CN103623466A - 一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架及其制备方法以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架及其制备方法以及应用，该方法包括以下步骤：1）提供一种介孔生物玻璃粉体；2）将介孔生物玻璃粉体、粘结剂以及致孔剂按质量比（0.3-0.5）:（0.05-0.15）:（0.3-0.5）混合均匀得到混合粉体，将其置于模具中，使用2-5MPa压力进行压制；3）将压制得到的材料置于马弗炉中焙烧，得到多孔支架；4）将该支架分别置于含有硅烷偶联剂APS和TESPSA的甲苯溶液中回流，真空干燥，分别得到氨基化和羧基化的介孔生物玻璃多孔支架。本发明提供的多孔支架保持了介孔生物玻璃的介孔结构，并且该多孔支架具有较高的气孔率和较高的强度，负载量大，可以用于骨组织修复。

Description

一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架及其制备方法以及应用

技术领域

本发明涉及纳米与生物材料领域，更具体地涉及一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架及其制备方法以及应用。

背景技术

由疾病、创伤和人口老龄化等引起的骨组织损伤严重危害人类健康，骨组织修复材料的需求量巨大，因此迫切需要开发高效的骨组织修复材料。

骨组织修复材料按材料种类分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料。其中无机非金属材料由于具有生物相容性好以及能和组织很好的键合等优点，得到了广泛的应用，其中以生物活性玻璃的应用最为广泛。

1971年Hench等人（Hench LL,Splinter RJ,Allen WC,Greenlee TK.JBiomed Mater Res.1971,2,117）利用熔融法首次制备了具有骨修复性能的生物活性玻璃，熔融法制备的生物活性玻璃虽然可以用于骨修复，但是它具有制备温度高、纯度低、均匀性差以及过于致密且比表面积低导致生物活性不好等缺点。于是Hench等人（Li R,ClarkAE,Hench LL.JApplBiomater 1991,2,231）又利用溶胶凝胶的方法制备了一种生物活性玻璃，克服了熔融法的缺点。相比于熔融法制备的生物活性玻璃，溶胶凝胶法制备的生物活性玻璃虽然具有一定的孔隙使比表面积变大，生物活性得到了提高，但是孔隙数量并不多，因此生物活性的提高并不是特别大。

介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的具有巨大比表面积和三维孔道结构的新型材料，孔径在2到50纳米之间，由于介孔材料具有很大的比表面积，因此人们考虑将生物活性玻璃制备成介孔材料，从而提高其比表面积，进一步提高生物活性。2004年Zhao等人（Yan XX,Yu CZ,Zhou XF,Tang JW,Zhao DY.AngewChemInt Ed 2004,43,5980）利用蒸发诱导自组装（EISA）方法成功制备了介孔生物玻璃，这种介孔生物玻璃比表面积达到了350m²/g，并且具有4.6nm的均匀介孔，不光使生物玻璃的生物活性得到了很大的提升，并且和其它介孔材料一样具有负载药物的特性，使材料具有多功能性。

但是，对于骨组织的修复，细粉状材料，例如介孔生物玻璃粉体不能作为修复材料，而需要将其制备成具有100μm以上的相互连通的大孔结构的多孔支架，这样的材料才有利于细胞迁入、组织长入及材料与活体组织的融合从而达到骨组织修复的目的。

目前制备介孔生物玻璃多孔支架的方法有两种，但是都具有很明显的缺点。（1）Shi等人（Li X,Wang X,Chen H,Jiang P,Dong X,Shi J.ChemMater2007,19,4322）利用聚氨酯泡沫浸渍的方法制备介孔生物玻璃多孔支架，该方法工艺周期长且制备的支架强度很低；（2）Yun等人（Yun HS,Kim SE,HyunYT.ChemCommun2007,21,2139）利用快速成型技术制备介孔生物玻璃多孔支架，该方法工艺复杂且需要特殊设备辅助，对介孔结构也有一定的破坏。此外，通过上述方法制备的介孔生物玻璃多孔支架在直接应用于骨组织修复时，负载量小，骨修复能力有限。

因此，如何利用简单的工艺制备具有较高强度和较高气孔率的介孔生物玻璃多孔支架并且保持介孔生物玻璃介孔结构不被破坏，同时提高该支架的负载量的方法还需要进一步探索。

发明内容

本发明的目的是提供一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架及其制备方法以及应用，从而解决现有技术中的介孔生物玻璃多孔支架强度小，气孔率低，介孔结构被破坏，以及负载量小，骨修复能力有限的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架的制备方法，包括以下步骤：1）分别提供介孔生物玻璃粉体（MBG，Mesoporous bioactive glasses）、粘结剂以及致孔剂，所述介孔生物玻璃粉体的具体组成是SiO₂，CaO，P₂O₅，其中三者的摩尔比为（70-90）:（25-5）:5；2）将步骤1）中的介孔生物玻璃粉体、粘结剂以及致孔剂按质量比（0.3-0.5）:（0.05-0.15）:（0.3-0.5）混合均匀得到混合粉体，然后将所述混合粉体置于模具中，使用2-5MPa压力进行压制；3）将步骤2）中压制得到的材料置于马弗炉中焙烧，得到介孔生物玻璃多孔支架；4）将步骤3）中得到的介孔生物玻璃多孔支架分别置于含有硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（APS）和3-三乙氧基甲硅烷基-丙基-琥珀酸酐（TESPSA）的甲苯溶液中回流，真空干燥，分别得到氨基化的介孔生物玻璃多孔支架和羧基化的介孔生物玻璃多孔支架。

所述步骤1）中的所述介孔生物玻璃粉体通过蒸发诱导自组装方法制备，具体可参考2004年Zhao等人（Yan XX,Yu CZ,Zhou XF,Tang JW,ZhaoDY.AngewChemInt Ed 2004,43,5980）。

优选地，所述步骤2）中的所述粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮。在粘结剂的选择上，由于介孔的存在，粘结剂最好是固体的，如果用液体的话有可能对介孔造成破坏。固体的粘结剂也有很多种，但是如果最终这种支架材料被用于骨修复等生物工程，则聚乙烯吡咯烷酮为最佳选择，因为这种粘结剂具有很好的生物相容性并且粘接效果最好。

优选地，所述步骤2）中的所述致孔剂是聚乙二醇。在致孔剂的选择上，同样有很多种类，但是如果出于安全考虑，聚乙二醇的生物相容性更好并且效果最好。

所述聚乙二醇的颗粒尺寸优选为300-450μm。

所述步骤3）中焙烧的条件为500-700℃下焙烧4-6小时。

所述步骤4）中介孔生物玻璃多孔支架与硅烷偶联剂的质量比为（0.6-1）:（0.2-0.4）。

本发明还提供了一种通过上述制备方法制得的功能化的介孔生物玻璃多孔支架。

所述介孔生物玻璃多孔支架具有尺寸为200-300μm的大孔。

还提供一种如上所述的功能化的介孔生物玻璃多孔支架在制造骨修复材料中的应用。

本发明提供的一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架与现有技术相比具有的有益效果在于：采用模具压制法制备了不同尺寸以及不同形状的介孔生物玻璃多孔支架，满足实际应用的各种需求；根据本发明提供的方法制备的多孔支架具有很好的强度和加工性能，切割以后仍保持大孔结构不变；通过硅烷偶联剂的使用，进一步分别制备出了氨基化和羧基化的介孔生物玻璃多孔支架，由于氨基和羧基都是亲水基团，所以氨基化和羧基化以后介孔生物玻璃多孔支架表面的亲水性增强，在实际应用中可以增强对细胞的吸附，提高骨修复能力；其次介孔生物玻璃属于介孔材料，载药是其一个重要功能，但普通介孔材料负载量小，而氨基化和羧基化以后的介孔生物玻璃多孔支架表面分别带有正电荷和负电荷，根据电荷吸附等原理，可以增加不同种类药物的负载量并达到缓释效果，这也为以后的制备多功能性骨修复材料提供了载体材料。

附图说明

图1是根据本发明的实施例制备的介孔生物玻璃多孔支架，其中，A、B、C、D依次为根据本发明的实施例1，2，3，4制备的介孔生物玻璃多孔支架；

图2是根据本发明的实施例1制备的介孔生物玻璃多孔支架的数码显微照片；

图3是图2所示照片的反色照片；

图4和图5是根据本发明的实施例1制备的介孔生物玻璃多孔支架的扫描电镜照片，放大倍数分别为60倍和300倍；

图6是介孔生物玻璃粉体（MBG）和根据本发明的实施例1制备的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的小角X射线衍射对比图；

图7是介孔生物玻璃粉体（MBG）和根据本发明的实施例1制备的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的氮气吸附脱附等温线对比图；

图8是介孔生物玻璃粉体（MBG）和根据本发明的实施例1制备的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的孔径分布曲线对比图；

图9是根据本发明的实施例5制备的氨基化介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA-N）和未氨基功能化的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的红外谱图对比图；

图10是根据本发明的实施例6制备的羧基化介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA-C）和未氨基功能化的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的红外谱图对比图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

实施例1

（1）将4g P123（一种三嵌段共聚物，全称为:聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，其分子式为:PEO-PPO-PEO）、6.7g正硅酸乙酯、1.4g Ca(NO₃)₂·4H₂O、0.73g磷酸三乙酯以及1.0g 0.5M盐酸加入60.0g无水乙醇中，在30℃下搅拌18h形成透明的溶胶，将得到的溶胶置于培养皿中放到27℃下挥发48h形成凝胶，然后将得到的凝胶在600℃马弗炉中焙烧5h，取出后研磨得到介孔生物玻璃粉末；

（2）将0.3g介孔生物玻璃粉末、0.05g聚乙烯吡咯烷酮粉末和0.3g聚乙二醇颗粒混合均匀，放入直径为0.5cm圆柱形钢制模具中，在3MPa压力下压制成型。将成型的介孔生物玻璃放入500℃马弗炉中焙烧6h，得到直径为0.5cm厚度为0.3cm圆柱形介孔生物玻璃多孔支架。

如图1中的A所示，可粗略观察到该多孔支架上具有大孔。如图2所示，是该多孔支架的数码显微照片，放大倍数为60倍，从中可以清晰地观察到支架中丰富的大孔的存在，虽然加入的致孔剂聚乙二醇颗粒大小为300-450μm，但是由于支架在高温下发生了收缩，因此最终观察到的大孔直径约为200-300μm。图3是图2的反色照片，是对图2的补充，从中能够更加清晰地观察到支架中大孔的存在。图4和图5是该支架的扫描电镜照片，可进一步观察到大孔以及大孔孔壁的结构。

通过进一步测量，介孔生物玻璃粉末（MBG）与该实施例中制备的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的孔参数对比如下表所示，通过对比，可进一步说明在上述制备多孔支架的过程中基本不会对介孔生物玻璃粉末本身的介孔结构造成破坏。

表1

样品	比表面积（m2/g）	孔容（cc/g）	孔径（nm）
				MBG	352.1	0.46	4.6
MBG-SCA	335.4	0.42	4.6

图6、图7、图8依次是介孔生物玻璃粉体（MBG）和实施例1中制备的介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA）的小角X射线衍射对比图、氮气吸附脱附等温线对比图、孔径分布曲线对比图，从中可以看出，两种材料的曲线基本没有区别，进一步证明根据本发明的方法制备的多孔支架基本不会对介孔生物玻璃粉末本身的介孔结构造成破坏。

实施例2

（1）将4g P123、7.5g正硅酸乙酯、0.5g Ca(NO₃)₂·4H₂O、0.73g磷酸三乙酯以及1.0g 0.5M盐酸加入60.0g无水乙醇中，在28℃下搅拌24h形成透明的溶胶，将得到的溶胶置于培养皿中放到25℃下挥发36h形成凝胶，然后将得到的凝胶在500℃马弗炉中焙烧5h，取出后研磨得到介孔生物玻璃粉末；

（2）将0.4g介孔生物玻璃粉末、0.1g聚乙烯吡咯烷酮粉末和0.4g聚乙二醇颗粒混合均匀，放入直径为1cm圆柱形钢制模具中，在4MPa压力下压制成型。将成型的介孔生物玻璃放入600℃马弗炉中焙烧5h，得到直径为1cm厚度为0.3cm圆柱形介孔生物玻璃支架MBG-SCA。

如图1中的B所示，可粗略观察到该多孔支架上具有大孔。

实施例3

（1）将8g P123、5.8g正硅酸乙酯、2.4g Ca(NO₃)₂·4H₂O、0.73g磷酸三乙酯以及1.0g 0.5M盐酸加入60.0g无水乙醇中，在32℃下搅拌12h形成透明的溶胶，将得到的溶胶置于培养皿中放到30℃下挥发72h形成凝胶，然后将得到的凝胶在700℃马弗炉中焙烧5h，取出后研磨得到介孔生物玻璃粉末；

（2）将0.5g介孔生物玻璃粉末、0.15g聚乙烯吡咯烷酮粉末和0.5g聚乙二醇颗粒混合均匀，放入直径为1.5cm圆柱形钢制模具中，在5MPa压力下压制成型。将成型的介孔生物玻璃放入700℃马弗炉中焙烧4h，得到直径为1.5cm厚度为0.3cm圆柱形介孔生物玻璃支架MBG-SCA。

如图1中的C所示，可粗略观察到该多孔支架上具有大孔。

实施例4

将实施例3中制备的多孔支架进行切割，制备成长度为0.5-1.5cm的长方体支架材料。

如图1中的D所示，是该实施例中制备的支架材料，可以看出根据本发明提供的方法制备的多孔支架具有很好的强度和加工性能，切割以后仍保持大孔结构不变。

实施例5

将0.2g硅烷偶联剂APS加入到50ml甲苯溶液混合均匀，将0.6g实施例1中制备的多孔支架放入混合溶液，在氮气保护下80℃回流12h，用甲苯洗涤支架，将洗涤后的支架放入80℃真空干燥12h，得到氨基化的多孔支架（MBG-SCA-N）。

如图9所示，是实施例5中制备的氨基化介孔生物玻璃支架MBG-SCA-N和未氨基功能化的介孔生物玻璃支架MBG-SCA的红外谱图对比图，通过对比可以看出，相比于未氨基功能化的介孔生物玻璃多孔支架，氨基化的多孔支架在1560cm^-1和700cm^-1处出现N-H的振动峰，在2938cm^-1处出现C-H振动峰，从而证明氨基已经成功嫁接到了介孔生物玻璃多孔支架的表面。

实施例6

将0.3g硅烷偶联剂TESPSA加入到50ml甲苯溶液混合均匀，将0.8g实施例1中制备的支架放入混合溶液，在氮气保护下80℃回流16h，用甲苯洗涤支架，将洗涤后的支架放入80℃真空干燥12h，得到羧基化的多孔支架（MBG-SCA-C）。

如图10所示，是实施例6中制备的羧基化介孔生物玻璃多孔支架（MBG-SCA-C）和未氨基功能化的介孔生物玻璃支架（MBG-SCA）的红外谱图对比图，通过对比可以看出，相比于未羧基功能化的介孔生物玻璃多孔支架，羧基化的多孔支架在1722cm^-1处出现C=O的振动峰，在2938cm^-1处出现C-H振动峰，从而证明羧基已经成功嫁接到了介孔生物玻璃支架表面。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）分别提供介孔生物玻璃粉体、粘结剂以及致孔剂，所述介孔生物玻璃粉体的具体组成是SiO₂，CaO，P₂O₅，其中三者的摩尔比为（70-90）:（25-5）:5；

2）将步骤1）中的介孔生物玻璃粉体、粘结剂以及致孔剂按质量比（0.3-0.5）:（0.05-0.15）:（0.3-0.5）混合均匀得到混合粉体，然后将所述混合粉体置于模具中，使用2-5MPa压力进行压制；

3）将步骤2）中压制得到的材料置于马弗炉中焙烧，得到介孔生物玻璃多孔支架；

4）将步骤3）中得到的介孔生物玻璃多孔支架分别置于含有硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷和3-三乙氧基甲硅烷基-丙基-琥珀酸酐的甲苯溶液中回流，真空干燥，分别得到氨基化的介孔生物玻璃多孔支架和羧基化的介孔生物玻璃多孔支架。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的所述介孔生物玻璃粉体通过蒸发诱导自组装方法制备。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的所述粘结剂是聚乙烯吡咯烷酮。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的所述致孔剂是聚乙二醇。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇的颗粒尺寸是300-450μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中焙烧的条件为500-700℃下焙烧4-6小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中介孔生物玻璃多孔支架与硅烷偶联剂的质量比为（0.6-1）:（0.2-0.4）。

8.一种功能化的介孔生物玻璃多孔支架，其特征在于，所述功能化的介孔生物玻璃多孔支架通过根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法制得。

9.根据权利要求8所述的功能化的介孔生物玻璃多孔支架，其特征在于，所述介孔生物玻璃多孔支架具有尺寸为200-300μm的大孔。

10.一种根据权利要求8所述的功能化的介孔生物玻璃多孔支架在制造骨修复材料中的应用。

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