（材料学专业论文）nakcamgsip系微晶玻璃多孔体的制备工艺和生物活性研究.pdf

申剑锋上海交通大学硕士学位论文 n a k 一0 a m g s _ _ p 系微晶玻璃多孑l 体的制备工艺 和生物相容性研究 摘要 一弋生物陶瓷的出现对生物医学产生了深远的影响。它们在体内的使用有效地改善 了病a 术后的生活。本文首先回顾了生物材料的发展历史，对各种生物陶瓷材料做 了一定的介绍，着重介绍了生物活性玻璃。本研究中设计制备孑一种新型的骨修复 材料一多孔n a k - c a m g - s i p 系w 生物活性微晶玻璃。可 ， 本文研究工作主要有三部分：( 1 ) 对制备得到的微晶玻璃的物理化学性能做了 一定的探讨。( 2 ) 采用p m m a 颗粒造孔剂法制备了多孔w 微晶玻璃对多孔材 料的制备工艺进行了一定的探讨。( 3 ) 通过细胞培养的方法对该材料的的生物活性 进行评价。通过以上研究，本文获得以下结论： 1 该微晶玻璃在1 2 0 0 0 c 下烧结后，可以得到致密材料。在8 4 0 0 c 8 5 0 0 c 和 9 1 0 0 c 9 2 0 0 c 附近析出晶粒，分别为硅灰石和氐w p 。该烧结的微晶玻璃 主要组成为晶相，玻璃母体主要集中在晶界上。【1 3 t c p 晶粒显示出六方 结构，而硅灰石表现为柱状结构。这两种晶粒都堤非化学计量的：在硅 2 3 对造孔剂进行严格的筛分，可以有效的控制造孔剂的粒径与范围，可以在材料 中实现均匀的气孔分布和较窄的孔径分布，制得孔径可控的多孔a w 生物活性 玻璃。 4 材料的总气孔率和开口气孔率随着成型压力的增大而降低，压力较大时 开口气孔率接近设计值，而闭口气孔率呈相反趋势。成型压力影响的主 要是烧结过程中形成的孔。 。 5 材料的总气孔率和开口气孔率随着烧结温度的升高而显著减小；闭口气 摘要 6 7 孔率虽然随温度升高有所增加，但是增幅较小，说明在高温下材料中微 观孔和宏观孔被软化玻璃的封闭填充程度明显。 烧结保温时间对气孔率的影响和烧结温度对气孔率的影响相似，加大了 软化玻璃封闭填充材料中微观孔和宏观孔的程度。 材料浸出液明显提高成骨细胞的增殖率，对细胞的碱性磷酸酶活性无明 显影响，显著提高成骨细胞的矿化能力：成骨细胞可以长入多孔体内部， 细胞的生物学行为未受影响，表明材料具备良好的生物活性。 关键词： 旗， 微晶玻璃微观结构，生物活性，成骨细胞，细胞培养 申剑锋上海交通大学硕士学位论文 s t u d yo ff a b ric a tlo nt e o h nlo u e sa n db io a c t ivit y o fp o r o u sn a 。k 。c a m g si 。pa w6 l a s sc e r a m ic s a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo fb i o c e r a m i c sh a sg r e a te f f e c tc ob i o m e d i c a lf i e l d t h e i ru s ei n h u m a n b o d yh a sg r e a t l yi m p r o v e dp a t i e n t sl i v e sa f t e ri m p l a n t a t i o n i nt h i st h e s i s ，ab r i e f r e v i e wo ft h eh i s t o r yo fb i o c e r a m i c sa n da l li n t r o d u c t i o nt ov a r i o u sk i n d so fb i o c e r a m i c s a r em a d e b i o g l a s sc e r a m i c sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l o n en e wb o n e r e p a i rm a t e r i a l - p o r o u s n k - c a - m g s i pb i o a c t i v eg l a s sc e r a m i c sw a sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e d i nt h i st h e s i s ，a sd i s c u s s e dw e r e ：( 1 ) t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t yo f p r e p a r e d g l a s sc e r a m i c sw a si l l u s t r a t e d ( 2 ) p o r o u sm g l a s sc e r a m i c sw e r ep r e p a r e db ya d d i n g p m m aa sp o r e f o r m i n ga g e n t ( p f a ) 1 1 1 ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so f 刖w 百a s sc e r a m i c s p o r o u sm a t e r i a ls a m p l e sw e r es t u d i e di n t e n s i v e l y ，a n d ( 3 ) a l lo s t e o b l a s t c u l t u r ee x p e r i m e n t w a sd o n et oe s t i m a t et h e b i o a c t i v i t yo ft h ed e s i g n e dm a t e r i a l t h ec o n c l u s i o n s a r e o b t a i n e df r o mt h ea b o r ew o r k sa sf o l l o w s ： 1 s i n t e r i n go f a wg l a s sc e r a m i c sa t1 2 0 0 0 cc a no b t a i nad e n s em a t e r i a l w h i t l o c k i t e a n dw o l l a s t o n i t ew e l - ep r e c i p i t a t e d r e s p e c t f u l l ya t t h et e m p e r a t u r eo f8 4 0 。c - 8 5 0 。c a n d9 1 0 。c - 9 2 0 。c ag l a s sm a t r i xw a sf o u n do nt h eb o u n d 耐e so ft h em a i nc r y s t a l p h a s e i nt h e m a t e r i a l h e x a g o n a lc r y s t a l s o fw h i t l o c k i t ea n dc o l u m no n e so f w o l l a s t o n i t ew e r ef o u n d t h ep r e c i p i t a t e dc r y s t a l sa r en o n - s t o i c h i o m e t i c ，w i t hs ii n w h i f l o c k i t ea n dm gi nw o l l a s t o n i t e t h ee x i s t e n c eo fs ii nw h i t l o c k i t ei n c r e a s e st h e l a t t i c ev o l u m ew h i l em g i nw o l l a s t o n i t ed i dn o ti n f l u e n c et h el a t t i c ep a r a m e t e r s a 1 2 0 3 i n t r o d u c e db ym i l l i n gr e m a i n e di nt h eg l a s sm a t r i xa n dh a dn oe f f e c to nt h ec r y s t a l p h a s e s 2 i nt h es a m p l e s ，t h ep o r e sa sd e s i g n e dr e m a i n e da n dw e r el i k ep m m a p a r t i c l e s ； t h ep o r e sc a nb ed i v i d e di nt w oc a t e g o r i e s ：o p e n e dp o r e sa n dc l o s e dp o r e s o p e n e dp o r e sw e r em a i n l y t h ed e s i g n e dm a c r o p o r e s ，w h i c hw e r ec o n n e c t e db y t h em i c r o p o r e s ；c l o s e dp o r e sw e r ec o m p o s e do fm i c r o p o r e s ，t h ec l e a r a n c e s b e t w e e n g l a s s c e r a m i c s g r a i n s l e f ta f t e r s i n t e r i n g ，a n d a p a r t o fc l o s e d i 一 摘要 m a c r o p o r e s 3 i ft h ep o r e f o r m i n ga g e n t ( p f a 卜_ p m m aw e r es i e v e ds e v e r e l y , p f aw i t hc o n t r o l l e d s c a l ea n dd i s t i l b u t i o nc a r tb eo b t a i n e d t h e np o r o u sa wg l a s sc e r a m i c sm a t e d a l s w i t hc o n t r o l l a b l e p o r e s i z ea n d p o r o s i t y ，w h i c h h a v e w e l l - p r o p o r t i o n e dp o r e - d i s t r i b u t i o na n dc a nb ep r e p a r e d 4 w i t ht h ef o r m i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h et o t a lp o r o s i t ya n do p e n e dp o r o s i t y d e c l i n e d ，t h ec l o s e dp o r o s i t yr o s e ，a n dt h eo p e n e dp o r o s i t yw a s n e a r l ye q u a l t o t h ep o r o s i t ya sd e s i g n e d t h ei n f l u e n c eo ff o r m i n gp r e s s u r ew a sm a i n l yo n p o r e sf o r m e dd u r i n gs i n t e r i n gp r o c e s s 5 t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r eg r e a t l ya f f e c t e dt h ep o r o s i t yo fa so b t a i n e ds a m p l e s w h i l et h ef o r m i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h et o t a lp o r o s i t ya n do p e n e d p o r o s i t y d e c l i n e d ，a n dt h ec l o s e dp o r o s i t yr o s ei n c o n s p i c u o u s l y w i t ht h ei n c r e m e n to f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，m i c r o p o r e s a n d p a r to fm a c r o p o r e st e n d e dt ob eb l o c k e d o u to rf i l l e di n 6 t op o r o u sa wg l a s sc e r a m i c s ，t h e s i n t e r i n gt i m es e e m st o h a v et h es a m e i n f l u e n c eo fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t h ee x t e n s i o no f s i n t e r i n gt i m er e s u l t e di n m o r ep o r e sb l o c k e do u to rf i l l e di nb yi n t e n e r a t e dg l a s s 7 t h ea f w g l a s sc e r a m i c sl i x i v i u mc a r li n c r e a s eo s t e o b l a s t sp r o l i f e r a t i o nr a t eo b v i o u s l y , h a sn oi n f l u e n c eo na l pa c t i v i t yo ft h eo s t e o b l a s t s ，a n de n h a n c et h eo s t e o b l a s t s c a l c i f i c a t i o n b i o a c t i v i t yo f a so b t a i n e dp o r o u ss a m p l e si sr e v e a l e db yt h ef a c tt h a t o s t e o b l a s t sc a l lg r o wi n t ot h ep o r e s ，a n ds t i l lr e m a i nt h e i rb i o l o g i c a lb e h a v i o n k e y w o r d s ：p o r o u s ，g l a s sc e r a i n i c s ，m i c r o s t m c t u r e ，b i o a c t i v i t y ，o s t e o b l a s t ，c e l lc u l t u r e 申剑锋 上海交通大学硕士学位论文 第一节前言 第一章文献综述 生物材料是指以医疗为目的，用于和机体组织接触，取代或修复活组织以形成 功能的无生命的材料。生物材料的种类很多，一般可分为天然材料和人工材料两大 类。人工材料又可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及它们的复 合材料”，”。 金属材料包括生物相容性好的各种金属及其合金，例如3 1 6 l 不锈钢、钛及钛基 合金、铸造钴铬钼合金等等。无机非金属材料包括玻璃和陶瓷材料，例如氧化铝单 晶和多晶陶瓷、各向同性碳、羟基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃、磷酸钙陶瓷、氧化 锆陶瓷等等。有机高分子材料包括天然高分子材料，如天然橡胶、纤维：生物高分 子，如胶原、弹性蛋白；合成高分子，如合成纤维医用粘合剂、生物医用膜和有机 生物降解材料等。复合材料包括无机纤维与高分子材料的复合、无机纤维与陶瓷材 料的复合、陶瓷粒子与高分子材料的复合、陶瓷材料与金属材料的复合等等【1 1 。 最近数十年，对人体组织产生良好作用的新材料和新的结构单元不断地被发明 或发现。在这一领域，无机非金属材料的研究得到了深入的开展。随着人们不断深 入地探索与人体内环境相容、相促进的生物材料，生物陶瓷材料的应用领域也从人 工骨、人工齿发展到人工心脏瓣膜。无机生物材料的功能目前扩展为【3 i ： 生物体功能生物陶瓷材料 生物体内治疗性生物陶瓷材料 微生物利用陶瓷 这一系列的进展，特别是无机非金属生物材料的进步标志着人们对陶瓷这一古 老的领域又有了新的认识和实践。 在详细讨论生物材料之前，有必要将常见术语的定义加以阐明： 生物相容性( b i o c o m p a b i l i t y ) c 4 】是指在某一特定应用中，使用的材料使生物体产生 适应反应的能力。 生物活性i o a c t i v i t y ) t 4 1 是指在材料表面引导特定生物反应的能力，这种反应使 材料和组织之间产生键和。 骨引导。( o s t e o c o n d u c t i v i t y ) t 4 1 是指材料能作为骨架或模板供骨细胞生长的能 力。 骨诱导性( o s t e o i n d u c t i v i t y ) 1 4 】是指材料本身引发成骨过程的能力。 第一章文献综述 第二节无机非金属生物材料与人体组织的附着类型 陶瓷材料与人体组织的附着类型反映了材料植入人体后与宿主之间的关联性， 附着类型和宿主在植入体表面的生物学反应有着直接联系，影响这种反应的因素如 表1 1 所示。 表i - 1 影响种植体和组织界面反应的因素嗍 t a b l et - 1i n f l u e n c e so nt h ei n t e r f a c er e a c t i o nb e t w e e ni m p l a n ta n dt i s s u e 体组织方面种植体方面 组织类型种植休蛆成 组织健康程度种植体材料相组成 组织年龄相边界 组织内部血液循环表面形貌 界面移动表面气孔率 配合紧密程度化学反应 机械载荷量 由于以上种种因素影响，种植体和组织之间的反应结果可以分为以下四大类 如表1 2 所示。 表i - 2 种植体与组织反应类型m 7 】 t a b l e1 2t y p e so f i m p l a n t - t i s s u er e s p o n s e 植 体一组织反应类型结果 毒性反应周围体组织死亡 无毒性但近乎生物惰性体组织在种植体周围形成非粘着型纤维荚囊 生物活】生反应体组织与种植体形成界面键合 种植体降解反应体组织替代种植体 根据生物陶瓷在人体内的反应情况。可将它们分为三类【1 2 ，8 e ”l ： l 、接近惰性生物陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、氮化硅等。它们的化学稳定性 好，在体内能耐腐蚀，耐磨损，不降解，不变质，可在体内长期使用。但是，由于 这类材料与生物机体组织不发生一定的反应，植入生物体内后，机体产生排异现象， 在种植体与生物机体之间形成一定厚度的纤维组织。机体组织生长到种植体表面与 种植体形成结合。这种结合是一种形态固定，或称为机械固定。 2 、生物活性陶瓷材料，如生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷等。它们在体内有一 定的溶解度，能部分参与体内的新陈代谢，对骨细胞生长有一定的引导诱发作用， 能促进缺损骨组织的修复。这类材料植入体内后，在体液的作用下，材料的表面会 一2 一 申剑锋上海交通大学硕士学位论文 发生一定的变化，能够与体液进行物质交换并引导骨细胞在其表面生长，促进骨 组织的修复与重建。在骨组织与种植体之间产生化学键，材料与骨组织的结合是一 种骨性结合，具有较高的界面结合强度。 3 、生物降解陶瓷材料，如磷酸钙陶瓷等。它们在体内的溶解度较大，其溶解产 物进入体液后，随血液循环参与机体的新陈代谢，被机体组织所吸收利用，在种植 体的部位重新生长出新的骨组织。这样种植体材料就被新的机体骨组织所替代。 以上三类材料各有利弊。接近惰性生物陶瓷材料由于其高强度，可以在生物体 内长期安全使用而不产生断裂。其缺点是，长期使用后会产生松动现象。这是由于 植入体与机体组织固定不够产生的。生物活性陶瓷材料和生物降解陶瓷材料则由于 它们本身的强度较小，大大地限制了它们的使用。目前，接近惰性生物陶瓷材料主 要用于耐磨损、耐腐蚀、承受载荷的场合，如人工骨、人工关节头、人工关节窝等。 而生物活性陶瓷材料则用于无负载的情况下，或者将它们制成涂层材料来使用，如 等离子喷涂的生物玻璃涂层、羟基磷灰石涂层。生物降解陶瓷材料一般用于骨填充 材料。 种植体一体组织之间的反应决定了生物陶瓷材料与人体组织之间的附着类型， 具体如表1 3 所示。对于致密的近惰性生物陶瓷如氧化锆、氧化铝，即使在最佳条 件下，也只能与体组织界面之间形成具有一定厚度的纤维荚囊。由于植入体没有和 体组织形成化学键和结合或生物学结合，两者之间的相对微观位移( m i c r i m o t i o n ) 总有可能存在。这种位移一旦发生就会切断细胞的血液供应，组织就会坏死，随之 出现炎症。多孔质生物材料能够使组织向内生长进入孔中，故而能够提供“生物学 固定( b i o l o g i c a lf i x a t i o n ) ”，因而能够承受更复杂的载荷。可吸收的生物材料被设 计成能够随着时间的推移而逐渐降解，最终体组织自身取代。这无疑是替代人体组 织的最佳答案i 。但是这种材料的组分必须能够被新陈代谢掉：其次，材料的降解 速度必须要和体组织自身修复的速度相匹配【1 “。 表1 - 3 陶瓷材料一人体组织的附着类型及材料分类【1 2 1 t a b l e1 - 3t h ea d h e s i o ns t y l e sb e t w e e nc e r a m i c sa n d t i s s u e ，a n dm a t e r i a le x a m p l e s 附着类型例子 通过把种植体连接到组织上或用外力插入 缺陷部位，使得骨附着上致密，元孔、近 单晶或多晶氧化铝 惰性陶瓷材料的不规则表面，称为形态学 固定 骨能够长八多孔质生物惰性植入体，与材多孔多晶氧化稆， 料产生机械附着，称为生物学固定由羟基磷灰石涂覆的多孔金属 材料通过化学键与骨直接结合，称为生物羟基磷灰石陶瓷， 活性固定生物活性玻璃扣微晶玻璃 多孔性或致密的可吸收陶瓷可缓慢地被 d 一磷酸钙，熟石膏 骨组织吸收替代 一一 第一章文献综述 生物活性陶瓷则为解决材料与人体组织之间的界面附着问题提供了另种方 案。这是因为生物活性材料在界面上诱导出特殊的生物学反应，诱导和促进骨组织 的分化 ，这一类的概念已经被扩展到包括具有不同成骨速率及不同界面连接层厚 度的许多种材料，如：羟基磷灰石、生物活性玻璃、生物活性涂层等。对于不同组 成的材料，其键和强度、键和机理及连接层厚度都有所差异】。 总之，材料与生物体组织界面之间的附着类型是评价生物材料相容性的标准 是研究材料与活体组织相互作用的必经之途。 一d 一 申剑锋上海交通大学硕士学位论文 第三节无机非金属生物活性材料 无机非金属生物材料包括了特定组成的玻璃、陶瓷、微晶玻璃及复合材料。生 物活性玻璃和陶瓷的一个麸同特征【1 8 就是：在种植体表面发生依赖于时间变化的动 态过程。材料中含有人体正常新陈代谢所需要的元素，如钙和磷；在生理环境中， 种植体材料的表面会形成能与生物体组织发生化学键和的碳酸代羟基磷灰石层 ( h c a ) 。这种在生物活性种植体表面形成的碳酸代羟基磷灰石相在化学组成上和 结构上与骨骼中的矿物相是相同的。正是这种相同性使得种植体与机体组织之间形 成紧密的化学结合层。这种界面结合层的强度相当大，可以经受很强的机械冲击， 在许多情况下，界面的连接强度相当于甚至超过种植体或生物体组织本身的强度， 故断裂可能发生在种植体或骨上而不是界面上：同时该结合层能够阻止种植体在体 液中的腐蚀，提高种植体的使用寿命。 无机非金属材料生物材料主要有生物活性玻璃、羟基磷灰石( a h p ) 、可切削微 晶玻璃( c e r a v i t a l ) 和生物活性微晶玻璃( a w ) ，除此以外还有和以上部分材料相对应 的涂层材料。对于不同无机生物活性材料，键和的机制、键和强度以及对于时间的 依赖性的键和区的厚度各不相同。本文仅就生物活性玻璃和各类微晶玻璃作一介 绍。 3 1 生物活性玻璃 19 6 9 年，h e n c h 教授m 1 首先研究了n 钆0 c a o s i 0 2 p 2 0 ，系玻璃，发现了一定组 成的玻璃可以与骨组织发生化学键和。表1 6 列出了一些生物活性玻璃的组成【i ”。 最早使用的生物活性玻璃是h e n c h 教授研制的4 5 s 5 玻璃，其组成为 2 4 5 w t n a h o ，2 4 5 w t c a o ，4 5 w t s i 0 2 ，6 0 w t p 2 0 s 。这种玻璃，不仅对人体无 害，与骨组织亲和性好，而且能够与骨骼组织牢固地结合在一起。对于其结合机理， h e n c h 教授认为在人体内部，从玻璃的表面溶出n a + 离子，生成一种富s i o ：的凝 胶层，这层凝胶层会吸附骨成长细胞繁殖成为骨胶原纤维。然后c a 及p 离子从玻 璃中析出，在骨胶原纤维的周围形成羟基磷灰石晶体，并与生物括性玻璃结合在一 起 1 7 - 2 1 。表1 7 给出了生物活性玻璃在体内的活性反应过程。其他学者的研究也证 实了在生物活性玻璃的表面确实产生了羟基磷灰石晶体m 2 ”。 这种生物活性玻璃不仅可以与骨组织发生化学键合，而且可以与软组织结合【2 4 ：”。软组织的胶原纤维可以与一定成分的生物活性玻璃形成很强的结合。在结合界 面上形成一层碳酸羟基磷灰石层( h c a ) t ”2 ”，而胶原纤维通过此碳酸羟基磷灰石层 的生长可以进入生物玻璃内部。碳酸羟基磷灰石( h c a ) 一胶原纤维的结合层厚度约 为3 0 - - 6 0 岬吼w 。但是这种生物活性玻璃作为非晶材料，它的机械力学性能不太 理想 3 0 】，不能直接用于承受载荷的场合。同时，由于在体液的作用下，它会发生较 多的溶解，使它的使用受到一定的限制。 一5 一 - 表1 - 6 生物活性玻璃的组成【。” 第一章文献综述 t a b l e i 6c h e m i c a lc o m p o s i t i o n sf o rb i o a c t i v eg l a s s e s 材料名称 s j 0 2n a 2 0 c a o c a f zp 2 0 5b 2 0 3a 】z o ， 4 5 s 5 4 f4 6 12 4 41 6 21 0 82 6o0 4 5 s 54 6 12 4 42 6 902 6o0 # 1 ( s 6 3 5 p 6 ) 6 5 7151 5 502 60 4o 6 # 9 ( s 5 3 p 4 ) 5 3 92 2 62 1 8o1 7o0 # 1 0 ( s 4 s p 7 ) 4 6 62 4 12 4 4o3 o1 8o 5 2 s 4 65 2 12 1 52 3 8o2 60o 5 5 s 4 35 5 12 0 12 2 202 600 6 0 s 3 86 0 1 1 7 71 9 602 600 4 2 s f4 2 12 6 31 7 41 1 62 60o 5 5 s f5 5 12 0 11 3 3 28 8 82 6o0 6 0 s f6 0 11 7 7 1 1 7 67 8 42 600 4 9 s ( g s ) 5 004 60400 5 4 s ( g g ) 5 5o4 1o40o 5 8 s ( g g ) 6 0o3 60 4 00 6 3 s ( g g ) 6 503 l0 d 00 6 8 s ( g 酌 7 002 6o d o0 7 2 s ( g g ) 7 5o2 lo 4o0 7 7 s 幢曲 8 001 60 4o0 8 6 s ( g g ) 9 0o60 4o0 表1 7 生物活性玻璃在体内的活性反应过程”2 阶段反应类型 ls 卜o h 键形成 2 缩聚反应： s i o h + s i 0 i _ s i 0 - s i 3 无定型c a 、p o 、c 0 3 ，o h 吸附 4晶化h c a 形成 5生物粒子在h c a 中吸附 6巨噬细胞产生作用 7母体细胞贴附 8母体细胞分化 9新生母体出现 1 0母体矿化 一6 一 乍 申剑锋上海交通大学硕士学位论文 3 2 生物活性微晶玻璃 为了解决上述问题，：有科研工作者通过调整其组分的方法，成功地提高了生物 活性玻璃的机械力学性能并改善了其体内溶解度，此时的生物活性玻璃其实组成已 经发生了较大的变化，成为一系列生物活性不同的微晶玻璃【3 ”】。 结合前人研究，可以发现：与以前使用的n a 2 0 一c a o s i o ：一p ，o ，系统玻璃相比较， 生物活性玻璃有三个明显的不同之处：1 、s i o ：的摩尔含量低，小于6 0 ，2 、高的 n a 2 0 含量和高的c a o 含量。3 、高的c a o p 2 0 5 比。在含玛0 ，6 w t 的n 如o c a o s i o ， 系统中，存在着四种区域，如图1 2 所示1 3 3 , 3 4 。区域a 为生物活性玻璃和微晶玻璃， 在虚线区域的组成能和软组织产生结合。区域b 为惰性生物玻璃，不能与机体组织 产生结合。区域c 为降解玻璃，在较短的时间内被机体组织所吸收。区域d 不能 形成玻璃。 c a o s i 0 2 n 8 2 0 图1 - 2 生物活性玻璃的组成区域 f i g 卜2c o m p o s i t i o nd e p e n d e n c eo f b i o a c t i v eg l a s s ( i nw e i g h tp e r c e n l ) 为了提高生物活性玻璃的强度，人们通过在玻璃中析晶的方法，得到生物微晶 玻璃。使用不同的组分，可以得到不同的生物微晶玻璃，它们在不同的温度下析出 的晶体也有所不同。 结晶化玻璃用以下的方法合成，例如使用如下组成m g o 4 6 w t ，c a o4 4 9 w t ， s i 0 23 4 2 w t ，p 2 0 51 6 3 w t ：外加c a f 2o 5 w t 后制备得到玻璃，球磨粉碎后过 筛，在适当压力下制备得到块体，在适当的温度下保温后，即可得到含有大量磷灰 石和硅灰石的结晶化玻璃。作为c a o - m g o - s i 0 2 - p 2 0 ，系玻璃，其基质是磷硅酸盐玻 璃。它在9 0 0 。c 附近热处理，分别析出氧磷灰石 c a 。( p o ) 。( 0 ，f 2 ) 和硅灰石晶体 ( c a s i o ，) ，这两种晶相无序地分布在磷硅酸盐玻璃基质中，其形态均为一般的短柱 状，而针状的硅灰石晶体很少发现郾】。微晶玻璃一般具有较好的机械力学性能。 一7 一 第一章文献综述 目前见诸报道的微晶生物活性玻璃主要有： 1 、c e r a v i t a l 微晶玻璃 e p f e i l h 与b r o m e r 首先制备了c e r a v i t a l 微晶玻璃1 。这种微晶玻璃的组分变化 范围较宽，不同的组成可以得到不同晶体组成的微晶玻璃。研究结果表明，这种微 晶玻璃的机械力学性能不太理想口，不能直接用于承受载荷的场合。同时，由于玻 璃在体液的作用下，会发生较多的溶解，使得微晶玻璃的使用受到一定的限制。使 用其他的组分来改善其体内溶解度的尝试得到了成功，可以有效地控制玻璃的溶解 度，得到生物活性不同的一系列微晶玻璃口1 1 ”】，从生物活性较好的玻璃到生物惰性 的玻璃。目前研究较多的k gc e r a 、m i n a1 3 、k gy 2 1 3 、m 8 1 等牌号的微晶玻璃 其组分如表1 8 所示。 表1 - 8 几种c e r a v i t a l 微晶玻璃的组成叭3 2 t a b l e l - 8c o m p o s i t i o n sf o r c e r a t i v a lg l a s s - c e r a m i c s k g c e r am i n a l 3 i 细2 t 3 m 8 ，1 s i 0 2 4 6 24 63 85 0 c a ( p 0 9 2 2 5 53 31 3 57 1 c a o2 0 2o3 1 n a 2 0 4 8545 m g o 2 9 k 2 0 0 4 a 1 2 q 71 5 t a 2 0 ， 5 5 b 2 0 3 d a i ( p o ，) 2 2 4 。 s 向 2 0 2 、可切削微晶玻璃 可切削微晶玻璃，其结晶相主要是各种类型的云母晶体。正是由于云母晶体的 层状结构，使得这种微晶玻璃获得了优良的机加工性能m ，3 8 , ”。它们产生于s i 0 2 a i ，0 3 - m g o n a 2 0 k 2 0 f c a o p ，0 ，系玻璃，是一种磷硅酸盐玻璃。将配料熔成玻璃 后，在一定的热处理制度下，可获得含有云母及磷灰石晶体的微晶玻璃 4 0 l 。目前， 已经有三种牌号的可切削玻璃出现，分别为b i o v e f i ti ，b i o v e f i t i i ，b i o v e f i t u i 。这 三种玻璃的配方组成存在一定的差异，获得的玻璃其性能也有所不同。b i o v e r i ti ， b i o v e r i ti i 是具有生物括性的微晶玻璃，而b i o v e f i t i i 是一种生物惰性玻璃。b i o v e f i t 系列玻璃在临床上有一定的应用，在骨科和头颈外科中被用作骨置换材料和骨填充 材料，如人工听小骨、人工齿根等9 q 4 1 一8 一 申剑锋上海交通大学硕士学位论文 第四节多孔生物活性微晶玻璃材料的制备及表征 4 1 多孔生物活i 生微晶玻璃的研究背景 所有人类的器官如肝脏、肾脏和骨都有所谓的“实质”和“基质”两部分构成。 “实质”部分是这个器官的生理活性部分；“基质”则是为“实质”提供支撑的框 架部分。在软组织中，即使损坏了“实质”，但是若能维护好“基质”就能显著地 修复并再生器官的“实质”部分。 对于骨组织缺陷，如果能够提供基质的替代物，那么骨组织再生就可能成为现 实。当然这种替代物的组成首先要有良好的生物相容性和生物活性；其次这种替代 物的框架结构要和骨细胞( o s t e o n s ) 以及它们之间相互交织的形态相协调。对于皮质 骨而言，其形态如图1 3 所示。中间竖状孔结构为骨细胞附着生长所需，而孔壁上 的d , t l 为骨细胞血液、营养的通道。k l a w i t t e r t 4 2 等人提出这些小孔的孔径要在1 0 0 “m 以上。 f i g 1 - 3t h es i m u l a t e dc o n f i g u r a t i o no f t h ec o r t i c a lb o n e 对于海绵骨而言，其形态如图1 - 4 所示：与皮质骨不同，海绵骨的孔为开口的 通孔，而且孔与孔之间有骨小梁连接，所以理想的海绵骨种植体，孔径为5 0 0 6 0 0 u1 1 1 ，孔与孔之间相互连贯。以生物微晶玻璃为原料制各所得的多孔材料能使骨组 织长入孔中，产生机械互锁效果从而使种植体与生物体之间产生更为牢靠的生物固 定( b i o l o g i c a lf i x a t i o n ) 。在骨修复及替代材料中相比较而言，a w 生物活性玻璃比 多孔羟基磷灰石陶瓷，具有更高的机械强度，可以替代承受载荷的骨器官用在承载 环境中，而多孔羟基磷灰石陶瓷则显得有点力不从心。另外，多孔a - w 生物活性 玻璃陶瓷除用作骨修复和骨填充材料外，还可用来充当药物的载体、义眼座等其它 一9 一 第一章文献综述 方面a 例如，由于各种原因而摘除眼球的患者会引起眼窝塌陷，为恢复容颜需要镶 配义眼a 用多孔a w 生物活性玻璃可以制成生物相容性很好的活动义眼座，将其 植入后，眼肌组织能够长入孔中，与之实现化学结合。这样义眼即能够运动而且 眼脸又不致塌陷h ”。 f i g 1 - 4 t h es i m u l a t e dc o n f i g u r a t i o no f t h es p o n g yb o n e 另外，目前研究较多的是多孔羟基磷灰石材料。但是，多孔羟基磷灰石存在着 材料不易烧结、烧结过程中相分解以及机械力学性能较差等缺陷，它的应用范围受 到了一定的限制【“”】。因而，制各一种生物活性好、机械力学性能高的多孔材料， 是目前生物材料研究的方向之一。近年来，研究者开始关注多孔生物玻璃。n o c a o s i o ：p ：0 ，系的生物玻璃，具有非常好的生物活性。它们不仅能与人体骨组织发 生化学键和还能与人体软组织形成牢固的结合。将它们制备成多孔材料，可以 解决多孔羟基磷灰石材料相分解、强度差等问题，可望在骨修复材料、人工义眼、 药物载体方面获得广泛的应用邮“1 。 基于上述理由多孔质a w 生物活性玻璃陶瓷成为当前生物材料研究中的一个 热点，具有良好的应用前景。 4 2 多孔生物微晶玻璃的制备方法 4 2 1 微晶玻璃的一般制备方法 一般按下列流程制备微晶玻璃粉 成份设计斗配料呻熔融均化寺淖冷呻球磨。过筛寸干燥 将按比例配置的化学试剂均匀混合后，在碳化硅电炉中用氧化铝坩埚熔制，熔 化温度1 4 5 0 。c ，保温2 小时，高温均化，澄清后出炉。将熔融体在室温下倒入水中 一1 0 一 申剑锋上海交通大学硕士学位论文 淬冷，然后将玻璃置于球磨机球磨7 2 小时后过4 0 0 目筛，即得到微晶玻璃粉体。 4 22 多孔玻璃的制备方法 l 添加造孔剂法 目前应用最为广泛的制各多孑l 玻璃的工艺方法是将玻璃粉体与能在升温过程中 产生气体的材料，如：萘颗粒【4 9 i ，聚氯乙烯颗粒m i 进行混料、成型。在以后的烧结 工艺过程中，这些易分解的物质逸去而留下气孔，最后烧结成多孔玻璃。其优点在 于能精确设计气孔的尺寸、形状和气孔率，而且制各方法也较为简单。但是其局限 之处在于无法实现在空间构型上与皮质骨和海绵骨的骨基质进行模拟。 2 泡沫体浸渍浆料法 泥浆成型法是传统的陶瓷成型工艺的一种。和以往的工艺不同的是，制各多孔 w 生物活性玻璃陶瓷不用石膏模，而是将预制的具有类似珊瑚结构的聚胺酯泡沫 体浸渍在较高固含量的刖w 玻璃粉浆料中，获得多孔素坯，最后烧结而成。采用 这种方法的最大优点是能获得高开口气孔率( 7 0 ) ，类似海绵骨的种植体。表1 9 列出常用的制备多孔陶瓷的工艺方法的优、缺点。 表1 9 多孔陶瓷制备工艺方法的优、缺点 t a b l e1 - 9a d v a n t a g e & d i s a d v a n t a g ea m o n gd i f f e r e n tf a b r i c a t i o nm e t h o d sf o rp o r o u sg l a s sc e r a m i c s 成型方法优点缺点 1 、可采用不同的成型方法制备形状 1 、气孔分布均匀性差 添加造孔剂法复杂的制品 2 、可制得各种气孔结构的多孔制品 2 ，不适合制取高气孔率的制品 1 、能制取高气孔率的制品 1 、不能制造小孔径闭气孔的制品 有机泡沫体浸渍法 2 、制品形状受限制 2 、试样强度好 3 、制品戍份密度不易控制 1 、适于制取微孔陶瓷1 、原料受限制 溶胶凝胶法 2 、适于制取薄膜材料2 、生产率低 3 、气孔分布均匀3 、制品形状爱限制 43 多孔a w 生物活性玻璃陶瓷的表征方法 研究多孑la w 生物活性玻璃陶瓷的目的在于设计出气孔尺寸、气孔形貌和气孔 率可以调控的材料，在此基础上将材料进行相关的生物实验，观察活体组织对不同 形貌和气孔的大小等因素的反应。这一切已引起了众多的注意，如u g o 对不同动物 对多孔羟基磷灰石的骨引导性反应提出了成骨模型【5 。j ，t a k a n o r i 则对多孔羟基磷灰 石涂覆氧化铝进行了生理学和生物力学的骨生长的评价p “。由此可见气孔率、气孔 尺寸分布是多孔材料表征中的两个核心问题。当然多孔烧结体表面积、气孔连贯程 度、气孔形状和气孔表面粗糙度也是表征的重要问题。根据i u p a c 规定气孔按其 第一章文献综述 尺寸大小分成三类： ( 1 ) 微观孑l ( 2 um ) ( 2 ) 介观孔( 2 n m 气孔直径 5 0u1 1 1 ) 不同的孔径范围需要用不同的方法来测量，以下作一介绍 1 直接观察法 借助光学显微镜或者电子显微镜对样品横断面进行观察，统计而得到的有关多 孑l 陶瓷的孔结构、孔径大小及其分布。直接观察法是所有表征多孔陶瓷方法中最直 观、方便的一种。由于此法是对任意横断面进行随机统计，故表征的结果是可靠的。 但是由于获得的只是孔的任意横断面而未必是表现孔半径的横断面。v o nh j o e l ”】 详尽的推导和阐述了重新计算由此而产生的误差，使得截断半径经过修正后能成为 真实的孔径。 2 压汞法( m i p ) 5 4 1 压汞法测量孔径