细胞同步增殖和分化；基质生成；基质晶化以及新骨生长。动物实 验证明生物玻璃具有甚至比羟基磷灰石更快的骨生长能力。o o n i s b i 等人制作了 双侧6 r a m 的兔跨关节骨缺损生物玻璃和羟基磷灰石微粒各以充足量充填每侧缺 损。动物取材时问从2 天1 2 周间隔不等。标本通过光镜及背散射扫描电镜观 察，可见2 周后新骨组织集合于生物玻璃微粒周围，而羟基磷灰石则需要3 周， 参看图1 4 。另外，大多数的生物玻璃微粒的骨包绕需6 周：而羟基磷灰石在 这一时期只完成3 0 的包绕口引，甚至经过1 2 周的时间也只有6 0 7 0 的羟基 磷灰石大颗粒被骨组织包绕。生物玻璃微粒形式的优势在于其成分被新骨组织所 利用并和它合为体参与骨生长。机体对生物玻璃的迅速反映及正常骨结构的形 成都证明临床上它有利于钙质的沉淀。 8 _ _ - - _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - 一一一。 图1 4 生物玻璃和羟基磷灰石骨生长比较【2 4 1 f i g 1 - 4p a r t i c u l a t eb i o g l a s sc o m p a r e dw i t hh y d r o x y a p a t i t ea sab o n eg r a f ts u b s t i t u t e 1 3 2 生物玻璃的制备方法 1 3 2 1 熔融法 n a 2 0 c a o p 2 0 5 一s i 0 2 系玻璃是最早被研究和应用的生物活性玻璃材料，其 中以h e n c h 教授在1 9 7 1 年研制成功的4 5 s 5 玻璃最为著名【1 8 。它的组成为( w t ) ：n a 2 02 4 5 ，c a 0 2 4 5 ，p 2 0 5 6 0 ，s i o z 4 5 。这种生物玻璃所采用的 制备方法是熔融法：按组成配方混合后，在1 3 5 0 左右的高温下熔化成均匀的 玻璃质，将此玻璃质在石墨模中铸成所需形状，最后进行低温淬火处理。 该方法制各的生物玻璃的生物活性受s i 0 2 含量的影响。当组成中s i 0 2 的含 量增加时，生物活性逐渐减弱，直至s i 0 2 6 0 w t ，其玻璃基本上呈生物惰性。 值得注意的是， 3 w t 的a 1 2 0 3 引入，同样使生物玻璃失去生物活性 2 ”。 1 3 2 2 溶胶一凝胶法 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【2 “。溶胶 一凝胶法制备的生物玻璃突破了熔融法当s i 0 2 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，使材料组成可以在较宽的范围内变化， 从而使材料的力学、生物学性能可以根据需要进行调节，为生物活性材料的分子 设计和剪裁打下基础；并且溶胶一凝胶的低温合成工艺消除了原来熔融法制各生 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调控，同时达到节能 和降低设备要求。 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， 最终的烧结温度要比一般传统方法低得多。节省能耗及设备损耗，制备条件易于 9 兰堕堡王奎堂堡主兰垡笙苎 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 达到；( 2 ) 化学成分的均匀性可达分子级别。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，这同传统使用的5 5 0 um 粉末的混 合物的均匀度比较，提高1 0 4 1 0 5 倍：( 3 ) 高化学纯度。s o l g e l 一般采用可溶 性金属化合物作原料，因此可以通过蒸发及再结晶等方法纯化原料，从而保证了 所得材料的纯度；( 4 ) 可以制得具有巨大比表面积、高孔隙率的块状和颗粒状材 料，这一性质对于制各骨修复材料具有重要意义；( 5 ) 可以制成多种传统固相反 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 2 一f e 2 0 3 、 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 、z r 0 2 及 g e 0 2 一s i 0 2 纤维等【2 7 33 1 。 目前利用溶胶一凝胶法制备无机材料包括无机和有机两个途径。在无机途径 中原料一般为无机盐，通过无机盐的水解可以制得溶胶。利用有机途径制各无机 材料通常是以金属有机醇盐为原料，通过水解与缩聚反应而制得溶胶，并进一步 缩聚而得到凝胶。金属醇盐的水解和缩聚反应可分别表示为： ( 水解) ：m ( o r ) 4 + n h 2 0 一m ( o r ) 4 一。( o h ) 。+ n h o r ( 缩聚) ：2 m ( o r ) 4 一。( o h ) 。一 m ( o r ) 4 一。( o h ) n 1 】2 0 + h 2 0 总反应式为： m ( o r ) 4 + h 2 0 m 0 2 + 4 h o r ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 式中m 为s i 、t i 、z r 、a l 、b 、n a 等元素，r 为烷基。 硅氧基溶胶凝胶材料的制备过程可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 混合( m i x i n g ) ：将硅有机醇盐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脂等。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是。通过外加稳定粒子可以阻 止颗粒的迸一步长大。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， 尺寸迸一步长大，形成胶体溶液，也称溶胶( s 0 1 ) 。所谓溶胶是指尺寸在1 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【3 ”。 ( 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 ) 。所谓凝胶是指由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，其原理是颗粒表露上呈电中性的= s i o h 基团和呈离子状的；s i 一基团 1 0 第一章绪论 凝聚形成s i o s i 链而相互连接。 ( 3 ) 陈化( a g i n 譬) ：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积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 径小于2 0 n m 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 问等) 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 凝胶合有大量互相连通的孔隙， 具有足够的强度，并且是透明的。当将其空隙中加入某些光学活性聚合物时，可 制成各种性能优异的光学部件。 ( 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 3 “。 1 3 2 3 微乳法 一般的溶胶一凝胶工艺较难制各c a o p 2 0 5 一s i 0 2 系统的纳米粉体，主要是团 聚问题不易解决。众所周知当微粒尺寸减小到纳米量级后材料特性将发生很大的 变化。为了进一步提高材料的生物活性和降解性能，本研究采用微乳液法制备 c a o p 2 0 5 一s i 0 2 系统的纳米粉体。 自s c h u l m a n 等在1 9 5 9 年首次推出“微乳液”以来3 6 】，微乳液的理论和应 用研究迅速发展，在微乳液领域进行的大量的研究使人们逐渐地把握了各种微乳 液体系的形成机理和微观结构。与此同时，微乳液在精细化工和新材料等领域的 研究也得到了长足的发展。微乳液特有的微观结构及所呈现出的特性使其在纳米 粒子的制备方面表现出无可比拟的优越性。它不仅能够制备粒径分布均匀的纳米 粒子还可以通过改变微乳液的各结构参数调节其微观结构来调控纳米粒子的晶 态、形貌、粒径及粒径分布等。从而制备所需性能的材料。最近采用微乳液法制 备纳米粒子一聚合物复合材料的方法将使纳米粒子的应用得到突破。 微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂( 醇类) 、油( 碳氢化合物) 和 水( 电解质水溶液) 按照一定比例组成的各向同性、热力学稳定的水包油或油包 水的透明体系口”。适合用来制备无机纳米粒子的是油包水型微乳液。微乳液中 的微水池( m i c r ow a t e r p 0 0 1 ) 为单一均匀的纳米级空问。由于微乳液是热力学稳 兰壹望士盔兰堡圭堂垡丝苎 - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ _ _ l - - - _ _ - 一一 定体系。在一定条件下具有保持稳定尺寸的能力，即使破裂也能重组，类似于生 物细胞的自组织和自复制功能，因此微乳液给人们提供了制备均匀尺寸纳米粒子 的理想微环境 1 9 8 2 年b o t n o n e r 【3 8 1 等在微乳液的水核中成功制备了p t 、p d 、p h 、i r 等金属 团簇微粒。目前已经利用微乳液技术成功制备了催化剂、半导体、超导体和磁性 材料等( 表1 3 ) 多种无机纳米颗粒。 表l 一3 微乳法在无机纳米粒子制备中的应用 t a b l e1 - 3a p p l a c a t i o no fm i e r o e m u l s i o nt e c h n o l o g yi nt h ep r e p a r a t i o no f i n o r g a n i cn a n o m e t e rp a r t i c l e s 无机材料的显微结构决定着许多特性，如传输行为、催化活性、分离效率、 黏附、储存和释放动力学。通过材料的表面形貌修饰和引入特殊的显微结构特点 ( 如中空、多孔) 将大大改变上述特性，使材料可以用于催化剂、分离膜、多孔 生物医用植入体和药物载体方面。这类材料的合成以有机物模板为三维曲面。无 机物形成后将模板脱除，模板存在的地方就“复制”成特殊的形貌( 如多孔、空 腔等) 。由于通过微乳化技术可以形成不同形态的自组装体，并且可以在低温下 一步合成材料，因此已成为制备这类材料最有前途的种手段。目前这一方面的 研究己取得很大进展，例如：g r u n 等1 5 1 1 以十六烷基三甲铵溴( c t a b ) 和十六烷 基毗啶为阳离子表面活