一种介孔生物活性玻璃及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物活性玻璃技术领域，具体为一种介孔生物活性玻璃及其制备方法。

背景技术

组织工程已成为修复因创伤、疾病和衰老导致组织和器官损坏的一种有前途的方法。组织工程和再生医学的一种有效方法旨在使用功能细胞和由工程生物材料制成的可生物降解植入物来恢复病变或受损的组织部分。现如今，用于组织工程的材料大多为天然或合成聚合物，如多糖，水凝胶或者热塑性聚合物材料。生物材料是组织工程中的一个分支，现在的生物材料主要包括，金属材料、高分子材料、生物活性玻璃材料。

生物活性玻璃最早是由Hench教授于1969年合成制备，最初成分为SiO

溶胶-凝胶技术是一种动态，环保，可靠的自上而下的一种合成方法，是制备材料的湿化学方法中新兴起的一种方法，是指金属的有机或无机化合物，经过熔融，溶胶，凝胶过程，接着在溶胶或凝胶状态下成型，在经过干燥和热处理等工艺流程制成不同形态的产物。在纳米技术，光电子，半导体，医药，生物技术以及分离科学等领域受到了极其广泛的关注。

而溶胶-凝胶生物活性玻璃是借助溶胶-凝胶技术制备的、具有良好组织修复特性的新一代生物活性玻璃。由于其良好的生物活性、温和的制备条件、材料组成均匀、高比表面积、可调控的降解速度等特点，引起国内外生物医学材料领域的高度关注，被认为其具有很好的临床应用潜能。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种介孔生物活性玻璃及其制备方法，具备生物活性玻璃颗粒表现出可控的表面结构、磷灰石形成能力和生物相容性，具有良好的生物活性等优点，解决了上述技术的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种介孔生物活性玻璃，包括该玻璃的制备方法，所述生物活性玻璃包括以下质量比的原料：

二氧化硅58％；

氧化钙33％；

五氧化二磷9％。

一种介孔生物活性玻璃制备方法，包括以下制备步骤：

步骤一、在烧杯中加入去离子水和乙醇，混合均匀后加入正硅酸乙脂，并在室温条件下搅拌水解30min；

步骤二、继续向溶液中加入磷酸三乙脂，待其完全溶解后加入不同的酸基水解催化剂；

步骤三、继续向其中加入四水硝酸钙，充分搅拌均匀后获得均一稳定的溶液；

步骤四、溶液在室温下静止陈化一定时间，使水解-缩聚反应充分进行，形成湿凝胶；

步骤五、湿凝胶置于干燥箱中去除溶液中多余的水分和溶剂，使溶剂蒸发后得到干凝胶；

步骤六、将干凝胶置于箱式电炉中，经过热处理固化工艺获得颗粒状溶胶-凝胶生物活性玻璃。

优选的，所述步骤二磷酸三乙脂加入溶液后搅拌30min。

优选的，所述步骤二中酸基水解催化剂溶液中H

优选的，所述步骤一还包括以下步骤：

S1.1、烧杯消毒：将烧杯放入酒精含量20％的纯净水中浸泡10min后使用消毒柜烘干；

S1.2、准备乙醇溶剂：选择乙醇纯度为99.9％的乙醇；

S1.3、准备去离子水：去离子水选择标准为pH值6-8，电导率为1-10微西(μS/cm)；

S1.4、使用玻璃棒或搅拌棒，在烧杯中充分搅拌去离子水和乙醇，搅拌速率为30/prm-45/prm；

S1.5、将正硅酸乙脂以5ml/s的速度加入到烧杯中，同时持续不断地搅拌溶液。

优选的，所述步骤二还包括以下详细步骤：

S2.1、在完成步骤一后，确保烧杯中的溶液仍然充分搅拌；

S2.2、根据实验配方和比例量取的磷酸三乙脂(TAP)，并缓慢加入到步骤一的溶液中；

S2.3、持续搅拌溶液，直到磷酸三乙脂完全溶解，一旦磷酸三乙脂完全溶解，即可准备加入酸基水解催化剂；

S2.4、根据实验配方，确定所需的酸基水解催化剂，缓和地将酸基水解催化剂加入到溶液中，同时持续搅拌；

S2.5、持续搅拌溶液，确保酸基水解催化剂充分混合并催化水解反应。需要根据实验要求确定所需的催化时间。

优选的，所述步骤三还包括以下详细步骤：

S3.1、确保前两个步骤的溶液处于充分搅拌状态；

S3.2、缓慢向溶液中加入四水硝酸钙，将四水硝酸钙预先溶解在少量溶剂中，再逐渐加入溶液中；

S3.3、持续搅拌溶液，直至四水硝酸钙充分溶解并与其他成分充分混合；

S3.4、当溶液变得透明、稳定并呈现一致性的溶胶状态时，表示反应已经达到所需状态，停止加入四水硝酸钙并停止搅拌。

优选的，所述步骤四还包括以下详细步骤：

S4.1、将所得的透明稳定溶胶置于室温下静止陈化；

S4.2、在静置陈化的过程中，定期观察溶胶状态的变化，透明稳定溶胶逐渐转变为凝胶状态；

S4.3、在静置陈化结束后，检查所得的湿凝胶的性质和质地。

优选的，所述步骤五中干燥箱烘干湿凝胶温度范围为60℃-120℃，所述干燥箱干燥湿凝胶时间为24h。

优选的，所述步骤六中固化工艺温度为650℃。

与现有技术相比，本发明提供了一种介孔生物活性玻璃及其制备方法，具备以下有益效果：

1、本发明通过在传统的溶胶-凝胶工艺中，通过添加有机酸或无机酸可以成功地控制生物活性玻璃颗粒的表面结构和纳米级表面形貌。本文即通过添加不同催化剂的基础上，采用溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃。其中柠檬酸为有机酸，含有一个羟基和三个羧基，羟基羧酸可以通过与无机前驱体的氢键相互作用或被聚合硅酸盐吸收来建立生物活性玻璃的特殊表面微观结构，达到了生物活性玻璃颗粒表现出可控的表面结构、磷灰石形成能力和生物相容性的有益效果。

2、本发明通过用溶胶-凝胶法开发了一种生物活性玻璃，并对生物活性玻璃的理化性质和体外生物活性进行了科学研究，采用溶胶-凝胶工艺成功地合成了生物活性玻璃颗粒，使其具有非晶结构和纳米尺寸的特点，在这种结构和形态特点下，在SBF溶液中浸泡7d后的生物活性玻璃颗粒，表面会形成致密的生物磷灰石，证明其含有良好的生物活性。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明生物活性玻璃的SEM图；(a)盐酸-BG；(b)硝酸-BG；(c)乳酸-BG；(d)柠檬酸-BG；

图3为本发明生物活性玻璃的EDS能谱图；

图4为本发明生物活性玻璃的XRD图；(a)盐酸-BG；(b)硝酸-BG；(c)乳酸-BG；(d)柠檬酸-BG；

图5为本发明生物活性玻璃的在SBF中浸泡7d后的SEM图；(a)盐酸-BG；(b)硝酸-BG；(c)乳酸-BG；(d)柠檬酸-BG；

图6为本发明生物活性玻璃的在SBF中浸泡7d后的XRD图；(a)盐酸-BG；(b)硝酸-BG；(c)乳酸-BG；(d)柠檬酸-BG；

图7为本发明生物活性玻璃在SBF中浸泡7d后的红外图；(a)盐酸-BG：(b)硝酸-BG；(c)乳酸-BG；(d)柠檬酸-BG。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，种介孔生物活性玻璃，包括该玻璃的制备方法，所述生物活性玻璃包括以下质量比的原料：

二氧化硅58％；

氧化钙33％；

五氧化二磷9％。

1.材料摩尔组成为(SiO2:CaO:P2O5＝58：33：9)，合成过程中以去离子水和乙醇为溶剂，加入柠檬酸，盐酸，硝酸，乙酸为催化剂，以正硅酸乙酯，磷酸三乙酯，四水合硝酸钙为SiO

2.SEM扫描电镜表征

电镜(蔡司-sigma 300)对生物活性玻璃表面相貌进行观察，并以能谱仪对表面元素进行分析。由于本实验中样品为绝缘体，因此在进行喷金处理前，使用导电胶带将样品固定在样品台上，再将其置于扫描电镜载物台上，将生物活性玻璃颗粒在50mTorr的气体压力下镀金2min。镀金后将其进行真空处理后方可进行测试，设定放大倍数最高数量级为10

3.X射线衍射

使用(Bruker D8 Advance)X射线衍射仪在室温下，在2θ°范围从10°到80°的0.02°范围内，步长为1°。停留时间0.1s/步，使用CuKα辐射(波长为

4.磷灰石形成生物活性评价

采用模拟体液浸泡的方法，研究材料体外磷灰石形成的生物活性。SBF中离子浓度为Na

将所有样品于SBF中浸泡7d，每两天更换一次溶液，达到浸泡天数后从振荡器中取出样品，采用离心分离生物活性玻璃颗粒，用乙醇(或丙酮)和去离子水交替洗涤3次以除去表面的SBF，将洗涤后的生物活性玻璃60℃鼓风干燥12h，得到矿化后的样品留作备用进行后续测试。

通过FE-SEM分析，观察样品表面磷灰石层的形貌，对样品表面及其矿化产物形貌进行观察，有针状或者叶片状钙磷矿化产物生成。并判断最终是否析出大量生物矿物(即低结晶度：矿化层碳酸羟基磷灰石HCA)。

采用X射线衍射和傅里叶变换红外光谱(德国-Bruker-VERTEX70)测定了磷灰石层的晶体结构和组成。

XRD实验采用衍射仪，配备CuKα辐射，按照转靶多晶体X射线衍射方法通则进行，对矿化产物进行分析，进一步明确矿化产物种类以及结晶程度。

按照红外光谱分析方法通则进行，观察矿化产物的特征吸收峰，并用来判断最终是否有低结晶度的碳酸羟基磷灰石(HCA)形成，并定性分析其生成速度和生成量。

结合扫描电子显微镜、红外光谱及X射线衍射分析结果，综合评价材料的体外矿化性能。

实施例2

FE-SEM检测的制备的生物活性玻璃颗粒的表面形貌和微观结构如图2所示。

柠檬酸衍生的生物活性玻璃颗粒具有相对光滑的表面，同时也可见纳米级表面形貌和介孔结构。实验结果表明：溶胶-凝胶法制备的生物活性玻璃颗粒可表现出纳米级，且粒径越小越容易团聚。

电镜观察发现，生物活性玻璃中存在大量明显聚集的纳米级别的团粒，团粒和团粒互相连接形成一种多孔的微细结构，这种显微结构是溶胶凝胶生物活性玻璃具有高比表面积的根本原因，这种团粒是由于Si及P的有机醇盐水解，同是有硝酸钙参与反应所形成的胶粒状水解产物，而材料的纳米空隙结构是由于凝胶老化过程中水解产物进行进一步聚合、脱水和结构重排所致，当干燥和热处理时，存在于微孔中的溶剂和水分挥发而留下大量均匀分布的开放性纳米级微孔。

图3为材料的EDS能谱图，可以看到Si、O、Ca、P四种元素的峰位很明显，通过EDS数据计算，生物活性玻璃颗粒中各组分摩尔比为SiO

如图4所示，观察XRD图，溶胶-凝胶生物活性玻璃颗粒的图谱显示其样品衍射峰较宽阔，晶相结构呈较强弥散性。宽范围反射(2θ＝20-35°)左右出现较宽的峰，这是典型的玻璃的无定形结构峰，且由于生物活性玻璃中存在均匀的SiO

实施例3

SBF中磷灰石形成的生物活性玻璃颗粒在SBF中浸泡7d的表面形貌和微观结构见图5。

与浸泡前的FE-SEM图像相比(图2)，在SBF中浸泡7d后，生物活性玻璃的表面形态发生了变化，该材料首先在生物活性玻璃表面形成了一层沉积物，即表面形成一定数量的硅羟团。同时，硅羟团的形成对于促进进一步诱导其表面生成HCA具有重要作用，

按照转靶多晶体X射线衍射方法通则进行，对矿化产物进行分析，在SBF中浸泡7d的XRD图谱如图6所示。在SBF中浸泡7d后，所有样品都表现出生物活性玻璃的代表性无定形结构。磷灰石特征峰在2θ＝26°(002)、32°(211)、46°(222)、53°(004)出现。浸泡7d后，生物活性玻璃的FTIR光谱显示，生物活性玻璃在1060cm

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。