CN101125218B - 具有可控降解性能的生物活性玻璃的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可控降解性能的生物活性玻璃及其制备方法，属于生物材料领域。采用高温熔融法制备新型生物活性玻璃，该类玻璃不仅具有良好的生物相容性和生物活性，与现有生物玻璃最根本的不同之处在于该类玻璃在生理模拟液或相应的含磷溶液中，能逐渐被溶解，即具有完全生物降解性能，其降解速率可由玻璃的成分来控制。且玻璃的降解产物是纳米碳酸羟基磷灰石，与人体骨的无机矿物成分相同。此类玻璃的生物活性和生物降解性能已融为一体，两种性能相辅相成。该材料从根本上克服了现有生物玻璃的不足，在软骨和硬骨组织缺损的修复方面具有明显的应用价值。

Description

具有可控降解性能的生物活性玻璃的制备方法及应用

技术领域

本发明属于生物材料领域，涉及可控降解性能的生物活性玻璃及其制备方法。所提及的玻璃不仅具有生物相容性，而且在人体组织液的作用下，能够形成碳酸羟基磷灰石，显示出良好的生物活性。在形成人体骨无机矿物组成的过程中，玻璃本身被逐渐溶解掉，因此该玻璃还具有完全生物降解性，且其降解速度可通过玻璃组成的调整加以控制。

背景技术

生物材料在骨组织工程中的作用是提供一种多孔材料作为组织再生的构架，将体外培养的细胞种植其上，并回植入体内，引导所需骨组织的不断生长，同时构架材料逐渐消失，最终在原构架区域内形成和再生出完全有生命的骨组织，实现骨缺损部位的永久修复。随着研究的不断深入，对骨组织工程支架材料提出了更高的要求：首先要求制备支架的材料必须具有良好的生物相容性，要求不仅对人体无毒、无溶血作用、无致畸、致突变作用，还应有利于种子细胞的黏附、增殖和分化。此外，要求材料具有良好的生物活性、骨诱导性及骨传导性。最为重要的是，由该材料制备的支架应在体内生理环境中逐步降解，降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应，且降解速率应与组织细胞的生长速率相匹配。近年来，制备骨组织工程支架的材料研究引起了人们的广泛关注，所用材料主要包括有机高分子材料和无机生物材料。其中高分子材料又包括PLA、PGA及其共聚物等，这类材料具有良好可降解吸收性，但存在一些固有的不足，如表面亲水性差、生物相容性和机械强度尚待改进、体内降解过程中易造成局部酸性产物的蓄积，且在降解过程中力学强度损失过快，不能在骨组织修复期间充分起到支架作用。为了克服有机高分子材料的不足，人们采用无机材料或有机一无机复合材料作为骨组织工程支架材料，如美国专利USP7022522、USP20050249772等，中国专利CN200410016780.5、CN03142161.X、CN03113338.X等均公开了用于骨缺损修复的组织工程材料及其结构和制备方法。在这些材料中，主要的无机成分为羟基磷灰石、硅酸钙等，此类材料具有良好的生物相容性和一定的生物活性，能与骨组织形成骨性结合，但它们在人体组织液中都不能完全降解，最终将作为异物残留在生物体内。因此从组织工程支架材料严格要求的角度来看，这些材料的生物降解性能都存在一定的局限性。

发明内容

本发明旨在为骨组织工程提供一种新型的可完全降解且降解速率可调的生物活性玻璃，以克服现有制备支架的材料所固有的不足之处。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一类具有可控降解性能的生物活性玻璃及其制备方法，将各种分析纯原料混合，经高温熔制后，淬冷成含钙的生物活性玻璃，该玻璃不仅具有良好的生物相容性和生物活性，且其在生理模拟液中能逐渐降解，并在玻璃表面原位生成纳米碳酸羟基磷灰石，其在生理模拟液中的降解速率可通过对玻璃组分的调整加以控制。其中：(1)所说的分析纯原料指制备生物活性玻璃的原料：H₃BO₄、Na₂HPO₄、SiO₂及各种碳酸盐或氧化物；(2)所说的含钙的生物活性玻璃是指以B₂O₃或P₂O₅为玻璃网络主体或兼含SiO₂的含钙玻璃；(3)所说的生理模拟液是指含有(PO₄)^3-以及各种磷酸酸式盐的用于生物实验，类似于人体组织液的各种液体。

进一步，玻璃网络构成体，可以分别是B₂O₃或P₂O₅，也可以是以B₂O₃或P₂O₅为主，兼含SiO₂或其它网络氧化物为次所构成，在玻璃的组成中，这些网络氧化物的总分子含量为30～90mol％。

玻璃的网络间隙离子为一价碱金属离子、二价碱土金属离子、三价或四价的过渡金属离子或稀土金属离子。在玻璃的组成中，网络间隙离子氧化物的总分子含量为5～80mol％。

在玻璃的组成中，CaO的分子含量为5～60mol％。

磷元素在溶液中的质量比＜5％，也包括质量比等于零的无磷溶液(例如生理盐水)，在与含P₂O₅玻璃反应过程中，玻璃中的P₂O₅溶解到溶液中，形成次生的含磷溶液。

玻璃制备温度在900～1350℃之间，熔制时间为0.5～4小时。

通过调整玻璃的成分对该类玻璃的降解性能进行控制。

用该玻璃材料可以制备骨组织工程中细胞生长的支架，用于骨修复和再生领域中。

按照所设计的生物活性玻璃的氧化物组成，分别以H₃BO₃引入B₂O₃，以Na₂HPO₄或H₃PO₄引入P₂O₅，和SiO₂为原料，其余以其碳酸盐或氧化物的形式引入，充分混合后，在铂坩埚中于900～1350℃下熔制0.5～4小时。玻璃熔体浇注在两块不锈钢板之间进行淬冷，获得无析晶的透明生物活性玻璃，该类玻璃是 

以B₂O₃或P₂O₅为玻璃网络主体或兼含SiO₂的含钙玻璃。

以本发明所提及的硼酸盐或磷酸盐或硼磷酸盐或硼硅酸盐玻璃系统，设计玻璃的化学成分，使其在高温时能比较容易地形成玻璃，具有较大的成玻区域，不易析晶。其次，玻璃组成中硼或磷的比例要尽可能高，以使玻璃具有较高的化学活性；成分中必须含有钙，最好可以添加其它氧化物，以便调节玻璃的降解性能。

本发明的生物活性玻璃为含钙的硼酸盐或磷酸盐或硼磷酸盐或硼硅酸盐玻璃。由于此类玻璃由B₂O₃或P₂O₅或另有少量SiO₂构成玻璃的网络结构，其网络结构单元为[BO₃]三角体(或少量[BO₄]四面体)，[PO₃]三面体(或双键断裂后形成的[PO₄])。它们在空间的连接程度有限，易于形成断键。因此具有很高的化学活性，在生理模拟液中，玻璃的空间网络逐渐溶解，随即网络的间隙离子(如Ca²⁺)溶出，与溶液中的P^3-形成溶解度极小的钙磷化合物。在人体的pH值范围内，此钙磷化合物又形成溶解度最小的羟基磷灰石，并与人体组织液中溶解的CO₂反应，进一步在玻璃表面原位生成碳酸羟基磷灰石。由于此溶解反应在人体的体温下进行，与通常湿法制备羟基磷灰石的反应相比，反应温度更低，因此实际上在玻璃表面上生成的是纳米碳酸羟基磷灰石。而与此同时，玻璃发生了溶解，这就是该生物活性玻璃具有良好生物降解性的原因，其降解产物不仅无毒，而且具有很好的活性，所生成的纳米碳酸羟基磷灰石是人体骨组织中无机矿物的主要组成部分。因此，对于本发明的生物活性玻璃支架材料，其生物活性与生物降解性已融为一体，两种性能相辅相成。

本发明所提及的生物活性玻璃的溶解速率的控制，可通过改变玻璃的化学成分来实现。当玻璃中的部分B₂O₃或P₂O₅被SiO₂所取代，其玻璃网络结构中四面体的比例增加，增强了玻璃结构的稳定性，使其不易被人体组织液破坏，因此化学活性降低。而且此过程是连续的，随着玻璃化学组成中B₂O₃或P₂O₅ 含量降低，玻璃网络被溶解的数量减少，降解速率随之降低。此外，还可以通过添加玻璃网络中间体，如MgO、SrO、BaO、La₂O₃等调整玻璃的网络结构和紧密程度，达到调节和控制降解速率的目的。

本发明与前述专利的不同之处是以上述方法所制备的生物活性玻璃作为骨组织工程支架材料。此生物活性玻璃的网络主要构成体为B₂O₃或P₂O₅或两者兼有或兼有部分SiO₂，玻璃的网络间隙氧化物除必须含有CaO外，还含有其它氧化物。这类生物活性玻璃具有比羟基磷灰石、硅酸钙等无机材料具有更高的生物活性，更容易承载细胞，更有利于细胞的粘附、增殖和分化。在生理模拟液中能够形成骨组织的主要无机矿物成分——碳酸羟基磷灰石，与骨组织形成骨性结合。除此之外，这类玻璃明显优于其它无机材料之处是其可以在生理模拟液中完全溶解或接近于完全溶解，即具有完全降解的特性，而且在降解的过程中，这类玻璃可以转变成碳酸羟基磷灰石或含有可溶性硅胶的碳酸羟基磷灰石，最终玻璃完全消失在生理模拟液中，且其降解速率具有连续可调的特性。因而，与其它无机材料相比，本发明所涉及的生物活性玻璃具有更为优异的生物降解性能，是一种理想的骨组织工程支架材料。

本发明所提及的生物活性玻璃与其它无机材料或有机-无机复合材料相比，具有以下几个特点：这类玻璃由于自身结构特性而具有相当高的化学活性，在生理模拟液中，在人体体温37℃的环境中，玻璃网络结构被破坏，玻璃会逐渐溶解，并在其表面原位生成碳酸羟基磷灰石，有利于细胞的粘附、增殖和分化，使得此类玻璃材料具有极高的生物活性。因此，生物活性高是此类材料的第一个特点。第二个特点是本发明所涉及的生物活性玻璃的降解速率具有可控性。由于该类玻璃在生理模拟液中的溶解性是由玻璃的成分所控制的，也就是通过玻璃的成分设计，可以制备出具有不同溶解速率，即不同降解性能的生物活性玻璃，从而使生物活性玻璃的降解速率与骨组织的生长速率相匹配，使其在骨组织修复期间充分起到支架作用。第三个特点是该生物活性玻璃在生理模 拟液中，最终能够完全溶解或接近于完全溶解，也就是具有完全降解的特性。第四个特点是该生物玻璃自身的结构特点决定了其具有良好的可加工性能。研究显示该玻璃能拉丝，能成球，甚至烧结时不析晶，加工后具有玻璃态时的生物活性，因此有利于三维多孔支架的制备。除了上述特点，生物活性玻璃转化得到的产物是纳米尺寸的碳酸羟基磷灰石，更接近于人体骨的无机矿物成分。以上这些特点，使本发明所涉及的骨组织工程支架材料更优于其它无机材料或有机-无机复合支架材料。

骨缺损，特别是大块骨缺损的修复一直是困扰人们的医学难题，近些年的研究显示其最佳解决方法是采用组织工程化手段，在这一方法中，支架材料的选择和制备是基础，作为细胞生长的模板，支架不仅为骨细胞的黏附、分化、增殖，并保持其功能提供场所，而且还可以引导骨组织的再生，控制骨组织的形状。本发明所提供的可控降解性能的生物活性玻璃从根本上克服了现有支架材料在降解性能方面的不足，拓宽了组织工程支架材料的选择范围。由于该类玻璃可以有效控制其生物降解性能，因此不仅可以用作硬骨组织的修复，也可以作为软骨组织的修复材料，其降解速率与所需修复的组织或器官的生长速率相匹配。目前，已有部分有机高分子构成的骨组织工程支架应用于临床实验中，因此，本发明所提供的可控降解性能的生物活性玻璃，有望取代高分子聚合物成为新一代修复骨缺损的最佳支架材料。

附图说明

图1.三种含钙的硼酸盐玻璃在含磷溶液中失重随浸泡时间的变化规律，与45S5(0B)生物玻璃作为对照；

图2.三种含钙的硼酸盐玻璃与含磷溶液反应后形成产物的X射线衍射图，证明其产物均是羟基磷灰石。最下面的图谱是商品的羟基磷灰石的X射线衍射图；

图3.浸泡前后玻璃微球表面的扫描电镜照片，分别在含磷溶液中浸泡0天和10天观察表面碳酸羟基磷灰石的生长情况。

图4.三种含钙的硼酸盐玻璃对骨组织细胞生长影响的观察。与45S5玻璃作为对照，分别在第一天和第三天观察细胞生长情况。

具体实施方式

1、降解性能可控的生物活性玻璃的制备：

用分析纯Na₂CO₃，CaCO₃，H₃BO₃，Na₂HPO₄和SiO₂为原料，按照不同的玻璃组成配料(见表1)。将原料混合均匀后，分别在1100～1150℃于铂坩埚中熔制2小时后，获得无气泡的玻璃液，最后将熔融玻璃液淬冷于二块不锈钢板之间，得到透明无析晶玻璃。

表1生物活性玻璃的化学组成

2、含硼玻璃微球的制备：

含硼玻璃微球的制备采用火焰熔融法。将上述获得的生物玻璃粉碎成小颗粒，使其在空中下落，过程中通过高温火焰，在火焰中熔化，由于玻璃的表面张力作用，玻璃在空中自动熔成球形，脱离火焰后，在空气中降温至玻璃转化温度以下，最后落入收集器中，重复上述过程多次即可获得具有一定尺寸的玻璃微球。

3、含硼玻璃的生物活性及生物降解性：

采用溶解失重法，即将上述获得的生物活性玻璃粉碎成150～300μm的颗粒，或将玻璃微球置于37℃的0.02MK₂HPO₄溶液中浸泡，每隔一定时间测定玻璃颗粒失重，做出失重与浸泡时间的关系曲线(见图1)，由图可见，随着B₂O₃ 含量减少，玻璃失重速率降低，即玻璃的降解速率降低，也即可用B₂O₃的含量来控制玻璃的降解速率。降解后的产物用XRD分析为羟基磷灰石(见图2)；采用SEM观察浸泡前后玻璃微球表面形态的变化(见图3)，浸泡10天后玻璃微球表面已被碳酸羟基磷灰石所覆盖，说明玻璃具有生物活性。

4、含硼玻璃的生物相容性：

将上述获得的生物活性玻璃加工成1×5×5mm的正方形薄片，表面抛光，测定其与骨生长细胞的相容性。

在四个培养皿中，分别放有MEM培养基，并接种骨生长细胞MC3T3-E1，细胞的浓度为15000/cm³。将上述三种玻璃浸没在培养液中，第四个培养皿中放入同样尺寸的45S5玻璃薄片，以作对照分析。用MTT染色计，以标定活细胞的数目，用相差显微镜观察细胞的生存与繁殖的数量。图4显示在四种玻璃存在的条件下，第一天和第三天的细胞生长情况。说明随着玻璃中的B₂O₃含量的增加，虽然细胞增长会有所减少，但是即使在B₂O₃含量最高的46B玻璃中，细胞数仍随着时间增长，说明该组成的含B₂O₃玻璃，仍有较好的生物相容性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.具有可控降解性能的生物活性玻璃的制备方法，其特征在于：将各种分析纯原料混合，经高温熔制后，淬冷成含钙的生物活性玻璃；该原料包括：H₃BO₄、Na₂HPO₄、SiO₂及各种碳酸盐或氧化物；该具有可控降解性能的生物活性玻璃是以B₂O₃或P₂O₅为主，兼含SiO₂或其它网络氧化物的含钙玻璃；

其中：(a)所述的网络氧化物的总分子含量为30～90mol％；(b)所述含钙玻璃的网络间隙离子包括一价碱金属离子、二价碱土金属离子、三价或四价的过渡金属离子或稀土金属离子；网络间隙离子氧化物的总分子含量为5～80mol％；(c)在含钙玻璃的组成中，CaO的分子含量为5～60mol％；(d)该玻璃制备温度在900～1350℃之间，熔制时间为0.5～4小时。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述具有可控降解性能的生物活性玻璃在类似于人体组织液的各种液体中能逐渐降解，并在玻璃表面原位生成纳米碳酸羟基磷灰石；通过调整玻璃的成分对该类玻璃的降解性能进行控制；其中：所述类似于人体组织液的各种液体包括：含有(PO₄)^3-以及各种磷酸酸式盐的溶液，磷元素在溶液中的质量比＜5％，也包括质量比等于零的无磷溶液。

3.根据权利要求1所述的方法制得的具有可控降解性能的生物活性玻璃的应用，其特征在于：由该生物活性玻璃制备骨组织工程的支架，能支持骨细胞生长。

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